الكيراتين: أنواعه وتركيبته وموقعه ووظائفه - مادة الاحياء - 2025

و الكيراتين هو بروتين ليفي غير القابلة للذوبان التي تشكل في جزء الهيكلي للخلايا وinteguments من العديد من الكائنات الحية، وخاصة الفقاريات. لها أشكال متنوعة للغاية وليست تفاعلية للغاية ، من الناحية الكيميائية.

تم وصف هيكلها لأول مرة من قبل العلماء لينوس بولينج وروبرت كوري في عام 1951 ، أثناء تحليل بنية شعر الحيوانات. قدم هؤلاء الباحثون أيضًا نظرة ثاقبة حول بنية الميوسين في الأنسجة العضلية.

مخطط تنظيم ألفا كيراتين (المصدر: Mlpatton عبر ويكيميديا ​​كومنز)

بعد الكولاجين يعتبر من أهم البروتينات في الحيوانات ويمثل معظم الوزن الجاف للشعر والصوف والأظافر والمخالب والحوافر والريش والقرون وجزء كبير من الطبقة الخارجية من الجلد.

يمكن أن يكون للعناصر أو الأجزاء "الكيراتينية" من الحيوانات أشكال مختلفة تمامًا تعتمد ، إلى حد كبير ، على الوظيفة التي تؤديها في كل كائن حي معين.

الكيراتين هو بروتين له خصائص تمنحه كفاءة ميكانيكية كبيرة من حيث الشد والضغط. يتم إنتاجه بواسطة نوع خاص من الخلايا يسمى "الخلايا الكيراتينية" ، والتي تموت عادة بعد إنتاجها.

يؤكد بعض المؤلفين أن الكيراتين يتم التعبير عنها بطريقة الأنسجة والمرحلة المحددة. يوجد في البشر أكثر من 30 جينًا يشفرون هذه البروتينات وينتمون إلى عائلة تطورت من خلال عدة جولات من التكرار الجيني.

أنواع الكيراتين وهيكلها

يوجد نوعان أساسيان من الكيراتين: α و β. تتميز هذه من خلال وجود بنية أساسية تتكون أساسًا من سلاسل متعددة الببتيد يمكن لفها على شكل حلزونات ألفا (α-keratins) أو متصلة بالتوازي مثل الصفائح المطوية β (β-keratins).

ألفا كيراتين

هذا النوع من الكيراتين هو الأكثر دراسة ومن المعروف أن الثدييات لديها ما لا يقل عن 30 نوعًا مختلفًا من هذا النوع من الكيراتين. في هذه الحيوانات ، تعتبر α-keratins جزءًا من الأظافر والشعر والقرون والحوافر والريش والبشرة.

مثل الكولاجين ، تحتوي هذه البروتينات في بنيتها على نسبة وفيرة من الأحماض الأمينية الصغيرة مثل الجلايسين والألانين ، والتي تجعل إنشاء حلزونات ألفا ممكنًا. يتكون التركيب الجزيئي لـ α-keratin من ثلاث مناطق مختلفة: (1) الألياف أو الحلزونات البلورية ، (2) المجالات النهائية للخيوط ، و (3) المصفوفة.

الحلزونات اثنان وتشكل ثنائيًا يشبه اللولب الملفوف الذي يتم تثبيته معًا بفضل وجود الروابط أو جسور ثاني كبريتيد (SS). يحتوي كل حلزون على ما يقرب من 3.6 بقايا من الأحماض الأمينية في كل منعطف يصنعه ويتكون من حوالي 310 من الأحماض الأمينية.

يمكن أن ترتبط هذه الملفات الملفوفة بعد ذلك لتشكيل بنية تعرف باسم الخيوط البدائية أو الألياف الأولية ، والتي لديها القدرة على التجمع مع الآخرين من نفس النوع.

تمتلك الخيوط الأولية أطرافًا N و C غير حلزونية غنية بمخلفات السيستين والتي ترتبط بالمنطقة الأساسية أو المصفوفة. تتبلمر هذه الجزيئات لتشكل خيوطًا وسيطة يبلغ قطرها حوالي 7 نانومتر.

يتم تمييز نوعين من الخيوط الوسيطة المكونة من الكيراتين: الشعيرات الوسيطة الحمضية (النوع الأول) والقاعدة (النوع الثاني). يتم تضمينها في مصفوفة البروتين والطريقة التي يتم بها ترتيب هذه الخيوط تؤثر بشكل مباشر على الخواص الميكانيكية للبنية التي تتكون منها.

في خيوط النوع الأول ، ترتبط الحلزونات ببعضها البعض عن طريق ثلاثة "موصلات حلزونية" تُعرف باسم L1 و L12 و L2 والتي يُعتقد أنها توفر المرونة للمجال الحلزوني. في خيوط النوع الثاني ، يوجد أيضًا مجالان فرعيان يقعان بين المجالات الحلزونية.

مثال على بنية بها α-keratins: الشعر

إذا تم تحليل بنية الشعر النموذجي ، فسيبلغ قطره حوالي 20 ميكرونًا ويتكون من خلايا ميتة تحتوي على ألياف كبيرة معبأة يتم توجيهها بشكل متوازٍ (جنبًا إلى جنب).

شعر الثدييات ، مثل هذه البقرة ، مصنوع من الكيراتين (المصدر: فرانك وينكلر عبر pixabay.com)

تتكون الألياف الكبيرة من الألياف الدقيقة ، التي يكون قطرها أصغر وترتبط ببعضها البعض من خلال مادة بروتينية غير متبلورة تحتوي على نسبة عالية من الكبريت.

هذه الألياف الدقيقة عبارة عن مجموعات من الألياف الأولية الأصغر مع نمط تنظيم 9 + 2 ، مما يعني أن تسعة ألياف أولية تحيط بليفين أوليين مركزيين ؛ كل هذه الهياكل تتكون أساسًا من α-keratin.

الكيراتين الناعم والكيراتين الصلب

اعتمادًا على محتواها من الكبريت ، يمكن تصنيف α-keratins على أنها كيراتين ناعم أو كيراتين صلب. هذا له علاقة بقوة المقاومة الميكانيكية التي تفرضها روابط ثاني كبريتيد في بنية البروتين.

تشمل مجموعة الكيراتين الصلب تلك التي هي جزء من الشعر والقرون والأظافر ، بينما يتم تمثيل الكيراتين الناعم بالخيوط الموجودة في الجلد والذرة.

يمكن القضاء على روابط ثاني كبريتيد عن طريق تطبيق بعض عوامل الاختزال ، بحيث لا يسهل هضم الهياكل المكونة من الكيراتين بواسطة الحيوانات ، ما لم يكن لديها أمعاء غنية بالمركابتان ، كما هو الحال مع بعض الحشرات.

β- كيراتين

Β-keratins أقوى بكثير من α-keratins وتوجد في الزواحف والطيور كجزء من المخالب والحراشف والريش والمناقير. في أبو بريص ، تتكون الميكروفيلي الموجود على أرجلهم (الفطر) أيضًا من هذا البروتين.

يتكون هيكلها الجزيئي من صفائح مطوية على شكل β تتكون من سلاسل متعددة البيبتيد المضادة التي يتم ربطها معًا من خلال روابط أو روابط هيدروجينية. تشكل هذه السلاسل ، واحدة بجانب الأخرى ، أسطحًا صغيرة صلبة ومسطحة ، مطوية قليلاً.

أين هي وما هي وظائفها؟

ترتبط وظائف الكيراتين ، قبل كل شيء ، بنوع البنية التي يبنيها ومكان وجوده في جسم الحيوان.

مثل البروتينات الليفية الأخرى ، فإنه يمنح الاستقرار والصلابة الهيكلية للخلايا ، لأنه ينتمي إلى عائلة كبيرة من البروتينات المعروفة باسم عائلة الخيوط الوسيطة ، وهي بروتينات الهيكل الخلوي.

في الحماية والتغطية

تحتوي الطبقة العليا من جلد الحيوانات العليا على شبكة كبيرة من الخيوط الوسيطة المكونة من الكيراتين. تسمى هذه الطبقة البشرة ويبلغ سمكها بين 30 ميكرون و 1 نانومتر في الإنسان.

تعمل البشرة كحاجز وقائي ضد أنواع مختلفة من الإجهاد الميكانيكي والكيميائي ويتم تصنيعه بواسطة نوع خاص من الخلايا يسمى "الخلايا الكيراتينية".

بالإضافة إلى البشرة ، هناك طبقة خارجية أكثر تتساقط باستمرار وتُعرف باسم الطبقة القرنية ، والتي تؤدي وظائف مماثلة.

كما تستخدم حيوانات مختلفة الأشواك والريش لحمايتها من الحيوانات المفترسة والمعتدين الآخرين.

يتكون "درع" البنغول ، وهي ثدييات صغيرة آكلة للحشرات تعيش في آسيا وأفريقيا ، من "قشور" الكيراتين التي تحميها.

في وظائف الدفاع وغيرها

تُلاحظ القرون في حيوانات عائلة Bovidae ، أي في الأبقار والأغنام والماعز. إنها هياكل قوية ومقاومة للغاية والحيوانات التي تستخدمها كأجهزة للدفاع والتودد.

تتكون القرون من مركز عظمي مكون من عظم "إسفنجي" مغطى بجلد يخرج من المنطقة الخلفية للجمجمة.

الأظافر هي مثال آخر لأجزاء الجسم المكونة من الكيراتين (المصدر: Adobe Stock عبر pixabay.com)

المخالب والمسامير ، بالإضافة إلى وظائفها في التغذية والتقييد ، تستخدم أيضًا الحيوانات كـ "أسلحة" للدفاع ضد المهاجمين والحيوانات المفترسة.

تخدم مناقير الطيور عدة أغراض ، من بينها الطعام ، والدفاع ، والتودد ، وتبادل الحرارة ، والاستمالة ، من بين أمور أخرى. توجد أنواع متعددة من مناقير في الطبيعة في الطيور ، خاصة من حيث الشكل واللون والحجم وقوة الفكين المصاحبين.

تتكون المنقار ، مثل القرون ، من مركز عظمي بارز من الجمجمة ومغطى بصفائح قوية من β-keratin.

تتكون أسنان الحيوانات غير الفكية (الفقاريات "الأسلاف") من الكيراتين ، ومثل أسنان الفقاريات "الأعلى" ، لها وظائف متعددة في التغذية والدفاع.

يتحرك

حوافر العديد من الحيوانات المجترة وذوات الحوافر (الخيول ، الحمير ، الأيائل ، إلخ) مصنوعة من الكيراتين ، وهي شديدة المقاومة ومصممة لحماية الأرجل والمساعدة في الحركة.

الريش ، الذي تستخدمه الطيور أيضًا للتنقل ، مصنوع من β-keratin. هذه الهياكل لها أيضًا وظائف في التمويه والتودد والعزل الحراري وعدم النفاذية.

يتكون ريش ومنقار الطيور أيضًا من الكيراتين (المصدر: Couleur ، عبر pixabay.com)

في الصناعة

صناعة النسيج هي واحدة من المستغلين الرئيسيين للهياكل الكيراتينية ، من الناحية البشرية. يعتبر صوف وشعر العديد من الحيوانات أمرًا مهمًا على المستوى الصناعي ، حيث يتم تصنيع الملابس المختلفة التي تفيد الرجال من وجهات نظر مختلفة.

المراجع

1. كولمان ، ج. ، وروهم ، ك. (2005). أطلس اللون للكيمياء الحيوية (الطبعة الثانية). نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية: Thieme.
2. ماثيوز ، سي ، فان هولدي ، ك ، وأهيرن ، ك. (2000). الكيمياء الحيوية (الطبعة الثالثة). سان فرانسيسكو ، كاليفورنيا: بيرسون.
3. نيلسون ، DL ، & Cox ، MM (2009). مبادئ Lehninger للكيمياء الحيوية. إصدارات أوميغا (الطبعة الخامسة).
4. بولينج ، إل ، وكوري ، ر. (1951). هيكل الشعر والعضلات والبروتينات ذات الصلة. كيمياء ، 37 ، 261-271.
5. فيليبس ، د. ، كورج ، ب ، وجيمس ، و. (1994). الكيراتين والتقرن. مجلة الأكاديمية الأمريكية للأمراض الجلدية ، 30 (1) ، 85-102.
6. روس ، جي جي ، ودايك ، مي فان. (2010). مراجعة للمواد الحيوية القائمة على الكيراتين للتطبيقات الطبية الحيوية. المواد ، 3 ، 999-1014.
7. سميث ، FJD (2003). الوراثة الجزيئية لاضطرابات الكيراتين. آم J كلين ديرماتول ، 4 (5) ، 347-364.
8. Voet، D.، & Voet، J. (2006). الكيمياء الحيوية (الطبعة الثالثة). افتتاحية Médica Panamericana.
9. وانج ، ب ، يانغ ، دبليو ، ماكيتريك ، جيه ، ومايرز ، مايرز (2016). الكيراتين: التركيب ، الخواص الميكانيكية ، التواجد في الكائنات الحية ، وجهود الاستنشاق الحيوي. التقدم في علم المواد.