KERATIN: LOẠI, CẤU TRÚC, VỊ TRÍ VÀ CHỨC NĂNG - SINH HỌC - 2025

Các Keratin là một protein xơ không hòa tan hình thành các bộ phận cấu trúc của các tế bào và các integuments của nhiều sinh vật, đặc biệt là vật có xương sống. Nó có các dạng rất đa dạng và không phản ứng mạnh, về mặt hóa học.

Cấu trúc của nó được các nhà khoa học Linus Pauling và Robert Corey mô tả lần đầu tiên vào năm 1951, khi đang phân tích cấu trúc của lông động vật. Các nhà nghiên cứu này cũng đưa ra những hiểu biết sâu sắc về cấu trúc của myosin trong mô cơ.

Đề án tổ chức Alpha-keratin (Nguồn: Mlpatton qua Wikimedia Commons)

Sau collagen, nó là một trong những protein quan trọng nhất ở động vật và đại diện cho phần lớn trọng lượng khô của tóc, len, móng tay, móng vuốt và móng guốc, lông, sừng và một phần quan trọng của lớp ngoài của da.

Các phần tử hoặc các bộ phận "sừng hóa" của động vật có thể có hình thái rất khác nhau, ở mức độ lớn, phụ thuộc vào chức năng mà chúng thực hiện trong từng sinh vật cụ thể.

Keratin là một loại protein có các đặc điểm mang lại hiệu quả cơ học lớn về sức căng và độ nén. Nó được sản xuất bởi một loại tế bào đặc biệt gọi là "tế bào sừng", tế bào này thường chết sau khi được tạo ra.

Một số tác giả khẳng định rằng keratins được biểu hiện theo cách mô và giai đoạn cụ thể. Ở người có hơn 30 gen mã hóa các protein này và chúng thuộc một họ tiến hóa qua nhiều vòng nhân đôi gen.

Các loại keratins và cấu trúc của chúng

Về cơ bản có hai loại keratins: α và β. Chúng được phân biệt bởi có cấu trúc cơ bản bao gồm chủ yếu là chuỗi polypeptit có thể được quấn dưới dạng xoắn anpha (α-keratins) hoặc nối song song dưới dạng các tấm gấp β (β-keratins).

α-Keratins

Loại keratin này được nghiên cứu nhiều nhất và người ta biết rằng động vật có vú có ít nhất 30 biến thể khác nhau của loại keratin này. Ở những động vật này, α-keratins là một phần của móng, tóc, sừng, móng guốc, bút lông và biểu bì.

Giống như collagen, những protein này chứa trong cấu trúc của chúng một tỷ lệ dồi dào các axit amin nhỏ như glycine và alanin, đó là những gì giúp cho việc hình thành các vòng xoắn alpha có thể thực hiện được. Cấu trúc phân tử của một α-keratin được tạo thành từ ba vùng khác nhau: (1) các sợi hoặc vòng xoắn tinh thể, (2) các vùng tận cùng của các sợi, và (3) chất nền.

Các vòng xoắn này là hai và tạo thành một dimer giống như một đường xoắn ốc cuộn được kết dính với nhau nhờ sự hiện diện của các liên kết hoặc cầu nối disulfua (SS). Mỗi vòng xoắn có khoảng 3,6 gốc axit amin trong mỗi lượt mà nó tạo ra và được tạo thành từ khoảng 310 axit amin.

Sau đó, những cuộn dây được cuộn lại này có thể được liên kết để tạo thành một cấu trúc được gọi là protofilament hoặc protofibril, có khả năng lắp ráp với những cuộn dây khác cùng loại.

Protofilaments sở hữu N- và C-termini không xoắn, rất giàu dư lượng cysteine ​​và được gắn vào vùng lõi hoặc chất nền. Các phân tử này trùng hợp để tạo thành các sợi trung gian có đường kính gần 7nm.

Hai loại sợi trung gian cấu tạo từ keratin được phân biệt: sợi trung gian có tính axit (loại I) và cơ bản (loại II). Chúng được nhúng trong một nền protein và cách sắp xếp các sợi này ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính cơ học của cấu trúc mà chúng tạo nên.

Trong dây tóc loại I, các vòng xoắn được kết nối với nhau bằng ba "đầu nối xoắn" được gọi là L1, L12 và L2 và được cho là cung cấp tính linh hoạt cho miền xoắn. Trong các sợi loại II, cũng có hai miền phụ nằm giữa các miền xoắn.

Ví dụ về cấu trúc với α-keratins: tóc

Nếu phân tích cấu trúc của một sợi tóc điển hình, nó có đường kính khoảng 20 micron và được tạo thành từ các tế bào chết có chứa các sợi vĩ mô đóng gói được định hướng song song (cạnh nhau).

Lông của động vật có vú, như loài bò này, được làm bằng keratin (Nguồn: Frank Winkler qua pixabay.com)

Macrofibrils được tạo thành từ các microfibrils, có đường kính nhỏ hơn và được liên kết với nhau thông qua một chất protein vô định hình có hàm lượng lưu huỳnh cao.

Những microfibrils này là những nhóm protofibrils nhỏ hơn với mô hình tổ chức 9 + 2, nghĩa là chín protofib bao quanh hai protofibrils trung tâm; tất cả các cấu trúc này về cơ bản được cấu tạo bởi α-keratin.

Keratins mềm và keratins cứng

Tùy thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh của chúng, các α-keratins có thể được phân loại là keratins mềm hoặc keratins cứng. Điều này liên quan đến lực cản cơ học do các liên kết disulfua trong cấu trúc protein gây ra.

Nhóm sừng cứng bao gồm những chất sừng là một phần của tóc, sừng và móng tay, trong khi chất sừng mềm được thể hiện bằng những sợi tơ có trong da và bắp.

Các liên kết disulfide có thể bị loại bỏ bằng cách sử dụng một chất khử, do đó các cấu trúc bao gồm keratin không dễ tiêu hóa đối với động vật, trừ khi chúng có ruột giàu mercaptan, như trường hợp của một số côn trùng.

β-Keratins

Β-keratins mạnh hơn nhiều so với α-keratins và được tìm thấy ở các loài bò sát và chim như một phần của móng vuốt, vảy, lông và mỏ. Ở tắc kè, các vi nhung mao trên chân của chúng (nấm) cũng được tạo thành từ loại protein này.

Cấu trúc phân tử của nó bao gồm các tấm gấp nếp β được tạo thành bởi các chuỗi polypeptit đối song được liên kết với nhau thông qua liên kết hoặc liên kết hydro. Các chuỗi này, nối tiếp nhau, tạo thành các bề mặt phẳng và cứng nhỏ, hơi gấp khúc.

Nó ở đâu và chức năng của nó là gì?

Trên hết, các chức năng của keratin có liên quan đến kiểu cấu trúc mà nó xây dựng và nơi nó được tìm thấy trong cơ thể động vật.

Giống như các protein dạng sợi khác, nó mang lại sự ổn định và độ cứng cấu trúc cho các tế bào, vì nó thuộc về họ protein lớn được gọi là họ các sợi trung gian, là protein tế bào.

Trong bảo vệ và bảo hiểm

Lớp trên của da của động vật bậc cao có một mạng lưới lớn các sợi trung gian do keratin tạo thành. Lớp này được gọi là biểu bì và dày từ 30 micron đến 1 nm ở người.

Lớp biểu bì có chức năng như một hàng rào bảo vệ chống lại các loại căng thẳng cơ học và hóa học và được tổng hợp bởi một loại tế bào đặc biệt gọi là "tế bào sừng".

Ngoài lớp biểu bì, còn có một lớp bên ngoài liên tục bong ra và được gọi là lớp sừng, thực hiện các chức năng tương tự.

Gai và bút lông cũng được nhiều loài động vật khác nhau sử dụng để bảo vệ chúng khỏi những kẻ săn mồi và những kẻ xâm lược khác.

"Áo giáp" của Tê tê, loài động vật có vú ăn côn trùng nhỏ sống ở châu Á và châu Phi, cũng được cấu tạo bởi "vảy" keratin bảo vệ chúng.

Trong quốc phòng và các chức năng khác

Sừng được quan sát thấy ở động vật thuộc họ Bovidae, tức là ở bò, cừu và dê. Chúng là những cấu trúc rất bền và có khả năng chống chịu và những động vật nuôi chúng sử dụng chúng như những cơ quan phòng vệ và tán tỉnh.

Sừng được hình thành bởi một trung tâm xương bao gồm xương "xốp" được bao phủ bởi lớp da từ vùng sau của hộp sọ.

Móng tay là một ví dụ khác về các bộ phận cơ thể được tạo thành từ keratin (Nguồn: Adobe Stock qua pixabay.com)

Móng và móng ngoài chức năng kiếm ăn và kiềm chế, động vật còn được coi là "vũ khí" phòng thủ trước những kẻ tấn công và săn mồi.

Mỏ của các loài chim phục vụ một số mục đích, trong số đó là thức ăn, phòng vệ, tán tỉnh, trao đổi nhiệt và chải chuốt, trong số những mục đích khác. Nhiều loại mỏ được tìm thấy trong tự nhiên ở các loài chim, đặc biệt là về hình dạng, màu sắc, kích thước và sức mạnh của các hàm liên quan.

Mỏ được cấu tạo, giống như sừng, có tâm xương nhô ra từ hộp sọ và được bao phủ bởi các tấm β-keratin chắc chắn.

Răng của động vật không có hàm dưới (động vật có xương sống "tổ tiên") được cấu tạo từ keratin và giống như răng của động vật có xương sống "cao hơn", có nhiều chức năng trong việc kiếm ăn và bảo vệ.

Di chuyển

Móng của nhiều loài động vật nhai lại và có móng guốc (ngựa, lừa, nai sừng tấm, v.v.) được làm bằng keratin, có khả năng chống chịu rất cao và được thiết kế để bảo vệ chân và hỗ trợ di chuyển.

Lông vũ, cũng được chim sử dụng để di chuyển, được làm bằng β-keratin. Những cấu trúc này cũng có chức năng ngụy trang, tán tỉnh, cách nhiệt và chống thấm.

Lông và mỏ của các loài chim cũng được cấu tạo từ keratin (Nguồn: Couleur, qua pixabay.com)

Trong ngành công nghiệp

Công nghiệp dệt là một trong những nhà khai thác chính của cấu trúc sừng hóa, nói một cách nhân học. Lông cừu và lông của nhiều loài động vật quan trọng ở cấp độ công nghiệp, vì với chúng, nhiều loại quần áo khác nhau được sản xuất hữu ích cho nam giới theo các quan điểm khác nhau.

Người giới thiệu

1. Koolman, J., & Roehm, K. (2005). Bản đồ Hóa sinh màu (xuất bản lần thứ 2). New York, Hoa Kỳ: Thieme.
2. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Hóa sinh (xuất bản lần thứ 3). San Francisco, California: Pearson.
3. Nelson, DL & Cox, MM (2009). Các nguyên tắc của Lehninger về Hóa sinh. Omega Editions (ấn bản thứ 5).
4. Pauling, L., & Corey, R. (1951). Cấu trúc của tóc, cơ và các protein liên quan. Hóa học, 37, 261-271.
5. Phillips, D., Korge, B., & James, W. (1994). Keratin và sự sừng hóa. Tạp chí của Viện Da liễu Hoa Kỳ, 30 (1), 85–102.
6. Rouse, JG, & Dyke, ME Van. (2010). Đánh giá về vật liệu sinh học dựa trên Keratin cho các ứng dụng y sinh. Vật liệu, 3, 999-1014.
7. Smith, FJD (2003). Di truyền phân tử của rối loạn Keratin. Am J Clin Dermatol, 4 (5), 347–364.
8. Voet, D., & Voet, J. (2006). Hóa sinh (xuất bản lần thứ 3). Biên tập Médica Panamericana.
9. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratin: Cấu trúc, đặc tính cơ học, sự xuất hiện trong các sinh vật sinh học và nỗ lực thoát hơi nước sinh học. Tiến bộ trong Khoa học Vật liệu.