α-Keratin fiberlerin morfolojisi

Birçok yazara göre (Wortmann ve Zahn, 1994; Feughelman, 2002), bütün saçlar ve yünler yapılarında dış kütikül tabakası, korteks gibi temel bileşenlere ilaveten diğer medula, melanin ve nükleer kalıntı gibi düşük miktardaki bileşenlerden oluşmaktadır. Şekil 1.15’de görüldüğü gibi, kütikül yün fiberinin korteksinin ana kısmının üzerindeki kabuk yapısından oluşmaktadır.

Yün fiberlerinde her biri 1 μm kalınlıkta kabuk tabakaları üst üste binerek fiberin dışını kapatan bir tabakanın kalınlığını sağlar. Bu kabuk yapısı yün ve diğer keratin fiberlerinde keçeleşme sağlamaktadır. Kütikül hücreleri yapısal olarak amorfturlar. Onların fiziksel varlığı boya gibi daha büyük moleküllü yapıların yutulmasına bir bariyer, engel oluşturmaktadır. Yazarlara göre (Wortmann ve Zahn,1994) kütikül tabakasının fiberin çekirdeği için mekanik koruyucu rolü vardır, fakat genelde yaklaşık %10’luk küçük kütle oranından ve molekül düzenindeki eksiklikten dolayı uzamayla ilgili fiber özelliklerine katkısı çok sınırlıdır.

Şekil 1.15 Merinos yün fiberinin yapısını büyütülmüş olarak gösteren kesit alanı diyagramı. H.Roe tarafından Dr. R.D.B. Fraser’in çiziminden üretilmiştir (Feughelman, 2002) Mekanik olarak α-keratin fiberin en önemli bileşeni, kütikül tabaka yapısı ile kaplanmış fiberin ana parçası olan kortekstir. Fiberin Korteksi, uzunlukları yaklaşık olarak 100 μm ve düzgün olmayan birkaç mikrometrelik (∼5 μm) kesit alanlı uzatılmış hücrelerden

oluşmaktadır. Yaklaşık 25 nm kalınlıklı bir hücre zarı kompleksi (CMC) her bir hücreyi komşusundan ayırmaktadır ve fiber boyunca sadece tek sürekli malzeme fazı sağlamaktadır. CMC içindeki bileşenlerin düzeni ile ilgili bilgiler hala spekülasyon ve tartışma konusudur. Korteks hücreleri arasında yapıştırıcı, tutuculuk sağladığı ve böylece uygulanan dış gerilimi bu hücrelere ilettiği için, CMC mekanik açıdan önemli bir rol oynamaktadır. CMC korteks tabakasının sadece %6’lık kısmı olduğu için, yün ve diğer α-keratin fiberlerin mekanik özellikleri yani fiberlerin nem miktarı, sıcaklık ve zaman gibi önemli parametreleri açısından davranışlarında bu sürekli korteks hücrelere daha büyük öneme sahiptir. Bir elekton mikroskobu altında, korteks hücreleri orijinal olarak mikrofibril olarak bilinen uzun filamentlerden oluştuğu görülmektedir. Bu mikrofibriller, diğer hücre yapılarıyla tutarlı olarak, orta filamentler (intermediate filaments-IFs) olarak adlandırılır. IFs’lerin yapısına yakından baktığımızda, IFs’lerin monomer birimlerini oluşturan dörtlü şekilde düzenlenmiş 8 protofilamentin halka şeklindeki düzenlenmesinden oluşmaktadır. Şekil 1.16’da görülen, bu dörtlü birimin (tetramer) yapısı Steinert ve Pary (Wortmann ve Zahn,1994) tarafından önerilmiştir.

Şekil 1.16 Protofilamenti oluşturan ikili ve dörtlü monomerik birimlerin şematik diyagramı. İkili birimlerin 2B-segmentleri arasında kükürt atomları ile gösterilen etkileşme alanı işaret

edilmiştir (Wortmann ve Zahn, 1994)

Burada, IF’nin monomer birimi başlıca α-helisli merkezi bir çubuk yapısından ve helis olmayan C- ve N-ucu bölgelerinden oluşmaktadır (Wortmann ve Zahn, 1994 ). Merkezi çubuk yaklaşık olarak 47 nm uzunluklu helis kısımlarında 40 amino asit kısımlarından (heptades) oluşmaktadır (Wortmann ve Zahn, 1994). Bu, helis olmayan bağlantılarla bağlı, 22 nm uzunluklu benzer iki yarı kristal bölgelerinden (1 ve 2) oluşmaktadır. Bu kısımlar kendileri helis olmayan zincir segmentleriyle bağlı uzun ve kısa sarmal helis çubuklarından (A ve B) oluşmuştur. 2 monomer bir paralel dimeri oluşturmaktadır. Bu dimerin yapısal bütünlüğü helislerin yan gruplarının sterik etkileşmeleri ve apolar etkileşmeleriyle sağlanmaktadır (Wortmann ve Zahn, 1994). İki dimer ise antiparalel durumda ve 2 nm çaplı

protofilamentin temel yapısı olan dörtlü birimi (tetramer) hafifçe zig zaglı bir biçimde oluşturmaktadır(Wortmann ve Zahn, 1994). Protofilamentlerin yapısı ise B-segmentleri arasında ve özellikle farklı dimerlerin 2B-segmentleri arasında 6 kükürt atomu üzerlerinden iyonik etkileşimlerle kararlı olmaktadırlar. Bu ise dimerlerin birbirlerine göre kaymasıyla sterik olarak mümkündür. Şekil 1.16’de görülen dörtlü yapıdaki kükürt bağlarının gerçek yerleri şematik olarak işaret edilmiştir ve Steinert ve Parry tarafından önerilmiştir (Wortmann ve Zahn, 1994).

Bu ara filamentler (IFs) bir yün ya da saçın eksenine paralel olarak yönlenmişlerdir. Bu filamentler düzgündür ve yaklaşık 7,3 nm çapına sahiptirler ve ıslak bir fiberde 11 nm aralıklıdırlar. Her bir korteks hücresinde, bu filamentler makrofibril olarak adlanan yaklaşık 0,5 μm çapında birimlerde bir araya gelerek gruplaşırlar. Her bir makrofibrilde, IFs’ler kükürtle zengin protein matrisi ile birbirlerinden ayrılırlar. IFs’ler bir α-keratininden diğerine boyutlarında bir değişme göstermezken, matrisin hem miktarında hemde kimyasal bileşimlerinde değişim olmaktadır. Herhangi bir makrofibrilde IFs’ler birbirleriyle ilgili ve yakın etkileşimdedirler, böylece bütün makrofibril tek bir mekanik birim gibi davranmaktadır. IFs’ler korteksin kütlesinin yaklaşık %50-60’nı temsil etmektedirler. Var olan diğer küçük bileşenler ise medula, melanin ve nükleer kalıntılardır. Medula özelleşmiş bir grup hücredir ve daha kalın α-keratin fiberlerinin eksenleri boyunca sürekli, süreksiz yada parçalara ayrılmış durumda bulunmaktadır. Mekanik olarak bu hücreler boş uzayı temsil ederler ve bu hücreleri içeren fiberlerden, onların kalınlığı, bayağılığı ve düzensiz boya çekmesinden dolayı tekstil endüstrisinde kaçınılır.

Diğer taraftan, melanin ise α-keratin fiberlerinde pigment granülleridir ve mekanik olarak ise 1 μm mertebesi boyutlarında ve tabakalar arasına giren küçük sert parçacıklar olarak davranmaktadırlar. Yine, tekstil endüstrisinde böyle fiberlerden kaçınılır. Melanin, α-keratin fiberinin molekül yapısının herhangi bir kısmını temsil etmez. Orijinal korteks hücrelerinden nükleer kalıntılar ise hacimsel olarak çok küçük bir bileşeni temsil etmektedirler ve α-keratin fiberlerin mekanik özellikleri düşünülürken bunlar ihmal edilmektedir. Bir α-keratinin mekanik özellikleri göz önüne alındıkça, kuru fiber fiber eksenine paralel yönlenmiş ve kükürtçe zengin matris proteini içine gömülmüş uzun IFs’lerden oluştuğu düşünülür.