Keratin
Obsah boxu
Keratin je obecný název pro skupinu vláknitých strukturálních proteinů. Jedná se o klíčový materiál tvořící vnější vrstvu kůže u obratlovců, stejně jako struktury vyrůstající z kůže, jako jsou vlasy, chlupy, nehty, drápy, kopyta, rohy, peří, zobáky a šupiny. Keratiny jsou mimořádně odolné vůči trávení a rozkladu, což z nich činí ideální ochranný materiál.
Z chemického hlediska patří keratiny mezi skleroproteiny. Jejich molekuly se skládají z dlouhých řetězců aminokyselin, které se organizují do stabilních a pevných struktur. Existují dva hlavní typy keratinů – α-keratiny, které se nacházejí u savců, a β-keratiny, typické pro plazy a ptáky. Pevnost keratinu je z velké části dána vysokým obsahem aminokyseliny cystein, která umožňuje tvorbu pevných disulfidických můstků mezi jednotlivými proteinovými řetězci.
🧬 Chemická struktura a typy
Keratiny jsou polymery tvořené monomery aminokyselin. Jejich specifická sekvence a prostorové uspořádání určují vlastnosti výsledného materiálu. Základní dělení keratinů je na měkké a tvrdé. Měkké keratiny se nacházejí v pokožce (epidermis), zatímco tvrdé keratiny tvoří vlasy, nehty a další deriváty.
🔬 Alfa-keratiny
Alfa-keratiny (α-keratiny) jsou charakteristické pro savce. Jejich základní stavební jednotkou je pravotočivá šroubovice známá jako alfa-helix. Dva takové řetězce se následně stáčí kolem sebe a tvoří tzv. coiled-coil (superhelix). Tyto superhelikální dimery se dále spojují do protofilament, protofibril a nakonec do intermediárních filament, které tvoří cytoskelet buněk a dodávají jim mechanickou odolnost.
- Typ I (kyselé): Menší a kyselejší proteiny.
- Typ II (zásadité/neutrální): Větší a zásaditější nebo neutrální proteiny.
Pro vytvoření funkčního keratinového filamentu je vždy nutná kombinace alespoň jednoho proteinu typu I a jednoho typu II. Lidský genom kóduje 54 funkčních genů pro keratiny.
🔬 Beta-keratiny
Beta-keratiny (β-keratiny) se nacházejí primárně u plazů a ptáků. Jejich struktura je založena na beta-skládaných listech, které jsou uspořádány do ještě pevnějších a tvrdších formací než α-helikální struktury. Právě β-keratiny jsou zodpovědné za mimořádnou tvrdost a odolnost ptačího peří, zobáků, drápů a plazích šupin. Jsou tvrdší než jakýkoli α-keratin produkovaný savci.
🧪 Vlastnosti keratinu
- Nerozpustnost: Keratiny jsou prakticky nerozpustné ve vodě a organických rozpouštědlech, což je klíčové pro jejich ochrannou funkci.
- Mechanická odolnost: Díky disulfidickým můstkům a hierarchické struktuře (od helixu po filamenta) jsou keratiny velmi pevné v tahu. Množství disulfidických můstků určuje tvrdost – například vlasy jich obsahují méně než nehty.
- Chemická stabilita: Jsou odolné vůči působení většiny enzymů, včetně proteáz, jako je trypsin nebo pepsin.
生物 Funkce v živých organismech
Hlavní funkcí keratinu je poskytovat strukturální podporu a ochranu. Tvoří bariéru mezi organismem a vnějším prostředím.
🧍 Vlasy, nehty a kůže u savců
U člověka a ostatních savců je keratin základem pokožky (epidermis), kde tvoří zrohovatělou vnější vrstvu (stratum corneum), která chrání tělo před ztrátou vody, patogeny a mechanickým poškozením.
- Vlasy a chlupy: Jsou tvořeny mrtvými buňkami vyplněnými tvrdým α-keratinem. Slouží k termoregulaci, ochraně a v mnoha případech i jako smyslový orgán.
- Nehty: Jsou to tvrdé destičky z keratinu, které chrání citlivé konečky prstů a usnadňují manipulaci s předměty.
- Rohy, kopyta a drápy: Specializované struktury tvořené velmi tvrdým keratinem, které slouží k obraně, pohybu nebo lovu. Příkladem jsou rohy turovitých (např. kráva, koza) nebo krunýř pásovců.
🦅 Peří, zobáky a drápy u ptáků a plazů
U ptáků a plazů dominují β-keratiny.
- Peří: Složitá struktura z β-keratinu, která je lehká, pevná a nezbytná pro let, izolaci a komunikaci.
- Zobáky a drápy: Tvrdé a ostré struktury sloužící k příjmu potravy, obraně a pohybu.
- Šupiny: Ochranná vnější vrstva u plazů, jako jsou hadi, ještěrky nebo krokodýli, která zabraňuje vysychání a chrání před predátory.
🛡️ Ochranná funkce
Keratin v pokožce vytváří voděodolnou bariéru, která brání dehydrataci organismu. Zároveň chrání hlubší vrstvy tkání před UV zářením, chemickými látkami a mikroorganismy. Keratinocyty (buňky produkující keratin) v pokožce neustále procházejí procesem keratinizace, kdy se postupně plní keratinem, odumírají a vytvářejí odolnou vnější vrstvu.
⚙️ Průmyslové a komerční využití
Díky svým unikátním vlastnostem našel keratin uplatnění v mnoha oblastech lidské činnosti.
🧴 Kosmetika a péče o vlasy
Hydrolyzovaný keratin je častou složkou šamponů, kondicionérů a vlasových masek. Tyto produkty slibují posílení a vyhlazení vlasové struktury tím, že dočasně "zaplní" poškozená místa ve vlasovém vláknu. tzv. "brazilský keratin" je populární kadeřnická procedura pro narovnání a regeneraci vlasů, která využívá tepla k navázání keratinu na vlas.
👕 Textilní průmysl
Nejznámějším příkladem využití keratinu v textilním průmyslu je vlna z ovcí. Vlněná vlákna jsou tvořena α-keratinem a mají vynikající izolační vlastnosti, pružnost a schopnost pohlcovat vlhkost. Dalšími příklady jsou kašmír (ze srsti kašmírských koz) nebo mohér.
🔬 Biomateriály a výzkum
Keratin je zkoumán pro své potenciální využití v medicíně a biotechnologiích. Zkoumají se například keratinové gely a houby jako materiál pro hojení ran, tkáňové inženýrství nebo pro řízené uvolňování léčiv. Jeho biokompatibilita a biodegradabilita z něj činí slibný materiál pro budoucnost.
🩺 Zdravotní aspekty a poruchy
Mutace v genech kódujících keratiny mohou vést k řadě genetických onemocnění, souhrnně nazývaných keratinopatie.
🧬 Keratinopatie
Jedná se o skupinu vzácných dědičných chorob, které postihují tkáně bohaté na keratin.
- Epidermolysis bullosa simplex (EBS): Onemocnění, při kterém i mírné mechanické tření způsobuje tvorbu bolestivých puchýřů na kůži. Je způsobeno mutacemi v genech pro keratin 5 a 14.
- Ichthyosis bullosa of Siemens: Vyznačuje se suchou, šupinatou kůží a tvorbou puchýřů.
- Monilethrix: Vzácná porucha vlasů, která způsobuje jejich lámavost a vzhled "korálků na niti".
💇♀️ Poškození keratinu
Vnější struktury tvořené keratinem, jako jsou vlasy a nehty, mohou být poškozeny vnějšími vlivy.
- Chemické poškození: Barvení, odbarvování nebo trvalá ondulace narušují disulfidické můstky ve vlasech, což vede k jejich oslabení a lámavosti.
- Tepelné poškození: Nadměrné používání žehliček na vlasy, kulem nebo fénů s vysokou teplotou může denaturovat keratinové proteiny a trvale poškodit vlas.
- Mechanické poškození: Hrubé česání nebo nošení těsných účesů může vést k lámání vlasů.
💡 Pro laiky
Představte si keratin jako super-stavební materiál našeho těla. Je to druh proteinu, tedy bílkoviny, která se specializuje na vytváření pevných a odolných struktur.
- Jako cihly a malta: V naší kůži fungují keratinové filamenty jako ocelová výztuž v betonu – zpevňují buňky, aby odolaly tlaku a tahu. Vrchní vrstva kůže je v podstatě zeď z mrtvých buněk napěchovaných keratinem, která nás chrání.
- Jako lana: Ve vlasech se dlouhá vlákna keratinu splétají dohromady podobně jako vlákna v laně, což jim dává pevnost v tahu. Tvrdost vlasů nebo nehtů závisí na tom, kolik "svorek" (disulfidických můstků) tato lana spojuje. Nehty mají těchto svorek mnohem více než vlasy, a proto jsou tvrdší.
- Dva modely: Savci (včetně nás) používají pružnější "spirálovitý" model (alfa-keratin) pro vlasy a kůži. Ptáci a plazi mají pro své peří a šupiny k dispozici pevnější "skládaný" model (beta-keratin), který je ještě tvrdší a odolnější.
Stručně řečeno, keratin je důvod, proč máme pevné nehty, proč se nám vlasy hned nepřetrhnou a proč naše kůže funguje jako odolný ochranný obal.