Кератин: какво е, структура, функции и примери в животинския свят

Кератините са семейство влакнести протеини. Кератинът изгражда косата на животните, както и рогата, ноктите, копитата, черупките, човките и перата. Името идва от гръцката дума keras, която означава "рог".

Кератините са твърди и неразтворими. Те образуват твърдите, но неминерални структури при влечугите, птиците, земноводните и бозайниците. Подобна биологична твърдост има и хитинът.

Структура на кератина

Молекулна природа: Кератинът е полипептиден (белтъчен) материал, принадлежащ към семейството на междинните филаменти. Мономерите на кератина се свързват в двойки, образуващи коил-койл структура (особено при алфа-кератините), които по-нататък се асоциират в по-големи агрегати — тетрамери, протофиламенти и накрая междинни филаменти с диаметър около 8–12 nm.

Алфа- и бета-кератини: Съществуват два основни типа кератини. Алфа-кератините (често при бозайници) имат преобладаващо α-спирална структура и са по-еластични (напр. коса и кожа). Бета-кератините (при птици и влечуги) съдържат β-листови структури и са по-твърди — типични за пера, човки и люспи.

Дисулфидни връзки: Голямо значение за твърдостта има присъствието на аминокиселината цистеин. Две цистеинови странични вериги могат да формират дисулфидна (S–S) връзка, която кръстосва веригите и увеличава механичната устойчивост (особено в нокти, копита, рога).

Функции

Механична защита: Кератиновите структури предпазват тъканите от механично увреждане — нокти и копита служат за защита и подпора, рога и черупки за отбранителни и структурни функции.
Бариера и водоустойчивост: Кератинизираната кожа (рогов пласт, stratum corneum) намалява загубата на вода и пречи на проникването на микроорганизми и химикали.
Темпeрамент и изолация: Косата и перата осигуряват топлинна изолация и често участват в комуникация (например календарни и сексуални сигнали при птици).
Специализирани функции: Човките и ноктите служат за хващане и обработка на храна; копитата подпомагат движение по твърд терен; пернатите покрития позволяват летене и водонепромокаемост.

Процеси и клетъчни компоненти

Кератинът се синтезира основно в епителните клетки, наречени кератиноцити. По време на процеса на кератинизиране тези клетки произвеждат голямо количество кератинови белтъци, оформят плътни междинни филаменти и накрая губят ядрото и органелите си, за да образуват защитния рогов слой. Междинните филаменти на кератина са свързани с клетъчните интерконекции (десмосоми) и закрепват епидермиса към дермата чрез хемидесмосоми.

Примери в животинския свят

Бозайници: коса, вълна, нокти, копита, рога (напр. кози, елени) и козина — всички изградени основно от алфа-кератини.
Птици: перата и човките съдържат бета-кератин, който създава твърд и лек материал, подходящ за летене и изолация.
Влечуги: люспите и част от роговите образувания (напр. човки при костенурки) са богати на бета-кератин.
Земноводни: при някои видове се наблюдават кератинизации в ноктите или защити, особено при по-сухи местообитания.
Морски организми: макар че повечето черупки са минерални (калциев карбонат), някои външни покрития и структури в морски животни съдържат кератинови елементи или аналогични протеини.

Гени и клинична значимост

Кератините са кодирани от голям генен набор (семейство KRT), като различни кератини се експресират в различни тъкани и стадии на диференциация. Мутации в кератинови гени могат да доведат до наследствени заболявания (напр. различни форми на кернатопатии, като везикулационни болести на кожата, чуплива коса или нарушения в ноктите и копитата).

Приложения и човешко използване

Кератинът се използва в козметичната индустрия (продукти за подсилване и възстановяване на коса), както и за изработване на биоматериали — филми, гелове и композити за медицина и биотехнологии. Извличането и рециклирането на кератин (например от животински отпадъци като вълна и пера) е активно поле за разработка на устойчиви материали.

Кратко резюме: Кератинът е основен защитен и структурен белтък при много животни. Неговата уникална молекулна организация и кръстосани връзки му придават здравина, устойчивост на разтворители и важни биологични функции — от механична защита до изолация и водоустойчивост.

Микроскопия на кератинови нишки в клетките.

Разнообразие от употреби за животни

Кератините са основната съставна част на структурите, които израстват от кожата:

α-кератините в косата (включително вълната), рогата, ноктите, ноктите и копитата на бозайниците.
по-твърдите β-кератини в люспите и ноктите на влечугите, техните черупки (хелони, като костенурка, костенурка, сухоземна костенурка), както и в перата, клюновете и ноктите на птиците. Тези кератини се образуват главно на бета-листове. Бета-листове обаче се срещат и в α-кератините.

При членестоногите, като например ракообразните, части от екзоскелета им често са изградени от кератин, понякога в комбинация с хитин.

Кератини се срещат и в стомашно-чревния тракт на много животни, включително кръгли червеи (които също имат външен слой от кератин).

Въпреки че сега е трудно да се установи със сигурност, люспите, ноктите, някои защитни брони и човките на динозаврите почти сигурно са били съставени от определен вид кератин.

Коприна

Копринените фиброини, произвеждани от насекоми и паяци, често се класифицират като кератини, въпреки че не е ясно дали те са филогенетично свързани с кератините на гръбначните животни.

Коприната, открита в какавидите на насекомите, както и в паяжините и яйчните обвивки, също има усукани β-нагънати листове, включени във влакна, навити в по-големи свръхмолекулни агрегати.