Кератин — это белок, который помогает поддерживать структуру волос, ногтей, кожи и слизистой оболочки внутренних органов. Некоторые питательные вещества поддерживают выработку кератина.
Оглавление
Что такое кератин?
Кератин — это строительный блок человеческого организма, который формирует структуру эпителиальных клеток. Эти клетки выравнивают поверхности внутри и снаружи тела.
История изучения кератина
Первое упоминание этого понятия мы находим у одного китайского гербалиста, книга которого была опубликована спустя три года после его кончины, в 1596 году.
В этой работе есть рецепт ранозаживляющего и кровоостанавливающего лекарства, сделанного из пепла сожженных волос.
Кто бы мог предположить, что потребуется несколько веков, прежде чем удивительному открытию восточных специалистов было найдено объяснение.
В 1849 году появилось и самое название этого удивительного семейства – слово «кератин». Так окрестили твердый материал, из которого были сделаны рога и копыта 🙂 Дело в том, что греческий корень «кера» означал рог.
Ученые были озадачены: вроде белок, а почему-то ведет себя каким-то странным образом.
В то время как другие «добропорядочные» протеины спокойно могли подвергнуться обработке, эти «упрямцы» наотрез отказывались подчиняться подобному обращению. Конечно, их можно было просто сжечь, но ведь интереснее было их именно растворить, чтобы сохранить уникальные свойства.
Решение было найдено к 1905 году: оказалось, что самый обыкновенный лайм смог сделать кератин пригодным к применению.
С этого момента начался бум: специалисты бросились экспериментировать с разными методами, а также изобретением всевозможных форм. Так появилась кератиновая пудра для косметических целей, этим же продуктом покрывали таблетки.
Но и здесь ученых мужей ждала очередная неожиданность: часть выделенных элементов жила по совершенно иным правилам и не подчинялась законам, которым следовали их «родственники». Так внимание было переключено на изучение структуры этого материала.
Сульфидные мостики или почему возможна химическая завивка
В это сложно поверить, но в 1940 году была создана специальная организация по изучению именно этой структуры, чтобы понять, как наилучшим образом можно использовать данный продукт.
30 лет, 660 научных работ, 20 патентов и 3 фундаментальные книги, — все это целиком было посвящено нашему герою — кератину.
Япония занималась этим вопросом наиболее активно, и эта индустрия продвинулась очень далеко.
Что удалось прояснить? Во-первых, то, что эта структура свойственна не только волосам и ногтям, но практически всем клеткам организма.
Сам по себе кератин относится к белкам специфического внешнего вида. Дело в том, что каждая ниточка из аминокислот скручена по спирали за счет специфических связей.
Так выглядит строение волоса и речь пойдет про α-кератин. Здесь следует упомянуть о том, с чего вообще началась наша дискуссия. Эта разновидность отличается эластичностью за счет того, что связей не очень много и они легко могут быть повреждены.
Например, мы знаем, что если волосы накрутить на бигуди и подвергнуть термической обработке (иными словами просто нагреть), то мы получим завиток, который может продержаться целый день, а то и дольше.
А вот, например, химическая завивка работает на более глубокие дисульфидные связи (прочные сцепки). Поэтому эффект от подобной процедуры может держаться месяцами.
Другими словами, сам по себе кератин плотный белок, но его эластичность или жесткость зависит только от пространственной организации (как цепочки расположены по отношению друг другу).
Если взять птичий клюв, когти, рога и копыта, то тут мы встретимся с совсем иным видом β-кератина. Это пласты, наслоенные друг на друга. Именно этим и объясняется такая невероятная прочность материала.
Довольно интересно еще и то, что при насыщении волоска влагой, он увеличивается в длину и намного плотнее. А с чем связан такой противный запах паленой растительности? Именно с высвобождением серы из химической структуры.
Зачем нужен кератин в организме
Самая очевидная функция — механическая защита. Это самый настоящий барьер против всего. Тут вам и бактерии, и другие обитатели фауны и флоры, предотвращение потери влаги и микроэлементов. Кстати сказать, тепло они тоже умеют беречь, что тоже крайне полезно.
Если обратим внимание на отдельную клеточку, то она держит свою форму именно благодаря кератину.
Одна клетка держится подле другой особым «крючком», который фиксируется с обеих сторон именно кератином.
В дополнение он входит в состав транспортного обеспечения (что-то типа метро), которое жизненно необходимо для доставки и удаления разнообразных продуктов.
А вот еще интересный факт: этот протеин снижает размножение, но усиливает созревание эпидермиса. Я удивилась тому, что определенная категория этого белка способна удлинять фазу роста, препятствуя выпадению волос.
А как насчет того, что помимо структурного «щита», они еще и руководят (да, именно играют руководящую роль) в управлении процессом регенерации? Представьте, что они синтезируют определенные сигнальные элементы, которые в отсутствие повреждения подавляют воспаление, и, напротив, активно кричат «Караул, спасите» в случае травмы. Так запускается весь процесс восстановления ткани.
А еще, можно сказать, что мы обладаем кожной чувствительностью частично благодаря кератину: именно он участвует в передаче сигнала к нервным волокнам.
Лучше всего понять, до какой степени нам важен тот или иной компонент – это посмотреть на последствия его отсутствия.
Контроль за выработкой этого протеина находится в генах. Так вот, если эти «ребята» хорошенько напортачили, что привело к дефекту обсуждаемой сферы, то это приводит к самым катастрофическим последствиям.
Самое распространенное заболевание – это буллезный эпидермолиз (дословно перевести можно как пузырная отслойка эпидермиса). В этой ситуации отсутствуют те самые якоря, которые держат клеточки вместе.
Представляете, малейшее механическое давление, и внешний слой кожи просто отслаивается с образованием пузыря.
Далее это дело вскрывается, обнажая незащищенные структуры. Присоединяется инфекция, теряется жидкость с кучей электролитов, часто развивается сепсис. Заканчивается сия картина часто фатально.
А существует вообще, казалось бы, несвязанное с кератином заболевание – синдром раздраженной толстой кишки. Но, как выяснилось, и здесь не обошлось без кератина: недостаток его синтеза и прямо (снижение устойчивости стенок кишечника к механическому давлению), и опосредованно (уменьшение иммунитета к вирусам и токсинам) влияет на возникновение этого недуга.
Есть и еще одна пренеприятная гадость: буллезный ихтиоз — обезображивающее состояние, когда вместо обычного формирования рогового слоя, на поверхность выбрасываются в ускоренном режиме странного вида соединения в виде толстой губчатой ткани.
Удивительные возможности кератина в медицине
А вы знали, что кератин, выделенный из органических материалов, — это очень перспективное направление в биомедицине?
Впервые Хайнман в 1910 году предложил это соединение для регенерации повреждений. Но только относительно недавно свойства этого метода были изучены.
Кто бы мог подумать, что гель на его основе останавливает кровотечение за счет уникального свойства связывать клетки между собой?
А как вам повязки для хронических трудно заживаемых язв? Удивительно, но кератин способен «общаться» с окружением дефекта, стимулируя заживление.
И это еще не все! Дело в том, что нервные стволы восстанавливаются крайне медленно, но для кератиновой семьи и эта задача оказалась по плечу: работая напрямую с клетками Шванна, они ускоряют восстановление поврежденной нервной ткани.
Интересно также, что этот продукт доставляется по «адресу» к поврежденным местам в виде специфического материала – геля. А вот и еще один сюрприз: параметры кератинового геля значительно превосходят таковые у известного всем коллагена.
Чрезвычайно перспективно применение различных видов кератина для диагностики широкого спектра раковых опухолей, а также определение прогноза, степени агрессивности опухоли или более благоприятного течения болезни.
Ну и самое животрепещущее. Как насчет так широко разрекламированного свойства всевозможных шампуней, сывороток и масок на базе обсуждаемого препарата?
Неужели он и правда встраивается на место поврежденного участка волоса, восстанавливая непрерывность материала? А вот тут мне придется взять на себя роль курьера плохих новостей.
Также как и с распространенным заблуждением относительно омолаживающего действия продуктов с эластином и коллагеном, нет никаких доказательств действенности подобного метода.
Косметический эффект может быть объяснен способностью любого белка (а кератин – не исключение) связывать воду, оказывая увлажняющий эффект.
Но встроенный внутрь белок и внешнее увлажнение – совсем разные вещи.
Поэтому, как ни грустно это признать, но это не более чем рекламный ход в попытке продать товар. Важно, что создать стабильное вещество возможно только с добавлением формальдегида – известного канцерогена. Стало быть, лечение кератином будет сопряжено с некоторым риском для здоровья и для клиента, и, в большей степени, для косметолога / парикмахера.
Вот мы и завершили экскурс в чудесный мир кератина, который есть не просто скопление «дохлых» чешуек где-то на периферии всего живого, но поистине жизненно необходимый ингредиент, чьи «плечики» носят мириады самых разнообразных функций от простого каркаса до с трудом осознаваемых и сложных механизмов регуляции жизни, созревания и смерти различных структур.
Я уверена, что нам еще многое предстоит узнать про этого «волшебника», что предоставит дополнительные возможности для спасения и улучшения качества нашей жизни.
Authors:
Medically written and reviewed by: Julia Nicholson, dermatologist, physiotherapist Опубликовано: Олеся Смагина, помощник директора центров эпиляции «Вселенная красоты»
References:
https://www.kerafast.com/App_Themes/Skin_1/images/History%20of%20Keratin%20Research%20and%20Bibliography.pdf
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3142884/
https://www.researchgate.net/publication/327105983_Keratin
Примеры использования
Кератиновые нити в изобилии встречаются в кератиноцитах в ороговевшем слое эпидермиса, представляющем собой клетки, прошедшие ороговение. Кроме того, кератиновые волокна присутствуют в эпителиальных клетках в целом. Например, мышиные эпителиальные клетки тимуса (ТЭМ), как известно, реагируют с антителами для кератина 5, 8 и 14. Эти антитела используют в качестве флуоресцентных маркеров для различения подмножеств ТЭМ в генетических исследованиях тимуса.
- α-кератины в волосах (включая шерсть), рогах, ногтях, когтях и копытах млекопитающих
- более твердые β-кератины содержатся в ногтях, чешуйках и когтях рептилий, их панцирях (Testudines, такие как черепахи, террапин), и в перьях, клювах, когтях птиц и иглах дикобраза. Эти кератины образуются в основном в бета-листах. Тем не менее, бета-листы содержатся также в α-кератинах.
Пластинки китового уса, служащие китам для фильтрации пищи, состоят из кератина.
Кератины (также называемые цитокератинами) представляют собой полимеры промежуточных филаментов типа III и типа IV, которые обнаружены в геномах хордовых (позвоночные, ланцетники, оболочники). У нематод и многих других, не хордовых животных, по-видимому, имеется только промежуточные филаменты типа VI, ламины, у которых есть длинностержневой домен (против короткостержневого домена для кератинов).
Польза продуктов, богатых кератином
Белок важен для роста и восстановления организма, в том числе для:
- мышц
- костей
- кожи
- сухожилий
- связок
- волос
- глаз
- других тканей организма
В частности, кератин делает клетки в волосах, коже и ногтях более сильными и эластичными, а также помогает уменьшить повреждение тканей от трения.
Кератин также помогает:
- регулировать размеры клеток
- позволяет клеткам расти и делиться
- заживлять раны
Питательные вещества, которые помогают продуцировать кератин
Некоторые питательные вещества помогают организму вырабатывать кератин и улучшить здоровье кожи, волос, ногтей и других тканей. Человек может помочь своему организму вырабатывать кератин, если будет потреблять продукты, содержащие эти питательные вещества:
Биотин
Биотин играет важную роль в производстве кератина и может поддерживать здоровый рост волос и ногтей.
L-цистеин
L-цистеин является аминокислотой и компонентом кератина. Цистеины также важны для формирования коллагена, поддержания эластичности кожи и метаболизма биотина, чтобы организм мог его использовать.
Цинк
Цинк является важным питательным веществом для здоровья кожи. Он поддерживает размножение кератиноцитов — клеток, которые производят кератин.
Витамин C
Витамин С поддерживает образование кератиноцитов и помогает защитить кожу от окислительного стресса. Он также помогает формировать коллаген в кожном барьере и может оказывать омолаживающее действие на кожу.
Витамин А
Витамин А играет важную роль в развитии кератиноцитов. Витамин необходим для замены клеток кожи и для здоровой функции ушей, глаз и слизистой оболочки внутренних органов.
Какие продукты повышают выработку кератина?
Следующие продукты являются отличными источниками питательных веществ, которые поддерживают выработку кератина в организме. Они также обеспечивают другими необходимыми витаминами и минералами:
Яйца
Поскольку кератин — это белок, важно употреблять богатые белком продукты для производства кератина. Яйца являются хорошим источником белка, причем одно большое яйцо содержит 6,24 грамма белка. Яйца также содержат много других важных питательных веществ, включая кальций и витамины В12 и А.
Одно вареное яйцо содержит 10 микрограммов биотина, что составляет треть суточной нормы.
Лук
Лук содержит N-ацетилцистеин — антиоксидант, который организм использует для образования L-цистеина. Одна маленькая сырая луковица содержит 5,18 мг витамина С, а также цинк и витамины группы В.
Лосось
Лосось — хороший источник белка, в 1 унции вареного лосося содержится 7,31 г белка. Такое же количество содержит 0,139 мг цинка. Лосось также является хорошим источником биотина, 5 мкг биотина в 85 г. лосося. Это 17% от суточной нормы биотина.
Сладкий картофель
Сладкий картофель богат витамином А. Один средний сладкий картофель весом 150 г обеспечивает 1150 мкг витамина А. Он также является хорошим источником витамина С и обеспечивает небольшое количество цинка.
Полстакана вареного сладкого картофеля содержит 2,4 мкг биотина, обеспечивая 9% суточной нормы.
Семечки подсолнуха
Семена подсолнечника богаты биотином и содержат 2,6 мкг биотина на 0,25 стакана, обеспечивая 9% суточной нормы. Порция очищенных семян подсолнечника содержит 1,5 мг цинка, а также витамины группы В и витамин Е.
Манго
Манго богат витаминами А и С, которые играют важную роль в производстве кератина. Одно манго весом 207 г содержит 112 мкг витамина А и 75,3 мг витамина С.
Чеснок
Чеснок содержит N-ацетилцистеин, который помогает в производстве кератина. Чеснок также содержит другой цистеин, который может поддерживать здоровую кожу и помочь организму усваивать биотин. Исследование 2016 года показало, что чеснок помогает защитить кератиноциты от повреждения ультрафиолетовыми лучами.
Капуста
Капуста — это богатая питательными веществами пища, содержащая высокий уровень витаминов А и С. Одна чашка сырой капусты весом 25 г содержит 125 мкг витамина А и 30 мг витамина С. Капуста также содержит много других важных питательных веществ, включая железо, кальций и фолиевую кислоту.
Говяжья печень
Говяжья печень является одним из самых высоких источников биотина в пище. Порция вареной говяжьей печени обеспечивает 30,8 мкг биотина, что составляет 103% от суточной нормы.
Морковь
Морковь богата витамином А. Полстакана сырой моркови обеспечивает 459 мкг витамина А, что составляет 51% от рекомендуемой нормы. Одна средняя морковь содержит 3,6 мг витамина С, а также цинк, витамины группы В и витамин К.
Видео о кератине
Структурные детали
Первая последовательность кератинов была определена Ханукоглу и Фухсом. С помощью этих последовательностей удалось выявить, что существуют две различные, но гомологичные кератиновые семьи, которые были названы кератинами типа I и типа II. В результате анализа первичной структуры этих кератинов и других белков промежуточных филаментов, Ханукоглу и Фухс предложили модель, согласно которой кератины и белки промежуточных филаментов содержат центральный домен остатка ~ 310 с четырьмя сегментами в α-спиральной конформации, разделенными тремя короткими сегментами линкера, которые, предположительно, находились в конформации бета-изгиба. Эта модель была подтверждена путем определения кристаллической структуры спиральной области кератинов.
Волокнистые молекулы кератина представляют собой суперспираль с образованием очень стабильного, свитого против часовой стрелки сверхспирального мотива, образующего нити, состоящие из нескольких копий мономера кератина.
Основной движущей силой, которая сохраняет биспиральную структуру, служат гидрофобные взаимодействия между неполярными остатками вдоль спиральных сегментов кератинов.
Ограниченное внутреннее пространство – это причина того, почему тройная спираль (вне) коллагена структурного белка, содержащаяся в коже, хряще и кости, также отличается высоким процентом глицина. В эластине белка соединительной ткани также высоко содержание глицина и аланина. В считающемсяся β-кератином шелковом фиброине он могут занимать 75-80% от объема, серин – 10-15%, остальные же присутствуют виде громоздких боковых групп. Цепи антипараллельны, с переменной ориентацией C → N. Перевес аминокислот с небольшими инертными боковыми группами характерен для структурных белков, для которых Н-связанная плотная упаковка важнее, чем химические специфичности.
Дисульфидные мостики
В дополнение к внутри- и межмолекулярным водородным связям, кератины содержат в большом количестве серосодержащую аминокислоту цистеин, необходимый для дисульфидных мостиков, придающих дополнительную прочность и жесткость при постоянном, термически стабильном сшивании. Такую роль серные мостики также играют в вулканизированной резине. Волосы человека состоят примерно на 14% из цистеина. В результате из-за соединений серы появляется острый запах при горении волос и резины. Обширная дисульфидная связь способствует нерастворимости кератинов, за исключением диссоциации или восстановителей.
Более гибкие и эластичные кератины волос имеют меньше межцепочечных дисульфидных мостиков, чем кератины в ногтях, копытах и когтях (гомологичные структуры) млекопитающих, которые тверже и больше походят на их аналоги в других позвоночных классах. Волосы и другие α-кератины состоят из α-спиральной нити одного белка (с обычной внутрицепочной H-связью), которые затем дополнительно скручиваются в сверхспиральные веревки, которые могут дальше сворачиваться в спирали. β-кератины рептилий и птиц имеют β-складчатые пласты, скрученные вместе и далее стабилизированные и укрепленные дисульфидными мостиками.
Образование филамента
Было выдвинуто предположение, что кератины объединяются в «жесткие» и «мягкие» или «цитокератины» и «прочие кератины». Эта модель в настоящее время считается правильной. В новом атомное дополнение в 2006 г., описывающее кератины, это принимается во внимание.
Кератиновые филаменты являются промежуточными. Как и все промежуточные филаменты, кератиновые белки образуют нитевидные полимеры в серии этапов сборки, начиная с димеризации; димеры собираются в тетрамеры и октамеры и в конечном итоге, согласно современной гипотезе, в элементарные нити единичной длины, способные ренатурироваться в целостности в длинные нити.
Ороговение
Ороговение представляет собой процесс образования эпидермального барьера в многослойной плоской эпителиальной ткани. На клеточном уровне оно характеризуется следующим:
- производство кератина
- производство небольших богатых пролином (SPRR) белков и трансглутаминазы, которые в итоге формируют ороговевший клеточный конверт под плазматической мембраной
- терминальная дифференцировка
- потеря ядер и органелл в завершающей стадии ороговения.
После завершения метаболизма клетки заполняются кератином почти полностью. В процессе эпителиальной дифференциации клетки становятся ороговевшими, так как белок кератина объединяется в более длинные промежуточные филаменты кератина. В итоге ядра и цитоплазмические органеллы исчезают, прекращается обмен веществ, а клетки подвергаются запрограммированной смерти, так как они станут полностью ороговевшими. Во многих других типах клеток, например, клетках дермы, кератиновые волокна и другие промежуточные филаменты функционируют, как часть цитоскелета для механической стабилизации ячейки против физического стресса. Это происходит через подключение к десмосомам, межклеточным соединительным бляшкам, и полудесмосомам, адгезионным структурам клеток базальной мембраны.
Клетки в эпидермисе содержат структурную матрицу кератина, в результате внешний слой кожи становится почти водонепроницаемым, а вместе с коллагеном и эластином, это придает коже прочность. Из-за трения и давления внешний роговой слой эпидермиса утолщается, таким образом, образуются защитные мозоли, помогающие спортсменам и музыкантам, которые играют на струнных инструментах (у них мозоли появляются на кончиках пальцев). Ороговевшие клетки эпидермиса постоянно осыпаются и заменяются.
Эти жесткие покровные структуры формируются межклеточным цементированием волокон, образуемых из мертвых, ороговевших клеток, выработанных в специализированных местах глубоко в коже. Волосы растут непрерывно, оперение линяет и восстанавливается. Составляющие белки могут быть филогенетически гомологичными, но по химической структуре и надмолекулярной организации немного отличаются. Эволюционные отношения сложны и известны лишь частично. Были определены несколько генов для β-кератинов в перьях, и это, вероятно, характерно для всех кератинов.
Шелк
Шелковые фиброины, вырабатываемые насекомыми и пауками, часто классифицируются как кератины, хотя неясно, связаны ли они филогенетически с кератинами позвоночных.
Шелк, содержащийся в куколках насекомых, в паутине и оболочке яиц пауков, также имеет скрученные β-складчатые пласты, объединенные с волокнами, смотанными в крупные надмолекулярные агрегаты. Конструкция прядильных органов на хвостах пауков и работа их внутренних желез замечательно контролируют быструю экструзию. Шелк паука, как правило, примерно от 1 до 2 мкм толщиной (для сравнения, толщина человеческого волоса – около 60 мкм), и больше у некоторых млекопитающих. Полезные свойства шелковых волокон с биологической и коммерческой точки зрения зависят от организации несколько соседних белковых цепей в твердых, кристаллических областях различного размера, чередующихся с гибкими, аморфными регионами, где цепи случайно свиваются спиральный. Несколько аналогичная ситуация происходит с синтетическими полимерами, такими как нейлон, разработанные в качестве замены шелку. Шелк из коконов шершней содержит дублеты диаметром примерно 10 мкм, с ядрами и покрытием, и может быть сгруппирован в слои (до 10 слоев) и бляшки переменной формы. Взрослые шершни, как и пауки, также используют шелк как клей.
Клиническое значение кератина
Кератином питаются некоторые инфекционные грибки, такие как те, которые вызывают грибок стопы и стригущий лишай (т.е. дерматофиты), или Batrachochytrium dendrobatidis (хитридиевые грибки).
Среди заболеваний, вызванных мутациями в генах кератина:
- простой буллезный эпидермолиз
- буллезный ихтиоз Сименса
- эпидермолитический гиперкератоз
- множественная стеатоцистома
- лейкоплакия слизистой гортани
- образование стержнеобразных клеток в крупноклеточной карциноме легких стержнеобразного фенотипа
Кроме того, экспрессия кератина полезна в определении эпителиального происхождения при анапластическом раке. Кератин экспрессируют такие опухоли, как карциномы, тимомы, саркомы и трофобластические новообразования. Кроме того, модель точной экспрессии подтипов кератина позволяет предсказывать происхождения первичной опухоли в оценке метастазов. Например, гепатоцеллюлярная карцинома обычно экспрессирует K8 и K18, а холангиокарцинома экспрессирует K7, K8 и K18, в то время как метастазы колоректального рака экспрессируют K20, но не K7.
Использование в косметике
Гидролизованный кератин стал распространенным косметическим ингредиентом. Исследования показали, что местное применение гидролизованного кератина значительно увеличивает эластичность и гидратацию кожи. Из-за его увлажняющих свойств гидролизат кератина также добавляется в шампуни и кондиционеры для волос.
Кератиновые структуры большего размера, как те, которые образованы путем ороговения, не могут проникать в кожу, поэтому не могут быть использованы в качестве увлажнителей. Однако их можно применить другими способами, например, в продуктах, скрывающих выпадение волос, с использованием тонких волосяных волокон до аксессуаров, делающих прическу гуще, например, в виде накладок для наращивания волос.
© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала «На здоровье!». Все права защищены.
Заключение
Кератин — важный белок для здоровья волос, кожи и ногтей. Креатинин также является важной частью слизистой оболочки внутренних органов. Некоторые продукты содержат питательные вещества, которые поддерживают образование кератина в организме. Эти питательные вещества включают биотин, витамин А и цинк.
Здоровая диета, включающая эти питательные вещества, может поддерживать здоровый уровень кератина и обеспечить организм другими необходимыми питательными веществами.
Научная статья по теме: Дефицит цинка может играть роль в повышении артериального давления.
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗМЦ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей