Aminokwasy siarkowe w keratynach paznokci

Metionina (Met) i Cysteina (Cys) to aminokwasy występujące w płytce paznokcia zawierające siarkę, wchodzą w strukturę także innych białek. Aminokwasy siarkowe pełnią istotną rolę w organizmie człowieka. To właśnie one w głównej mierze chronią komórki przed wolnymi rodnikami i stresem oksydacyjnym oraz są odpowiedzialne za usztywnienie helis białkowych.

 

Met jest jednym z dziewięciu niezbędnych aminokwasów w organizmie człowieka, który musi być dostarczany wraz z pożywieniem. W budowie cząsteczki Met występuje wiązanie –S–C–, stąd brak zdolności tworzenia mostków disiarczkowych. Występująca naturalnie głównie w konfiguracji L, Met bierze udział w reakcjach metylacji, jest niezbędna do prawidłowego wzrostu i naprawy uszkodzonych tkanek. Dodatkowo wpływa na elastyczność skóry, wzmacnia włosy i paznokcie. Jest aminokwasem inicjującym syntezę białek u eukariantów. Chelatuje metale ciężkie takie jak ołów, rtęć i cynk oraz ułatwia ich wydalanie. Działa jako środek lipotropowy, dzięki czemu zapobiega nadmiernemu gromadzeniu się tłuszczu w wątrobie. W największej ilości występuje w białku jaj i kazeinie mlekowej.
Cysteina (Cys) jest aminokwasem tiolowym, endogennym powstającym jako produkt katabolizmu białek w reakcji transsulfuracji na drodze przekształcenia Metioniny do homocysteiny (Hcy) i dalej do Cysteiny. Cząsteczka Cys. ma zdolność tworzenia wiązań disiarczkowych, ponieważ posiada w swej budowie grupę tiolową (-SH). Formę utlenioną stanowi cystyna ((Cys)2). Grupa tiolowa Cys może ulegać reakcjom redoks, dzięki czemu wykazuje właściwości przeciwutleniające. Jest także nukleofilem dlatego bierze udział w reakcjach addycji i substytucji.

 

Cys odgrywa istotną rolę w syntezie białek i różnych procesach metabolicznych. Posiada zdolność do wiązania metali ciężkich, pełni ważną funkcję w odtruwaniu organizmu z toksyn takich jak alkohol i dym papierosowy. Organizm produkuje Cys w procesie transsulfuracji z cząsteczki Hcy powstającej w wyniku metylacji Met. Suplementacja tego aminokwasu może być konieczna u niemowląt, osób starszych i cierpiących na choroby związane z zaburzeniem wchłaniania tego związku. Niezbędna do wytwarzania tauryny i glutationu, który jest przeciwutleniaczem odgrywającym kluczową rolę w metabolizmie koenzymu a, heparyny i biotyny. Jej obecność została potwierdzona we włosach, paznokciach i skórze. Pełni ważną rolę podczas produkcji kolagenu i keratyny, odpowiadając za ich wytrzymałość i elastyczność.
Keratyna jest białkiem heterogenicznym o zwartej strukturze, posiadającym trójwymiarową budowę (α-helisy, β-harmonijki lub losową). W swej strukturze posiada około 60% hydrofobowych i 40% hydrofilowych grup chemicznych. Wykazuje bardzo dużą odporność mechaniczną i chemiczną. Nie jest rozpuszczalna w wodzie mimo tego, że jest higroskopijna, nie ulega działaniu enzymów proteolitycznych takich jak: pepsyna, trypsyna, czy papaina. Charakteryzuje się wysoką stabilnością dzięki występowaniu wiązań międzycząsteczkowych pomiędzy kwasami aminowymi. Z tego powodu na charakterystyczne właściwości tego białka wpływa duża ilość mostków disiarczkowych występujących w jej strukturze. Keratyna w swym składzie zawiera dużą ilość: glicyny, waliny, seryny, niewielkie ilości tryptofanu, lizyny i Met. Jednak największą zawartość, od 7 do 12 %, stanowi Cys w formie siarczków lub disiarczków, która odpowiada za tworzenie wiązań kowalencyjnych w strukturze białka. Wybrana grupa karboksylowa (Cys)2 tworzy wiązanie peptydowe jednego łańcucha, natomiast grupa aminowa i karboksylowa, wchodzą w skład drugiego łańcucha polipeptydowego. Poszczególne łańcuchy polipeptydowe, układają się w skomplikowane, wielopoziomowe układy, które ulegają wielokrotnemu zwinięciu. Im większa ilość wiązań –S–S– tym keratyna jest twardsza, sztywniejsza i mniej rozciągliwa.

 

Odporność keratyny na czynniki chemiczne i fizyczne sprawia, że jej rozkład jest utrudniony. Degradacji keratyny można dokonać za pomocą: kwasów, zasad, podwyższonej temperatury i promieniowania UV, gdyż w jej budowie obecne są fragmenty, które absorbują to promieniowanie.
Pod wpływem kwasów i zasad zostają zerwane wiązania peptydowe i disiarczkowe. Hydrolizę kwasową przeprowadza się używając głównie kwasów mineralnych, często w podwyższonej temperaturze. Roztwór po hydrolizie zawiera wolne aminokwasy.
W celu zachowania sekwencji aminokwasów, podczas degradacji keratyny stosuje się szereg reduktorów, które są zdolne do rozerwania wiązań disiarczkowych (Cys)2. Zaliczamy do nich takie związki jak: mocznik, tiomocznik, merkaptoetanol, czy ditiotreitol (DTT).

 

Pierwsze oznaki degradacji keratyny są zauważalne już po 30 sekundach od rozpoczęcia ogrzewania w temperaturze 185 °C. Proces przeprowadzany jest w roztworze wodnym. W jego wyniku powstają oligopolimery, peptydy i aminokwasy. Wszystkie aminokwasy to substancje krystaliczne o wysokich temperaturach topnienia, które są wwiększości przypadków temperaturami rozkładu tych związków. Najczęściej temperatury te wynoszą ponad 200 °C, a w przypadku niektórych aminokwasów dochodzą nawet do 300 °C.
W ostatnich latach rozpowszechniono metodę biodegradacji keratyn. Jest to proces wieloetapowy, wymagający odpowiedniego pH, flory bakteryjnej i dostępu tlenu. Enzymy proteolityczne są produkowane głównie przez bakterie z rodzaju Bacillus. Keratynazy zsyntezowane przez ten szczep cechują się dużą specyficznością substratową zarówno w przypadku przydatków skóry takich jak, włosy i paznokcie, jak i w przypadku innych białek włókienkowych np. kolagenu i elastyny. Keratyna ulega całkowitej biodegradacji w wyniku enzymatycznej hydrolizy i utlenienia. Proces ten składa się z trzech etapów. Najpierw zachodzi redukcja siarki z mostków disiarczkowych, następnie dochodzi do proteolizy, a w ostatnim etapie przebiega deaminacja białek i utlenienie grupy tiolowej. Dodatkowo zauważono, że proces ten może być przeprowadzany przez niektóre gatunki grzybów (np. Aspergillus fumigatus).