الكيراتين

الكيراتين ( يُلفظ / ˈkɛrətɪn / ^{[ 1 ] [ 2 ]} ) هو أحد أفراد عائلة البروتينات الليفية الهيكلية المعروفة أيضًا باسم البروتينات الصلبة . وهو المادة الهيكلية الأساسية التي تُكوّن الحراشف والشعر والأظافر والريش والقرون والمخالب والحوافر والطبقة الخارجية من الجلد في الفقاريات رباعية الأطراف . كما يحمي الكيراتين الخلايا الظهارية من التلف أو الإجهاد. يتميز الكيراتين بانخفاض ذوبانه الشديد في الماء والمذيبات العضوية. تتجمع مونومرات الكيراتين في حزم لتشكيل خيوط متوسطة ، وهي خيوط متينة تُكوّن زوائد جلدية قوية غير مُتمعدنة موجودة في الزواحف والطيور والبرمائيات والثدييات . ^{[ 3 ] [ 4} ] يُساهم فرط التقرن في تقوية بعض الأنسجة ، مثل قرون الأبقار ووحيد القرن ^، والصفائح العظمية لحيوان المدرع . ^{[ 5 ]} المادة البيولوجية الأخرى الوحيدة المعروفة التي تقارب صلابة الأنسجة الكيراتينية هي الكيتين . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} يأتي الكيراتين في نوعين: الأشكال البدائية الأكثر ليونة الموجودة في جميع الفقاريات والأشكال الأكثر صلابة والمشتقة الموجودة فقط بين الزواحف والطيور.

توجد الكيراتينات ألفا (α-keratins) في جميع الفقاريات. وهي تُشكّل الشعر (بما في ذلك الصوف )، والطبقة الخارجية للجلد ، والقرون ، والأظافر ، والمخالب ، والحوافر لدى الثدييات، وخيوط المخاط لدى أسماك الهاجفيش. [4] كما تتكون صفائح البالين لدى الحيتان التي تتغذى ^{بالترشيح من الكيراتين} . وتكثر خيوط الكيراتين في الخلايا الكيراتينية في الطبقة القرنية من البشرة ؛ وهي بروتينات خضعت لعملية التقرن . كما توجد هذه الخيوط في الخلايا الظهارية بشكل عام. فعلى سبيل المثال، تتفاعل الخلايا الظهارية في الغدة الزعترية للفئران مع الأجسام المضادة للكيراتين 5، والكيراتين 8، والكيراتين 14. وتُستخدم هذه الأجسام المضادة كعلامات فلورية لتمييز مجموعات فرعية من الخلايا الظهارية في الغدة الزعترية للفئران في الدراسات الجينية للغدة الزعترية .

توجد الكيراتينات بيتا الأكثر صلابة (β-keratins) فقط في الزواحف والطيور ، أي جميع الزواحف والطيور الحية . وتوجد في أظافر الزواحف وحراشفها ومخالبها، وفي بعض أصداف الزواحف ( السلاحف )، وفي ريش الطيور ومناقيرها ومخالبها. [ 9 ^{] تتشكل هذه} الكيراتينات بشكل أساسي في صفائح بيتا . ومع ذلك، توجد صفائح بيتا أيضًا في كيراتينات ألفا. ^{[ 10 ]} وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن كيراتينات بيتا في الزواحف والطيور تختلف اختلافًا جوهريًا عن كيراتينات ألفا على المستويين الجيني والبنيوي. وقد اقتُرح مصطلح جديد هو بروتين بيتا القرني (CBP) لتجنب الخلط بينها وبين كيراتينات ألفا. ^{[ 11 ]}

الكيراتينات (وتُعرف أيضًا باسم الكيراتينات الخلوية ) هي بوليمرات من النوع الأول والنوع الثاني من الخيوط المتوسطة ، وقد وُجدت فقط في الحبليات ( الفقاريات ، والرميح ، والذيل الحبلي ). أما الديدان الأسطوانية والعديد من الحيوانات الأخرى غير الحبلية، فيبدو أنها تحتوي فقط على النوع الخامس من الخيوط المتوسطة ، وهي ألياف تُشكل بنية النواة .

يحتوي الجينوم البشري على 54 جينًا وظيفيًا للكيراتين، تقع في مجموعتين على الكروموسومين 12 و17. وهذا يشير إلى أنها نشأت من سلسلة من تضاعف الجينات على هذين الكروموسومين. ^{[ 12 ]}

تشمل الكيراتينات البروتينات التالية والتي تم استخدامها لوصف الكيراتينات التي تتجاوز 20. [ 13 ]​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​^​​​

تم تحديد التسلسلات الأولى للكيراتينات بواسطة إسرائيل هانوكوغلو وإيلين فوكس (1982، 1983). ^{[ 15 ] [ 16 ]} كشفت هذه التسلسلات عن وجود عائلتين متميزتين ولكنهما متماثلتان من الكيراتينات، أُطلق عليهما اسم كيراتينات النوع الأول وكيراتينات النوع الثاني. ^{[ 16 ]} من خلال تحليل البنى الأولية لهذه الكيراتينات وبروتينات الخيوط المتوسطة الأخرى، اقترح هانوكوغلو وفوكس نموذجًا تحتوي فيه الكيراتينات وبروتينات الخيوط المتوسطة على نطاق مركزي يتكون من حوالي 310 حمض أميني، مع أربعة أجزاء في هيئة حلزونية ألفا، تفصل بينها ثلاثة أجزاء رابطة قصيرة يُتوقع أن تكون في هيئة انعطاف بيتا. ^{[ 16 ]} تم تأكيد هذا النموذج من خلال تحديد البنية البلورية لنطاق حلزوني من الكيراتينات. ^{[ 17 ]}

الكيراتين من النوع الأول والثاني

يحتوي الجينوم البشري على 54 جينًا وظيفيًا للكيراتين، منها 28 من النوع الأول من الكيراتين و26 من النوع الثاني من الكيراتين . ^{[ 18 ]}

تتشابك جزيئات الكيراتين الليفية بشكل فائق لتشكيل نمط حلزوني فائق مستقر للغاية ذو اتجاه يساري لتكوين متعددات، مما يؤدي إلى تكوين خيوط تتكون من نسخ متعددة من مونومر الكيراتين . ^{[ 19 ]}

إن القوة الرئيسية التي تحافظ على بنية اللولب الملتف هي التفاعلات الكارهة للماء بين البقايا غير القطبية على طول القطع الحلزونية للكيراتين. ^{[ 20 ]}

يتميز شكل الكيراتين الحلزوني الفائق بمساحة محدودة داخله. ويُعوض هذا القيد الحجمي في الكيراتين بتكرار عالٍ لبقايا الجليسين، وهو أصغر الأحماض الأمينية في البروتينات. كما يُلاحظ تكرار عالٍ لبقايا الجليسين في البروتينات التركيبية للكولاجين، والتي تتميز بدورها بشكل حلزوني محدود الحجم. ويحتوي بروتين الإيلاستين، وهو بروتين نسيج ضام، على نسبة عالية من كلٍ من الجليسين والألانين . وتُعد وفرة الأحماض الأمينية ذات المجموعات الجانبية الصغيرة غير التفاعلية سمة مميزة للبروتينات التركيبية، حيث يكون التراص المحكم المرتبط بروابط هيدروجينية أكثر أهمية من التخصص الكيميائي .

روابط ثنائي الكبريتيد

إضافةً إلى الروابط الهيدروجينية داخل الجزيئات وبينها ، تتميز الكيراتينات بوجود كميات كبيرة من حمض السيستين الأميني المحتوي على الكبريت ، وهو ضروري لتكوين روابط ثنائي الكبريتيد التي تمنحها قوة وصلابة إضافية من خلال الترابط الدائم والمستقر حراريًا ^{[ 21 ]} ، تمامًا كما تعمل روابط الكبريت غير البروتينية على تثبيت المطاط المُفلكن . يحتوي شعر الإنسان على ما يقارب 14% من السيستين. أما الروائح النفاذة المنبعثة من الشعر والجلد المحترق فتعود إلى مركبات الكبريت المتطايرة المتكونة. يساهم الترابط المكثف لثنائي الكبريتيد في عدم ذوبان الكيراتينات، باستثناء عدد قليل من المذيبات مثل عوامل التفكك أو الاختزال .

تتميز كيراتينات الشعر بمرونتها العالية وقدرتها على التمدد، حيث تحتوي على عدد أقل من روابط ثنائي الكبريتيد بين السلاسل مقارنةً بكيراتينات أظافر وحوافر ومخالب الثدييات (وهي تراكيب متماثلة)، والتي تتميز بصلابة أكبر وتشبه نظيراتها في فئات الفقاريات الأخرى. ^{[ 22 ]} يتكون الشعر وأنواع الكيراتين ألفا الأخرى من خيوط بروتينية مفردة ملتفة حلزونيًا ألفا (مع روابط هيدروجينية منتظمة داخل السلسلة )، والتي تلتف بدورها لتشكل حبالًا فائقة الحلزونية ، والتي قد تلتف بدورها أكثر. أما كيراتينات بيتا في الزواحف والطيور، فتتكون من صفائح بيتا مطوية ملتفة معًا، ثم يتم تثبيتها وتصلبها بواسطة روابط ثنائي الكبريتيد.

تستطيع البوليمرات المُثيولة ( الثيومرات ) تكوين روابط ثنائية الكبريتيد مع البنى الفرعية للسيستين في الكيراتينات، حيث ترتبط تساهميًا بهذه البروتينات. ^{[ 23 ]} ولذلك، تُظهر الثيومرات خصائص ارتباط عالية بالكيراتينات الموجودة في الشعر، ^{[ 24 ]} وعلى الجلد، ^{[ 25 ] [ 26 ]} وعلى سطح العديد من أنواع الخلايا. ^{[ 27 ]}

التقرن هو عملية تكوين حاجز البشرة في النسيج الظهاري الحرشفي الطبقي. على المستوى الخلوي، يتميز التقرن بما يلي:

• إنتاج الكيراتين
• إنتاج بروتينات صغيرة غنية بالبرولين (SPRR) وإنزيم الترانسغلوتاميناز، والتي تشكل في النهاية غلافًا خلويًا متقرنًا أسفل الغشاء البلازمي.
• التمايز النهائي
• فقدان النوى والعضيات، في المراحل النهائية من التقرن

يتوقف الأيض، وتمتلئ الخلايا بالكيراتين بشكل شبه كامل. خلال عملية تمايز الخلايا الظهارية، تتقرن الخلايا مع اندماج بروتين الكيراتين في خيوط الكيراتين المتوسطة الأطول. في النهاية، تختفي النواة والعضيات السيتوبلازمية، ويتوقف الأيض، وتخضع الخلايا لموت مبرمج مع اكتمال تقرنها. في العديد من أنواع الخلايا الأخرى، مثل خلايا الأدمة، تعمل خيوط الكيراتين وغيرها من الخيوط المتوسطة كجزء من الهيكل الخلوي لتثبيت الخلية ميكانيكيًا ضد الإجهاد الفيزيائي. ويتم ذلك من خلال روابط مع الديزموسومات، وهي صفائح وصلات بين الخلايا، والهيميديزموسومات، وهي تراكيب لاصقة بين الخلية والغشاء القاعدي.

تحتوي خلايا البشرة على مصفوفة هيكلية من الكيراتين، مما يجعل هذه الطبقة الخارجية من الجلد مقاومة للماء تقريبًا، وتمنح الجلد قوته إلى جانب الكولاجين والإيلاستين. يؤدي الاحتكاك والضغط إلى زيادة سمك الطبقة الخارجية المتقرنة من البشرة وتكوين مسامير جلدية واقية، وهي مفيدة للرياضيين وعلى أطراف أصابع الموسيقيين الذين يعزفون على الآلات الوترية. تتجدد خلايا البشرة المتقرنة باستمرار.

تتكون هذه البنى الصلبة، التي تُشبه الأغطية الجلدية، من خلال الالتصاق بين الخلايا للألياف المُشتقة من الخلايا الميتة المتقرنة، والتي تُنتجها طبقات متخصصة في أعماق الجلد. ينمو الشعر باستمرار، بينما يتساقط الريش ويتجدد. قد تكون البروتينات المُكونة متماثلة من الناحية التطورية، لكنها تختلف نوعًا ما في التركيب الكيميائي والتنظيم فوق الجزيئي. العلاقات التطورية معقدة، ولا يُعرف عنها إلا جزء. تم تحديد جينات متعددة للكيراتينات بيتا في الريش، ومن المُحتمل أن تكون هذه السمة مميزة لجميع الكيراتينات.

يمكن أن يحدث النمو غير الطبيعي للكيراتين في مجموعة متنوعة من الحالات بما في ذلك التقرن ، وفرط التقرن، ومرض التقرن الجلدي .

يمكن أن تؤدي الطفرات في التعبير الجيني للكيراتين، من بين أمور أخرى، إلى:

• داء الثعلبة
• انحلال البشرة الفقاعي البسيط
• داء السماك الفقاعي عند سيمنز
• فرط التقرن الانحلالي للبشرة
• الورم الدهني المتعدد
• التقرن البلعومي
• تكوين الخلايا الشبيهة بالخلايا العضلية المخططة في سرطان الرئة ذي الخلايا الكبيرة مع النمط الظاهري الشبيه بالخلايا العضلية المخططة ^{[ 28 ] [ 29 ]}

تُسبب الفطريات المعدية التي تتغذى على الكيراتين العديد من الأمراض، مثل قدم الرياضي والقوباء الحلقية . ^{[ 30 ]}

الكيراتين مقاومٌ بشدة للأحماض الهاضمة عند ابتلاعه. تبتلع القطط الشعر بانتظام كجزء من سلوكها في تنظيف نفسها ، مما يؤدي إلى تكوّن كرات شعر تدريجيًا قد تُطرد عن طريق الفم أو تُفرز مع البراز. أما عند البشر، فقد يؤدي أكل الشعر إلى متلازمة رابونزيل ، وهي حالة معوية نادرة للغاية ولكنها قد تكون قاتلة.

• البروتينات المرتبطة بالكيراتين (KRTAPs)
• قائمة الأمراض الجلدية الناتجة عن طفرات في الكيراتينات
• قائمة الكيراتينات الموجودة في الجهاز الغطائي البشري
• قائمة الكيراتينات
• الكيراتينيز

• مقالة موقع Hair-Science.com حول العناصر المجهرية للشعر
• صفحة بروتوبيديا حول الكيراتينات