Ферритин — универсальный внутриклеточный белок , который хранит железо и контролируемо высвобождает его. Белок производят практически все живые организмы, включая архей, бактерии, водоросли, высшие растения и животные. Это основной внутриклеточный белок-накопитель железа как у прокариот , так и у эукариот , удерживающий железо в растворимой и нетоксичной форме. У людей он действует как буфер против дефицита и перегрузки железом . [3]
Ферритин обнаруживается в большинстве тканей в виде цитозольного белка, но небольшие количества секретируются в сыворотку , где он действует как переносчик железа. Ферритин плазмы также является косвенным маркером общего количества железа, хранящегося в организме; следовательно, сывороточный ферритин используется в качестве диагностического теста на железодефицитную анемию . [4] Агрегированный ферритин превращается в токсичную форму железа, называемую гемосидерином . [5]
Ферритин представляет собой глобулярный белковый комплекс, состоящий из 24 белковых субъединиц, образующих полую наноклетку с множественными взаимодействиями металл-белок. [6] Ферритин, не связанный с железом, называется апоферритином . [ нужна цитата ]
Гены ферритина высоко консервативны между видами. Все гены ферритина позвоночных имеют три интрона и четыре экзона . [7] В ферритине человека интроны присутствуют между аминокислотными остатками 14 и 15, 34 и 35, а также 82 и 83; кроме того, на обоих концах объединенных экзонов имеется от одной до двухсот нетранслируемых оснований . [8] Считается, что остаток тирозина в положении 27 аминокислоты связан с биоминерализацией . [9]
Ферритин представляет собой полый глобулярный белок массой 474 кДа , состоящий из 24 субъединиц. Обычно он имеет внутренний и внешний диаметры около 8 и 12 нм соответственно. [10] Природа этих субъединиц варьируется в зависимости от класса организма:
Все вышеупомянутые ферритины по первичной последовательности сходны с Н-типом позвоночных. [11] У E. coli наблюдается 20% сходство с H-ферритином человека. [11] Некоторые ферритиновые комплексы у позвоночных представляют собой гетероолигомеры двух родственных генных продуктов с немного разными физиологическими свойствами. Соотношение двух гомологичных белков в комплексе зависит от относительных уровней экспрессии двух генов.
Внутри ферритиновой оболочки ионы железа вместе с ионами фосфата и гидроксида образуют кристаллиты . Полученная частица похожа на ферригидрит . Каждый ферритиновый комплекс может хранить около 4500 ионов железа (Fe 3+ ). [8] [11]
Было обнаружено, что митохондриальный ферритин человека , MtF, экспрессируется в виде пробелка . [13] Когда митохондрия поглощает его, она перерабатывает его в зрелый белок, аналогичный ферритинам, обнаруженным в цитоплазме , который собирает, образуя функциональные оболочки ферритина. В отличие от других человеческих ферритинов, в его генетическом коде, по-видимому, нет интронов . Рентгеновское исследование показало, что его диаметр составляет 1,70 ангстрем (0,17 нм), он содержит 182 остатка и на 67% является спиральным . График Рамачандрана митохондриального ферритина [14] показывает, что его структура в основном альфа-спиральная с низким преобладанием бета-листов .
Ферритин присутствует в каждом типе клеток. [8] Он служит для хранения железа в нетоксичной форме, его хранения в безопасной форме и транспортировки в места, где оно необходимо. [15] Функция и структура экспрессируемого белка ферритина различаются в разных типах клеток. Это контролируется, прежде всего, количеством и стабильностью информационной РНК (мРНК), а также изменениями в том, как мРНК хранится и насколько эффективно она транскрибируется. [8] Одним из основных факторов производства многих ферритинов является простое присутствие железа; [8] исключением является ферритин желтка Lymnaea sp. , в котором отсутствует блок, реагирующий на железо. [11]
Свободное железо токсично для клеток , поскольку оно действует как катализатор образования свободных радикалов из активных форм кислорода посредством реакции Фентона . [16] Таким образом, позвоночные обладают сложным набором защитных механизмов для связывания железа в различных тканях [ обсудить ] . Внутри клеток железо хранится в виде белкового комплекса в виде ферритина или родственного ему комплекса гемосидерина . Апоферритин связывается со свободным двухвалентным железом и сохраняет его в трехвалентном состоянии. По мере накопления ферритина в клетках ретикулоэндотелиальной системы образуются агрегаты белков в виде гемосидерина . Железо в ферритине или гемосидерине может быть извлечено для высвобождения RE-клетками, хотя гемосидерин менее доступен. В стационарных условиях уровень ферритина в сыворотке крови коррелирует с общими запасами железа в организме; таким образом, сывороточный ферритин FR5Rl является наиболее удобным лабораторным тестом для оценки запасов железа. [ нужна цитата ]
Поскольку железо является важным минералом для минерализации, ферритин используется в раковинах таких организмов, как моллюски, для контроля концентрации и распределения железа, тем самым формируя морфологию и окраску раковины. [17] [18] Он также играет роль в гемолимфе полиплакофоры , где он служит для быстрой транспортировки железа к минерализующей радуле . [19]
Железо высвобождается из ферритина для использования путем деградации ферритина, которая осуществляется главным образом лизосомами . [20]
Ферритин позвоночных состоит из двух или трех субъединиц, которые названы в зависимости от их молекулярной массы: L «легкая», H «тяжелая» и M «средняя» субъединицы. Субъединица М обнаружена только у лягушек-быков. У бактерий и архей ферритин состоит из одного типа субъединиц. [21] Субъединицы H и M эукариотического ферритина и все субъединицы бактериального и архейного ферритина относятся к H-типу и обладают ферроксидазной активностью, которая представляет собой преобразование железа из двухвалентной (Fe 2+ ) в трехвалентную (Fe 3+ ) формы. Это ограничивает вредную реакцию, которая происходит между двухвалентным железом и перекисью водорода, известную как реакция Фентона , которая приводит к образованию крайне разрушительного гидроксильного радикала . Активность ферроксидазы проявляется в сайте связывания дижелеза в середине каждой субъединицы H-типа. [21] [22] После окисления Fe(II) продукт Fe(III) метастабильно остается в ферроксидазном центре и вытесняется Fe(II), [22] [23] механизм, который, по-видимому, распространен среди ферритинов. всех трех сфер жизни. [21] Легкая цепь ферритина не обладает ферроксидазной активностью, но может быть ответственна за перенос электронов через белковую клетку. [24]
Концентрация ферритина резко возрастает при наличии инфекции или рака. Эндотоксины являются активаторами гена, кодирующего ферритин, вызывая тем самым повышение концентрации ферритина. Напротив, такие организмы, как Pseudomonas , хотя и содержат эндотоксин, вызывают значительное снижение уровня ферритина в плазме в течение первых 48 часов после заражения. Таким образом, инфекционный агент лишен запасов железа в инфицированном организме, что затрудняет его метаболизм. [25]
Было показано, что концентрация ферритина увеличивается в ответ на стрессы, такие как аноксия , [26] , что означает, что это белок острой фазы . [27]
Митохондриальный ферритин выполняет множество функций, связанных с молекулярными функциями. Он участвует в активности ферроксидазы, связывании, связывании ионов железа, активности оксидоредуктазы, связывании трехвалентного железа, связывании ионов металлов, а также связывании переходных металлов. В рамках биологических процессов он участвует в окислительно-восстановительных процессах, транспорте ионов железа через мембраны и клеточном гомеостазе ионов железа. [ нужна цитата ]
У некоторых улиток белковым компонентом яичного желтка является в первую очередь ферритин. [28] Это другой ферритин, с другой генетической последовательностью, чем соматический ферритин. Он вырабатывается в железах средней кишки и секретируется в гемолимфу, откуда транспортируется к яйцам. [28]
У позвоночных ферритин обычно обнаруживается внутри клеток, хотя в меньших количествах он присутствует и в плазме. [25]
Уровни сывороточного ферритина измеряются в медицинских лабораториях в рамках исследования железа при железодефицитной анемии . [6] Они измеряются в нанограммах на миллилитр (нг/мл) или микрограммах на литр (мкг/л); эти две единицы эквивалентны.
Измеряемые уровни ферритина обычно имеют прямую корреляцию с общим количеством железа, хранящегося в организме. Однако уровни ферритина могут быть искусственно завышены в случаях анемии, вызванной хроническими заболеваниями , когда ферритин повышен в качестве белка острой фазы воспаления , а не в качестве маркера перегрузки железом. [ нужна цитата ]
Нормальный уровень ферритина в крови, называемый референтным интервалом , определяется многими испытательными лабораториями . Диапазоны ферритина могут различаться в разных лабораториях, но типичные диапазоны составляют от 40 до 300 нг/мл (=мкг/л) для мужчин и 20–200 нг/мл (=мкг/л) для женщин. [29]
Согласно обзору 2014 года, опубликованному в Медицинском журнале Новой Англии, уровень ферритина ниже 30 нг/мл указывает на дефицит железа , а уровень ниже 10 нг/мл указывает на железодефицитную анемию. [29] В рекомендациях Всемирной организации здравоохранения 2020 года говорится, что уровень ферритина указывает на дефицит железа ниже 12 нг/мл у внешне здоровых детей в возрасте до 5 лет и 15 нг/мл у очевидно здоровых людей в возрасте 5 лет и старше. [30]
Некоторые исследования показывают, что женщины с утомляемостью и уровнем ферритина ниже 50 нг/мл наблюдают снижение утомляемости после приема добавок железа. [31] [32]
В условиях анемии низкий уровень ферритина в сыворотке крови является наиболее специфичным лабораторным признаком железодефицитной анемии . [33] Однако он менее чувствителен, поскольку его уровни в крови повышаются в результате инфекции или любого типа хронического воспаления, [34] и эти состояния могут превратить то, что в противном случае было бы низким уровнем ферритина из-за недостатка железа, в значение в пределах нормы. По этой причине низкий уровень ферритина несет больше информации, чем нормальный уровень. Ложно низкий уровень ферритина в крови (эквивалент ложноположительного результата теста) встречается очень редко [34] , но в крайних случаях может быть результатом крючкового эффекта измерительных инструментов. [35]
Низкий ферритин может также указывать на гипотиреоз , дефицит витамина С или целиакию . [ нужна цитата ]
У некоторых пациентов с синдромом беспокойных ног наблюдаются низкие уровни ферритина в сыворотке крови , что не обязательно связано с анемией, но, возможно, связано с низкими запасами железа, недостаточными для анемии. [36] [37]
Согласно позиции Американской диетической ассоциации в 2009 году, вегетарианство не является причиной низкого уровня ферритина в сыворотке крови: «Заболеваемость железодефицитной анемией среди вегетарианцев аналогична таковой среди невегетарианцев. Хотя у взрослых-вегетарианцев запасы железа ниже, чем у невегетарианцев. , их уровень ферритина в сыворотке обычно находится в пределах нормы». [38]
Если ферритин высокий, то это означает избыток железа или острую воспалительную реакцию, при которой ферритин мобилизуется без избытка железа. Например, уровень ферритина может быть высоким при инфекции, не сигнализируя о перегрузке железом в организме.
Ферритин также используется в качестве маркера заболеваний, связанных с перегрузкой железом , таких как гемохроматоз или гемосидероз . Болезнь Стилла у взрослых , некоторые порфирии и гемофагоцитарный лимфогистиоцитоз / синдром активации макрофагов представляют собой заболевания, при которых уровень ферритина может быть аномально повышен.
Поскольку ферритин также является реагентом острой фазы , его уровень часто повышается в ходе заболевания . Нормальный С-реактивный белок можно использовать для исключения повышенного ферритина, вызванного реакциями острой фазы. [ нужна цитата ]
Было показано, что ферритин повышен в некоторых случаях COVID-19 и может коррелировать с худшим клиническим исходом. [39] [40] Ферритин и IL-6 считаются возможными иммунологическими биомаркерами тяжелых и смертельных случаев COVID-19. Ферритин и С-реактивный белок могут быть возможными инструментами скрининга для ранней диагностики синдрома системного воспалительного ответа в случаях COVID-19. [41] [42]
Согласно исследованию пациентов с нервной анорексией , ферритин может повышаться в периоды острого недоедания , возможно, из-за того, что железо попадает в запасы в виде внутрисосудистого объема и, таким образом, количество эритроцитов падает. [43]
Другое исследование предполагает, что из-за катаболической природы нервной анорексии может высвобождаться изоферритин. Кроме того, ферритин играет важную роль в организме, не связанную с хранением, например, защиту от окислительного повреждения . Повышение уровня этих изоферритинов может способствовать общему увеличению концентрации ферритина. Измерение ферритина с помощью иммуноанализа или иммунотурбидиметрических методов также может определять эти изоферритины, поэтому не является истинным отражением состояния запасов железа. [44]
Исследования показывают, что насыщение трансферрина (концентрация железа в сыворотке ÷ общая железосвязывающая способность) более 60 процентов у мужчин и более 50 процентов у женщин указывает на наличие нарушения метаболизма железа ( наследственный гемохроматоз , гетерозиготы и гомозиготы) с точностью примерно 95 процентов. . Это открытие помогает в ранней диагностике наследственного гемохроматоза, особенно в то время, когда ферритин сыворотки все еще остается низким. Сохраненное железо при наследственном гемохроматозе преимущественно откладывается в паренхиматозных клетках, причем накопление ретикулоэндотелиальных клеток происходит на очень поздних стадиях заболевания. Это контрастирует с трансфузионной перегрузкой железом, при которой отложение железа происходит сначала в ретикулоэндотелиальных клетках, а затем в паренхиматозных клетках. Это объясняет, почему при наследственном гемохроматозе уровень ферритина остается относительно низким, а насыщение трансферрина высоким. [45] [46]
Гематологические нарушения часто сочетаются с хроническими заболеваниями печени. У пациентов с циррозом печени наблюдались как перегрузка железом, так и железодефицитная анемия. [47] [48] Первое происходит главным образом из-за снижения уровня гепсидина , вызванного снижением синтетической способности печени, тогда как второе связано с острыми и хроническими кровотечениями, вызванными портальной гипертензией . Воспаление также присутствует у пациентов с запущенным хроническим заболеванием печени. Как следствие, при хронических заболеваниях печени постоянно отмечаются повышенные уровни ферритина в печени и сыворотке крови. [49] [50] [51]
Исследования показали связь между высокими уровнями ферритина в сыворотке и повышенным риском краткосрочной смертности у пациентов с циррозом печени с острой декомпенсацией [52] и острой на хронической печеночной недостаточностью. [53] Другое исследование выявило связь между высокими уровнями ферритина в сыворотке и повышенным риском долгосрочной смертности у пациентов с компенсированным и стабильным декомпенсированным циррозом печени. [54] В том же исследовании было продемонстрировано, что повышенный уровень ферритина в сыворотке может предсказать развитие бактериальной инфекции у пациентов со стабильным декомпенсированным циррозом печени, в то время как у пациентов с компенсированным циррозом появление самого первого эпизода острой декомпенсации показало более высокую заболеваемость у пациентов с низкими уровнями ферритина в сыворотке. Этот последний результат был объяснен связью между хроническим кровотечением и повышенным портальным давлением. [54]
Ферритин используется в материаловедении в качестве прекурсора при создании наночастиц железа для роста углеродных нанотрубок методом химического осаждения из паровой фазы .
Полости, образованные белками ферритина и мини-ферритинов ( Dps ), успешно используются в качестве реакционной камеры для изготовления металлических наночастиц (НЧ). [55] [56] [57] [58] Белковые оболочки служили матрицей для ограничения роста частиц и покрытием для предотвращения коагуляции/агрегации между НЧ. Используя белковые оболочки разных размеров, можно легко синтезировать НЧ разных размеров для химических, физических и биомедицинских применений. [6] [59]
Были произведены экспериментальные вакцины против COVID-19, которые отображают рецептор-связывающий домен шиповидного белка на поверхности наночастиц ферритина. [60]
Первичная последовательность человеческого ферритина — MTTASTSQVR QNYHQDSEAA INRQINLELY ASYVYLSMSY YFDRDDVALK NFAKYFLHQS HEEREHAEKL MKLQNQRGGR IFLQDIKKPD CDDWESGLNA MECALHLEKN VNQSLEFPS PISPSPSCWH HYTTNRPQPQ HHLLRRRRK RPHSIPTPIL IFRSP. [61]
Анализ MolProbity Ramachandran.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )