Queratina () pertence a uma família de proteínas fibrosas estruturais, frequentemente chamadas de escleroproteínas. Esta proteína serve como o principal componente estrutural de escamas, cabelos, unhas, penas, chifres, garras, cascos e a camada epidérmica em vertebrados tetrápodes. Além disso, a queratina fornece proteção às células epiteliais contra danos ou estresse mecânico. Notavelmente, a queratina apresenta insolubilidade excepcional em solventes aquosos e orgânicos. Os monômeros individuais de queratina polimerizam em feixes, formando filamentos intermediários que constituem apêndices epidérmicos robustos e não mineralizados observados em répteis, aves, anfíbios e mamíferos. A queratinização excessiva contribui para o reforço estrutural de tecidos específicos, exemplificados pelos chifres de bovinos e rinocerontes, e pelos osteodermos de tatus. A quitina é a única outra substância biológica reconhecida pela sua resistência comparável aos tecidos queratinizados. A queratina existe em duas formas principais: uma variante primitiva, mais suave, presente em todos os vertebrados, e uma variante derivada, mais dura, encontrada exclusivamente em sauropsídeos (répteis e aves).
Queratina () faz parte de uma família de proteínas fibrosas estruturais também conhecidas como escleroproteínas. É o principal material estrutural que constitui escamas, cabelos, unhas, penas, chifres, garras, cascos e a camada externa da pele nos vertebrados tetrápodes. A queratina também protege as células epiteliais contra danos ou estresse. A queratina é extremamente insolúvel em água e solventes orgânicos. Os monômeros de queratina se agrupam em feixes para formar filamentos intermediários, que são resistentes e formam fortes apêndices epidérmicos não mineralizados encontrados em répteis, aves, anfíbios e mamíferos. A queratinização excessiva participa do fortalecimento de certos tecidos, como nos chifres de bovinos e rinocerontes, e na osteoderme de tatus. A única outra matéria biológica conhecida que se aproxima da resistência do tecido queratinizado é a quitina. A queratina vem em dois tipos: as formas primitivas, mais suaves, encontradas em todos os vertebrados, e as formas derivadas, mais duras, encontradas apenas entre os sauropsídeos (répteis e aves).
Exemplos de ocorrência
As alfa-queratinas (α-queratinas) são onipresentes em todas as espécies de vertebrados. Essas proteínas constituem o cabelo (incluindo a lã), a camada epidérmica, os chifres, as unhas, as garras e os cascos dos mamíferos, bem como os fios de limo produzidos pelos peixes-bruxa. Além disso, as barbatanas dos cetáceos filtradores são compostas de queratina. Os filamentos de queratina estão altamente concentrados nos queratinócitos da camada cornificada da epiderme, representando proteínas que passaram pelo processo de queratinização. Além disso, estão geralmente presentes em vários tipos de células epiteliais. Por exemplo, células epiteliais do timo murino exibem reatividade com anticorpos específicos para queratina 5, queratina 8 e queratina 14. Esses anticorpos servem como marcadores fluorescentes para diferenciar subconjuntos de células epiteliais do timo murino em investigações genéticas do timo.
As beta-queratinas mais rígidas (β-queratinas) estão presentes exclusivamente em sauropsídeos, abrangendo todos os répteis e aves existentes. Estes são constituintes de unhas, escamas e garras reptilianas, certas conchas reptilianas (Testudines) e penas, bicos e garras de aves. Estruturalmente, essas queratinas são predominantemente organizadas em folhas beta. No entanto, folhas beta também são observadas nas α-queratinas. Pesquisas contemporâneas indicam uma divergência genética e estrutural fundamental entre β-queratinas e α-queratinas de sauropsídeos. Consequentemente, a nova nomenclatura proteína beta córnea (CBP) foi sugerida para evitar ambiguidade com α-queratinas. As queratinas, também chamadas de citoqueratinas, são filamentos intermediários poliméricos tipo I e tipo II identificados exclusivamente em cordados, incluindo vertebrados, anfioxi e urocordados. Em contraste, os nematóides e vários outros organismos não cordados parecem possuir apenas filamentos intermediários do tipo V, que funcionam como fibras estruturais nucleares.
Base Genética
O genoma humano abrange 54 genes funcionais de queratina, organizados em dois grupos distintos nos cromossomos 12 e 17. Este arranjo genômico implica sua origem evolutiva através de uma série de eventos de duplicação de genes nesses cromossomos específicos.
A família da queratina compreende inúmeras proteínas, incluindo KRT23, KRT24, KRT25, KRT26, KRT27, KRT28, KRT31, KRT32, KRT33A, KRT33B, KRT34, KRT35, KRT36, KRT37, KRT38, KRT39, KRT40, KRT71, KRT72, KRT73, KRT74, KRT75, KRT76, KRT77, KRT78, KRT79, KRT8, KRT80, KRT81, KRT82, KRT83, KRT84, KRT85 e KRT86, que foram utilizados para caracterizar queratinas além dos 20 tipos iniciais identificados.
Características estruturais
O sequenciamento inicial de queratinas foi realizado por Israel Hanukoglu e Elaine Fuchs em 1982 e 1983. Essas sequências elucidaram a existência de duas famílias de queratinas distintas, porém homólogas, posteriormente designadas como queratinas tipo I e tipo II. Através de uma análise das estruturas primárias dessas queratinas e outras proteínas de filamentos intermediários, Hanukoglu e Fuchs propuseram um modelo estrutural em que as queratinas e as proteínas de filamentos intermediários possuem um domínio central de aproximadamente 310 resíduos, apresentando quatro segmentos α-helicoidais intercalados por três segmentos ligantes curtos previstos para adotar uma conformação de volta beta. A determinação subsequente da estrutura cristalina de um domínio helicoidal de queratina corroborou este modelo.
Classificação: Queratinas Tipo I e Tipo II
O genoma humano contém 54 genes de queratina anotados funcionalmente, compreendendo 28 queratinas do tipo I e 26 queratinas do tipo II.
As moléculas fibrosas de queratina sofrem superenrolamento para estabelecer um motivo super-hélice canhoto altamente estável, que então facilita a multimerização em filamentos compostos de numerosas cópias de monômeros de queratina.
A força primária que estabiliza a estrutura em espiral é atribuída às interações hidrofóbicas que ocorrem entre resíduos apolares situados ao longo dos segmentos helicoidais da queratina.
O volume interno restrito determina o alto teor de glicina observado na tripla hélice do colágeno, uma proteína estrutural não relacionada predominante na pele, cartilagem e osso. Da mesma forma, a proteína elastina do tecido conjuntivo contém uma proporção substancial de glicina e alanina. As proteínas estruturais são tipicamente caracterizadas por uma predominância de aminoácidos que possuem cadeias laterais pequenas e não reativas, onde o empacotamento próximo ligado por ligações de hidrogênio tem precedência sobre interações químicas específicas.
Pontes dissulfeto
Além das ligações de hidrogênio intra e intermoleculares, uma característica definidora das queratinas é seu conteúdo abundante de cisteína, um aminoácido que contém enxofre. A cisteína é essencial para formar pontes dissulfeto, que conferem maior resistência e rigidez por meio de reticulação permanente e termicamente estável, análoga à forma como as pontes de enxofre não proteicas estabilizam a borracha vulcanizada. O cabelo humano, por exemplo, contém aproximadamente 14% de cisteína. Os odores pungentes característicos associados à queima do cabelo e da pele surgem da geração de compostos voláteis de enxofre. A extensa natureza da ligação dissulfeto também torna as queratinas amplamente insolúveis, com exceções apenas em agentes dissociantes ou redutores específicos.
As queratinas capilares, que exibem maior flexibilidade e elasticidade, possuem menos pontes dissulfeto entre cadeias em comparação com as queratinas encontradas nas unhas, cascos e garras dos mamíferos – estruturas que são homólogas, mais duras e mais parecidas com suas contrapartes em outras classes de vertebrados. As alfa-queratinas, incluindo as do cabelo, são compostas por filamentos únicos de proteína enrolados em α-hélices (apresentando ligações de hidrogênio intracadeias regulares), que posteriormente se torcem em cordas super-hélices que podem sofrer enrolamento adicional. Por outro lado, as β-queratinas características de répteis e aves são formadas a partir de folhas β-plissadas torcidas, que são então estabilizadas e endurecidas por pontes dissulfeto. Os polímeros tiolados, ou tiômeros, são capazes de formar pontes dissulfeto com as subestruturas de cisteína das queratinas, estabelecendo assim ligações covalentes a essas proteínas. Consequentemente, os tiômeros demonstram afinidades de ligação significativas com as queratinas presentes no cabelo, na pele e nas superfícies de vários tipos de células.
Formação de Filamento
Historicamente, propôs-se que as queratinas fossem categorizadas nas formas “dura” e “suave” ou, alternativamente, “citoqueratinas” e “outras queratinas”. Este modelo de classificação é agora reconhecido como preciso. Uma nomenclatura revisada, introduzida em 2006, incorpora esse entendimento na descrição das queratinas.
Os filamentos de queratina pertencem à classe dos filamentos intermediários. Consistente com outros filamentos intermediários, as proteínas da queratina passam por um processo de montagem sequencial para formar polímeros filamentosos. Este processo começa com a dimerização, seguida pela montagem dos dímeros em tetrâmeros e depois em octâmeros. Em última análise, de acordo com a hipótese predominante, essas estruturas se aglutinam em filamentos de comprimento unitário (ULFs) que podem recozer de ponta a ponta para gerar filamentos estendidos.
Emparelhamento
Cornificação
Cornificação denota o processo biológico responsável por estabelecer uma barreira epidérmica dentro do tecido epitelial escamoso estratificado. Na escala celular, esse processo é caracterizado por:
- a síntese de queratina;
- a geração de pequenas proteínas ricas em prolina (SPRR) e transglutaminase, que coletivamente contribuem para a formação de um envelope celular cornificado situado abaixo da membrana plasmática;
- diferenciação celular terminal;
- e a eventual perda de núcleos e organelas citoplasmáticas durante os estágios avançados da cornificação.
O metabolismo celular cessa e as células ficam quase inteiramente ocupadas por queratina. Ao longo da diferenciação epitelial, as células sofrem cornificação à medida que a proteína da queratina se integra em filamentos intermediários alongados de queratina. Em última análise, o núcleo e as organelas citoplasmáticas degradam-se, a atividade metabólica cessa e as células sofrem morte programada ao atingirem a queratinização completa. Em contraste, dentro de vários outros tipos de células, como as células dérmicas, os filamentos de queratina e outros filamentos intermediários servem como componentes integrais do citoesqueleto, proporcionando estabilidade mecânica contra estressores físicos. Essa estabilização é alcançada por meio de conexões com desmossomos, que são placas de junção célula-célula, e hemidesmossomos, que são estruturas adesivas da membrana basal celular.
As células epidérmicas possuem uma matriz estrutural composta de queratina, que torna essa camada cutânea mais externa amplamente impermeável à água e, em conjunto com o colágeno e a elastina, confere resistência à tração à pele. Estímulos mecânicos, como fricção e pressão, induzem um espessamento da camada epidérmica cornificada externa, levando à formação de calosidades protetoras. Esses calos são particularmente benéficos para atletas e para as pontas dos dedos de músicos que tocam instrumentos de cordas. As células epidérmicas queratinizadas são continuamente esfoliadas e posteriormente regeneradas.
Essas estruturas tegumentares robustas originam-se da cimentação intercelular de fibras, que são derivadas de células cornificadas mortas produzidas por matrizes dérmicas especializadas. Enquanto o cabelo apresenta crescimento contínuo, as penas passam por ciclos de muda e regeneração. Embora as proteínas constituintes possam compartilhar homologia filogenética, elas apresentam variações em sua composição química e arquitetura supramolecular. As intrincadas conexões evolutivas permanecem apenas parcialmente elucidadas. Numerosos genes que codificam β-queratinas foram identificados em penas, uma característica provavelmente aplicável a todos os tipos de queratina.
Significância Clínica
O crescimento aberrante da queratina se manifesta em várias condições patológicas, como ceratose, hiperqueratose e ceratodermia.
Mutações que afetam a expressão do gene da queratina estão implicadas na etiologia de vários distúrbios, incluindo:
- Alopécia areata
- Epidermólise bolhosa simples
- Ictiose bolhosa da Siemens
- Hiperqueratose epidermolítica
- Esteatocistoma multiplex
- Queratose faríngea
- Formação de células rabdóides em carcinoma pulmonar de células grandes com fenótipo rabdóide
Inúmeras doenças, incluindo tinea pedis (pé de atleta) e tinea corporis (micose), resultam de fungos infecciosos que metabolizam a queratina.
A queratina apresenta resistência substancial aos ácidos digestivos após a ingestão. Os comportamentos de higiene dos felinos envolvem rotineiramente a ingestão de pelos, o que pode culminar na formação progressiva de tricobezoares (bolas de pelo) que são posteriormente regurgitados ou eliminados por excreção. Em seres humanos, a tricofagia acarreta o risco de síndrome de Rapunzel, um distúrbio gastrointestinal excepcionalmente raro, mas potencialmente letal.
Aplicativos de diagnóstico
A análise da expressão da queratina auxilia significativamente na identificação da linhagem epitelial de malignidades anaplásicas. As neoplasias que exibem expressão de queratina abrangem carcinomas, timomas, sarcomas e tumores trofoblásticos. Além disso, o perfil de expressão específico dos subtipos de queratina facilita a predição da origem do tumor primário durante a avaliação de lesões metastáticas. Por exemplo, os carcinomas hepatocelulares expressam caracteristicamente CK8 e CK18, e os colangiocarcinomas exibem CK7, CK8 e CK18, enquanto os carcinomas colorretais metastáticos normalmente expressam CK20, mas não possuem CK7.
Proteínas associadas à queratina (KRTAPs)
- Proteínas associadas à queratina (KRTAPs)
- Lista de doenças cutâneas causadas por mutações nas queratinas
- Lista de queratinas expressas no sistema tegumentar humano
- Lista de queratinas
- Queratinase
Referências
- Hair-Science.com sobre os elementos microscópicos do cabelo
- Página da Proteopedia sobre queratinas