Sarvaine (keratiin) – definitsioon, struktuur, omadused ja esinemine

Keratiinid on kiuliste valkude perekond. Loomade karvad, sarved, küüned, sõrad, kabjad, kestad, nokad ja suled koosnevad keratiinist. Nimi tuleneb kreeka keelest keras, mis tähendab sarvi.

Keratiinid on sitked ja lahustumatud. Nad moodustavad kõva, kuid mitte-mineraalseid struktuure roomajatel, lindudel, kahepaiksetel ja imetajatel. Sarnane bioloogiline sitkus on olemas ka kitiinil.

Struktuur ja koostis

Keratiinid on intermolekulaarsed valgud, mille baaselemendiks on pikad alfa- või beeta-õõtsed ning neist moodustuvad jämedad intermediäärfilamendid (tonofilamendid). Peamised tunnused:

• Aminohapete koostis: rikas väävlisisaldusega aminohappe tsüsteiini poolest — see võimaldab disulfiidsidemeid (—S—S—), mis annavad tugevuse ja jäikuse.
• Intermediäärfilamendid: keratiinid kuuluvad intermediäärsete valkude perekonda; morfoloogiliselt moodustuvad kiudjad struktuurid, mis annavad rakkudele mehaanilise vastupidavuse.
• Assotsieeruvad valgud: keratiinide kõrval esinevad keratiini-assotseeruvad valgud (KAP-id), mis mõjutavad jäikust, painduvust ja veesisaldust.

Tüübid ja esinemine

Keratiine saab laias tähenduses jagada mitmeks tüübiks:

• Alpha-keratiin — peamiselt imetajate naha, juuste ja küünte struktuur; moodustab elastsemaid ja keerukamaid kaskaade (näiteks juuksed, vill).
• Beta-keratiin — levinud lindude ja roomajate kõvemates struktuurides (suled, nokad, kilbid, sarved); tavaliselt jäigem ja lamellaarsem.
• Pehme vs kõva keratiin: pehme keratiin esineb naha pindmistes kihtides ja alamõõdulises karvkatmes, kõva keratiin on tugevalt ristsidetud ja esineb küüntes, sarvedes, kabjades ja sulgedes.

Füüsikalised ja keemilised omadused

• Lahustamatus: keratiin on vees ja enamikus ensümaatiliselt suhteliselt lahustumatu — disulfiidsidemed ja tihe filamendstruktuur kaitsevad degradeerimise eest.
• Mehaaniline tugevus: kõrge vastupidavus venimisele ja kulumisele, sõltuvalt disulfiidiristmike hulgast ja filamentide organiseeritusest.
• Keemiline töötlemine: keratiini hävitamiseks või lahustamiseks kasutatakse redutseerivaid aineid (nt β-merkaptoetanool), tugevaid aluseid/atside või spetsiifilisi keratinaase (mikroobsed ensüümid), mis lõhuvad kovalentsed sidemed.
• Termiline stabiilsus: keratiin laguneb kõrgtemperatuuril; kuumtöötlus ja keemiline denaturatsioon muudavad mehaanilisi omadusi.

Tekkimine ja bioloogia

Keratiin sünteesitakse rakusiseselt spetsialiseerunud rakkude (näiteks keratinosüüdid epidermises ja folliikulite rakkudes) poolt. Rakkude küpsemisel toimub tsütoskeleti ümberkorraldus, keratiinifilamendid kogunevad ja rakkude intertsellulaarsed sidemed (desmosoomid) annavad koherentsuse. Lõpuks võivad rakkude tuumad hävida ja moodustub kaitsev, surnud kihi ehk kornifikatsioon.

Funktsioonid

• Kaitse (mehaaniline ja keemiline) — naha pind, küüned, sarved kaitsevad patogeenide ja vigastuste eest.
• Isolatsioon — karv ja suled aitavad hoida soojust.
• Mehaaniline tugi — kabjad ja sõrad kannavad koormust ning võimaldavad liikumist.
• Sotsiaalsed ja kommunikatsioonifunktsioonid — sulestik, karv ja värvus osalevad liigi- ja paaritumissignaalides.

Kliinilised ja rakenduslikud aspektid

• Geneetilised haigused: mutatsioonid keratiini geenides võivad viia naha ebastabiilsuse ja villandumiseni (näiteks teatud vormid epidermolysis bullosa, pachyonychia congenita jt), samuti juuste- ja küünehäired.
• Kosmeetika ja farmaatsia: keratiini kasutatakse juuksetoodetes (keratiinipõhised hooldused), naha- ja küünehooldustoodetes ning biopolümeeridena.
• Tööstuslik kasutus: linnufeedide, väetiste ja biomaterjalide tootmisel töödeldakse sulgi ja sulgi sisaldavaid jäätmeid; keratiinist valmistatakse kile-ja sideaineid, bioplastikut ja meditsiinilisi materjale (nt haavakatteid).
• Bioloogiline lagunemine: mõned bakterid ja seente liigid toodavad keratinaase, mis suudavad pilbastada keratiini ja aitavad orgaanilist materjali ringlusse viia.

Uurimissuunad ja evolutsioon

Keratiinigeenide perekond on mitmekesine ja evolutsiooniliselt kohanenud erinevate biomehaaniliste nõudmistega. Lindude ja roomajate beta-keratiin on arenenud stabiilseks materjaliks sulgede ja kilpide kujul, samas kui imetajate alpha-keratiin on arenenud painduva karvkatte ja naha ülesanneteks. Tänapäeva uurimistöös keskendutakse ka keratiini rollile rakkude mehhaanilises signaalis ja biomeditsiiniliste materjalide arendamisel.

Kokkuvõte

Keratiin on loomne kiuline valk, mis annab organismidele mehaanilise kaitse, isolatsiooni ja struktuurse toe. Selle unikaalne tugevus tuleneb filamentaar­sest struktuurist ja rikkalikust tsüsteiini sisaldusega moodustuvatest disulfiidsildadest. Keratiin on vastupidav ja asendamatu paljudes elusfunktsioonides, kuid on ka väärtuslik ressursse tööstuses ja meditsiinis. Samal ajal võivad keratiini geenimutatsioonid põhjustada mitmeid dermatoloogilisi haigusi, mis rõhutab keratiini bioloogilise tähtsuse mitmekülgsust.

Otsing