Sandbox K

חלבונים מסוג קרטין יוצרים מבנים סיביים בתוך תאי אפיתל. סיבים שנוצרים ע"י קרטינים נקראים פילמנטים בינוניים, באנגלית: intermediate filaments. מערכת זו הינה אחת משלוש מערכות של שלד תאי (ציטוסקלטון) שנמצאות ברוב התאים. שתי המערכות האחרות הן: מיקרופילמנטים המורכבים מחלבון אקטין ומיקרוטובולים המורכבים מחלבון מסוג טובולין.

בעוד שמיקרופילמנטים ומיקרוטובולים מורכבים מחלבונים כדוריים (globular), פילמנטים בינוניים מורכבים מחלבונים סיביים (fibrous) בעלי מבנה סיבי ארוך שאינם כדוריים.

בנוסף לתאי אפיתל, קרטינים הם מרכיבים מרכזיים בשערות ובצמר. בשערות קרטינים יוצרים את הציר המרכזי. מבנה סיב זה מחוזק על ידי חלבונים אחרים שנקראים בשם "חלבונים שקשורים לקרטינים" - באנגלית: keratin associated proteins. חלבונים אלה נקשרים לקרטינים בקשרי דיסולפיד לחיזוק המבנה הסיבי.

משפחה של חלבונים מסוג קרטין

ביונקים ישנה משפחה גדולה של חלבונים מסוג קרטין שמתבטאים באופן ספציפי בתאים שונים. חלבונים אלה מראים שונות בגודלם ומשקלם המולקולרי נע בטווח בין 40 עד לכ-70 קילודלטון.

קביעת רצף הגנום האנושי חשפה כי בבן אדם ישנם 54 גנים שמקודדים לקרטינים.^[1] בהתאם להומולוגיה ביניהם קרטינים מחולקים לשתי קבוצות: קרטין מסוג I וקרטין מסוג II, באנגלית: Type I and Type II.

למרות השונות במשקלם, קביעת רצף הגנים המקודדים לחלבונים אלה הביאה לגילוי כי החלבונים הללו הומולוגיים (דומים) ברצף השיירים (כלומר, המבנה הראשוני) בקטעים מסויימים. לכן, כל הקרטינים נחשבים כחלבונים ששייכים למשפחת אלפא קרטין.

המבנה הראשוני והשניוני של אלפא קרטין נקבע לראשונה ע"י חוקר ישראלי שעבד באוניברסיטת שיקגו. ^{[2] [3]}

רצפם של אלפא קרטינים רבים אחרים נקבעו על ידי קביעת רצף הגנים המקודדים לחלבונים אלה. הסיבה לכך היא שמבחינה טכנית יותר קל לנבא את רצף החלבון המקודד דרך קביעת רצף הגן, מאשר קביעת רצף החלבון עצמו.

קביעת רצפם של אלפא קרטינים רבים הראתה כי ניתן לסווג את אלפא קרטינים לשתי קבוצות עיקריות בהתאם לדמיון (הומולוגיה) ברצף הראשוני שלהם. שני סוגים של אלפא קרטינים אלה נקראים סוג 1 (type-I) וסוג 2 (type-II). מינוח זה ניתן לראשונה גם כן ע"י חוקר ישראלי שקבע את הרצף הראשון של אלפא קרטין מסוג-II.

מבנה שניוני, שלישוני ורבעוני של אלפא קרטינים

אנליזת הרצף של שני סוגי הקרטינים הביאה למסקנה כי בחלבונים אלה ישנם ארבעה קטעים מרכזיים בעלי מבנה שניוני סליל אלפא. ארבעה קטעים אלו נקראים: 1A 1B 2A 2B. קצוות אמינו וקרבוקסי של קרטינים הם שונים מאד הן באורך והן ברצף שלהם. והמבנה שלהם אינו ידוע.

קביעת מבנה שלישוני של חלבון דורשת יצירת גביש של חלבון שניתן לקבוע את מבנהו בשיטת קריסטלוגרפיית קרני X. בגלל הקושי ביצירת גביש של חלבונים סיביים כמו אלפא קרטינים, עד כה לא נקבע מבנה שלישוני של אלפא קרטין שלם. אבל בעזרת שיטות הנדסה גנטית, חוקרים יצרו קטעי גנים של המקודדים לאזור 2B- הקטע באורך של כ-90 שיירים שנמצא בקונפורמציה של סליל אלפא בהתאם למודל של חנוקוגלו. קביעת מבנה גבישי של קטע זה הוכיח שאכן קטע זה הוא במבנה סליל אלפא.

ישנן מספר ראיות שסיבי אלפא קרטין מורכבים ממבנה בסיסי של דימר של קרטין מסוג 1 עם קרטין מסוג 2. בקטעים במבנה סלילי שני חלבונים אלה מלופפים ביחד ויוצרים מבנה שנקרא מבנה סלילי מלופף ( coiled coil). קביעת מבנה גבישי של קטע 2B של קרטין הוכיחה שאכן שני הקרטינים בקטעים אלה נמצאים במבנה מלופף. מבנה מלופף זה של שני חלבונים מהווה בסיס למבנה רביעוני של אלפא קרטינים.

הקשרים במבנה מלופף של סליל אלפאcoiled coil

שאלה מרכזית לגבי מבנה רביעוני של אלפא קרטינים הוא איזה סוג של קשרים מחזיקים את סלילי הקרטין ביחד במבנה מלופף. עוד לפני שפענוח מבנה גבישי של אלפא קרטינים, על בסיס מודלים של מבנה מלופף coiled coil , חוקרים נבאו כי במבנה מלופף סלילי אלפא נקשרים זו לזה בעזרת קשרים הידרופוביים בין שיירים אפולריים. במבנה של סליל אלפא ישנם 3.6 שיירים בכל סיבוב של סליל. בגלל מחזוריות זו, ישנו גם מחזוריות בנקודות מגע בין שני סלילים מלופפים. מחזוריות זו נראה במיקומם של שיירים אפולריים במקןמות A ו-D במחזור שנקרא Heptad repeat של שבעה שיירים שמיוצגים באותיות ABCDEFG.

קביעת מבנה גבישי של קטעי קרטין חשפה כי רוב הקשרים בין שני הסלילים שיוצרים את הדימר המלופף הם קשרים הידרופוביים. בקצה קרובקסי של קטע 2B ישנם כמה קשרים אלקרוסטטים.

פילמנטים בינוניים נמצאים בתוך הציטופלסמה בסביבה עשירה ביונים – אם הקשרים בין הסיבים היו בעיקר קשרים אלקטרוסטטיים, אז היונים בסביבת החלבונים היו יכולים להשפיע על הקשר באזורים החשופים של חלבונים אלה ובכך לשנות את המבנה. דווקא נוכחותם של קשרים הידרופוביים מאפשרת לחלבונים אלה להיקשר זה לזה גם בסביבה עשירה ביונים.

קצוות אמינו וקרבוקסי של קרטין אלפא, עשירים בחומצות אמינו מסוג Cys. תפקידם של קצוות אלה בקשרים בתוך הסיבים אינו ידוע, אבל ייתכן כי Cys אלו משתתפים ביצירה של קשרי דיסולפיד בין חלבונים ובכך מחזק את מבנה הסיב.

מקורות