Ферритин — универсальный внутриклеточный и внеклеточный белок , который хранит железо и высвобождает его контролируемым образом. Этот белок вырабатывается практически всеми живыми организмами, включая археи, бактерии, водоросли, высшие растения и животных. Это основной внутриклеточный белок хранения железа как у прокариот , так и у эукариот , сохраняющий железо в растворимой и нетоксичной форме. У людей он действует как буфер против дефицита железа и переизбытка железа . [3]
Ферритин находится в большинстве тканей как цитозольный белок, но небольшие количества секретируются в сыворотку , где он функционирует как переносчик железа. Плазменный ферритин также является косвенным маркером общего количества железа, хранящегося в организме; следовательно, сывороточный ферритин используется в качестве диагностического теста на железодефицитную анемию и перегрузку железом . [4] Агрегированный ферритин превращается в нерастворимую в воде, кристаллическую и аморфную форму хранения железа, называемую гемосидерином . [5]
Ферритин представляет собой глобулярный белковый комплекс, состоящий из 24 белковых субъединиц, образующих полую сферическую наноклетку с множественными взаимодействиями металл-белок. [6] Ферритин с удаленным железом называется апоферритином . [7] : e10
Гены ферритина высококонсервативны между видами. Все гены ферритина позвоночных имеют три интрона и четыре экзона . [8] В ферритине человека интроны присутствуют между аминокислотными остатками 14 и 15, 34 и 35, и 82 и 83; кроме того, на обоих концах объединенных экзонов имеется от одной до двухсот нетранслируемых оснований . [9] Считается, что остаток тирозина в аминокислотной позиции 27 связан с биоминерализацией . [10]
Ферритин — это полый глобулярный белок массой 474 кДа , состоящий из 24 субъединиц. Обычно он имеет внутренний и внешний диаметры около 8 и 12 нм соответственно. [11] Природа этих субъединиц различается в зависимости от класса организма:
Все вышеупомянутые ферритины схожи по своей первичной последовательности с H-типом позвоночных. [12] У E. coli наблюдается 20% сходство с H-ферритином человека. [12] Некоторые комплексы ферритина у позвоночных представляют собой гетероолигомеры двух высокородственных генных продуктов с несколько различающимися физиологическими свойствами. Соотношение двух гомологичных белков в комплексе зависит от относительных уровней экспрессии двух генов.
Цитозольная ферритиновая оболочка (апоферритин) представляет собой гетерополимер из 24 субъединиц тяжелых (H) и легких (L) пептидов, которые образуют полую сферическую наноклетку, которая покрывает железное ядро, состоящее из кристаллитов вместе с фосфатными и гидроксидными ионами. Полученная частица похожа на ферригидрит ( 5Fe2O3 · 9H2O ). Каждый ферритиновый комплекс может хранить около 4500 ионов железа (Fe3 + ). [9] [12] Соотношение субъединиц H к L различается в ферритине из разных тканей, что объясняет его гетерогенность при изоэлектрическом фокусировании. Ферритины, богатые L (из селезенки и печени), являются более основными, чем ферритины, богатые H (из сердца и эритроцитов).
Сывороточный ферритин , который обычно беден железом, состоит почти исключительно из L-субъединиц. Сывороточный ферритин неоднороден из-за гликозилирования. Гликозилирование и прямая связь концентрации сывороточного ферритина с запасами железа в макрофагах предполагают, что он секретируется макрофагами в ответ на изменение уровня железа.
Было обнаружено, что человеческий митохондриальный ферритин , MtF, экспрессируется как пропротеин . [ 14] Когда митохондрия поглощает его, она перерабатывает его в зрелый белок, похожий на ферритины, обнаруженные в цитоплазме , которые она собирает для формирования функциональных ферритиновых оболочек. В отличие от других человеческих ферритинов, он является гомополимером ферритина типа H и, по-видимому, не имеет интронов (безинтронный) в своем генетическом коде. График Рамачандрана митохондриального ферритина [15] показывает, что его структура в основном альфа-спиральная с низкой распространенностью бета-слоев . Он накапливается в больших количествах в эритробластах субъектов с нарушенным синтезом гема.
Ферритин присутствует в каждом типе клеток. [9] Он служит для хранения железа в нетоксичной форме, для его депонирования в безопасной форме и для транспортировки в области, где оно требуется. [16] Функция и структура экспрессируемого белка ферритина различаются в разных типах клеток. Это контролируется в первую очередь количеством и стабильностью информационной РНК (мРНК), но также изменениями в том, как хранится мРНК и насколько эффективно она транскрибируется. [9] Одним из основных триггеров для выработки многих ферритинов является простое присутствие железа; [9] исключением является желточный ферритин Lymnaea sp. , в котором отсутствует единица, реагирующая на железо. [12]
Свободное железо токсично для клеток , поскольку оно действует как катализатор в образовании свободных радикалов из активных форм кислорода через реакцию Фентона . [17] Следовательно, позвоночные имеют сложный набор защитных механизмов для связывания железа в различных тканевых компартментах [ обсудить ] . Внутри клеток железо хранится в белковом комплексе в виде ферритина или связанного с ним сложного гемосидерина . Апоферритин связывается со свободным двухвалентным железом и сохраняет его в трехвалентном состоянии. По мере того, как ферритин накапливается в клетках ретикулоэндотелиальной системы , белковые агрегаты образуются в виде гемосидерина . Железо в ферритине или гемосидерине может быть извлечено для высвобождения клетками RE, хотя гемосидерин менее доступен. В условиях устойчивого состояния 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. [ необходима цитата ]
Поскольку железо является важным минералом в минерализации, ферритин используется в раковинах организмов, таких как моллюски, для контроля концентрации и распределения железа, тем самым формируя морфологию и окраску раковины. [ 18] [19] Он также играет роль в гемолимфе полиплакофоры , где он служит для быстрой транспортировки железа в минерализующую радулу . [20]
Железо высвобождается из ферритина для использования в процессе деградации ферритина, которая осуществляется в основном лизосомами . [21]
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 M была зарегистрирована только у лягушек-быков. У бактерий и архей ферритин состоит из одного типа субъединиц. [22] Субъединицы H и M эукариотического ферритина и все субъединицы бактериального и архейного ферритина являются субъединицами H-типа и обладают ферроксидазной активностью, что означает, что они способны преобразовывать железо из двухвалентного (Fe 2+ ) в трехвалентное (Fe 3+ ) формы. Это ограничивает пагубную реакцию, которая происходит между двухвалентным железом и перекисью водорода, известную как реакция Фентона , которая производит крайне разрушительный гидроксильный радикал . Ферроксидазная активность происходит в участке связывания дижелеза в середине каждой субъединицы H-типа. [22] [23] После окисления Fe(II) продукт Fe(III) остается метастабильно в центре ферроксидазы и вытесняется Fe(II), [23] [24] механизм, который, по-видимому, является общим для ферритинов всех трех доменов жизни. [22] Легкая цепь ферритина не обладает ферроксидазной активностью, но может отвечать за перенос электронов через белковую клетку. [25]
Концентрация ферритина резко возрастает при наличии инфекции или рака. Эндотоксины являются повышающим регулятором гена, кодирующего ферритин, тем самым вызывая повышение концентрации ферритина. Напротив, такие организмы, как Pseudomonas , хотя и обладают эндотоксином, вызывают значительное падение уровня ферритина в плазме в течение первых 48 часов после заражения. Таким образом, запасы железа инфицированного организма перестают поступать в организм возбудителя инфекции, что затрудняет его метаболизм. [26]
Было показано, что концентрация ферритина увеличивается в ответ на стрессы, такие как аноксия , [27] , что подразумевает, что он является белком острой фазы . [28]
Митохондриальный ферритин имеет много ролей, относящихся к молекулярной функции. Он участвует в ферроксидазной активности, связывании, связывании ионов железа, оксидоредуктазной активности, связывании трехвалентного железа, связывании ионов металлов, а также связывании переходных металлов. В сфере биологических процессов он участвует в окислении-восстановлении, транспорте ионов железа через мембраны и гомеостазе ионов железа в клетках. [ необходима цитата ]
У некоторых улиток белковый компонент яичного желтка в первую очередь ферритин. [29] Это другой ферритин, с другой генетической последовательностью, нежели соматический ферритин. Он вырабатывается в железах средней кишки и секретируется в гемолимфу, откуда он транспортируется в яйца. [29]
У позвоночных ферритин обычно находится внутри клеток, хотя в меньших количествах он также присутствует в плазме. [26]
Уровень ферритина в сыворотке измеряется в медицинских лабораториях в рамках исследований железа при железодефицитной анемии . [6] Он измеряется в нанограммах на миллилитр (нг/мл) или микрограммах на литр (мкг/л); эти две единицы эквивалентны.
Измеренные уровни ферритина обычно имеют прямую корреляцию с общим количеством железа, хранящегося в организме. Однако уровни ферритина могут быть искусственно завышены в случаях анемии хронического заболевания , когда ферритин повышается в качестве белка острой фазы воспаления , а не маркера перегрузки железом. [ необходима цитата ]
Нормальный уровень ферритина в крови, называемый референтным интервалом , определяется многими испытательными лабораториями . Диапазоны для ферритина могут различаться между лабораториями, но типичные диапазоны будут между 40 и 300 нг/мл (=мкг/л) для мужчин и 20–200 нг/мл (=мкг/л) для женщин. [30]
Согласно обзору 2014 года в New England Journal of Medicine , уровень ферритина ниже 30 нг/мл указывает на дефицит железа , тогда как уровень ниже 10 нг/мл указывает на железодефицитную анемию. [30] В руководстве Всемирной организации здравоохранения 2020 года говорится, что уровень ферритина ниже 12 нг/мл указывает на дефицит железа у внешне здоровых детей в возрасте до 5 лет и 15 нг/мл у внешне здоровых людей в возрасте 5 лет и старше. [31]
Некоторые исследования показывают, что у женщин с утомляемостью и уровнем ферритина ниже 50 нг/мл наблюдается снижение утомляемости после приема добавок железа. [32] [33]
При анемии низкий уровень ферритина в сыворотке является наиболее специфичным лабораторным признаком железодефицитной анемии . [34] Однако он менее чувствителен, поскольку его уровень в крови повышается из-за инфекции или любого типа хронического воспаления, [35] и эти состояния могут преобразовать то, что в противном случае было бы низким уровнем ферритина из-за недостатка железа, в значение в нормальном диапазоне. По этой причине низкие уровни ферритина несут больше информации, чем те, что в нормальном диапазоне. Ложно низкий уровень ферритина в крови (эквивалент ложноположительного теста) встречается очень редко, [35] но может быть результатом эффекта крючка измерительных инструментов в крайних случаях. [36]
Низкий уровень ферритина может также указывать на гипотиреоз , [37] дефицит витамина С или целиакию . [ необходима ссылка ]
У некоторых пациентов с синдромом беспокойных ног наблюдается низкий уровень ферритина в сыворотке крови , что не обязательно связано с анемией, но, возможно, обусловлено низкими запасами железа, не приводящими к анемии. [38] [39]
Вегетарианство не является причиной низкого уровня ферритина в сыворотке крови, согласно позиции Американской диетической ассоциации в 2009 году: «Распространенность железодефицитной анемии среди вегетарианцев аналогична таковой среди невегетарианцев. Хотя у взрослых вегетарианцев запасы железа ниже, чем у невегетарианцев, уровень ферритина в их сыворотке крови обычно находится в пределах нормы». [40]
Если ферритин высокий, то железа в избытке или же имеет место острая воспалительная реакция, при которой ферритин мобилизуется без избытка железа. Например, ферритин может быть высоким при инфекции, не сигнализируя о перегрузке организма железом.
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 являются заболеваниями, при которых уровень ферритина может быть аномально повышен.
Поскольку ферритин также является реагентом острой фазы , он часто повышается в ходе заболевания . Нормальный С-реактивный белок может быть использован для исключения повышенного ферритина, вызванного реакциями острой фазы. [ необходима цитата ]
Было показано, что ферритин повышен в некоторых случаях COVID-19 и может коррелировать с худшим клиническим исходом. [41] [42] Ферритин и ИЛ-6 считаются возможными иммунологическими биомаркерами для 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. [43] [44]
Согласно исследованию пациентов с нервной анорексией , ферритин может повышаться в периоды острого недоедания , возможно, из-за того, что железо переходит в состояние хранения в виде внутрисосудистого объема, и, таким образом, количество эритроцитов падает. [45]
Другое исследование предполагает, что из-за катаболической природы нервной анорексии изоферритины могут высвобождаться. Кроме того, ферритин играет важную роль в организме, не связанную с хранением, например, защищает от окислительного повреждения . Повышение уровня этих изоферритинов может способствовать общему повышению концентрации ферритина. Измерение ферритина с помощью иммуноферментного анализа или иммунотурбидиметрических методов также может выявлять эти изоферритины, поэтому они не являются истинным отражением состояния хранения железа. [46]
Исследования показывают, что насыщение трансферрина (концентрация сывороточного железа ÷ общая железосвязывающая способность) более 60 процентов у мужчин и более 50 процентов у женщин идентифицирует наличие аномалии в метаболизме железа ( наследственный гемохроматоз , гетерозиготы и гомозиготы) с точностью около 95 процентов. Это открытие помогает в ранней диагностике наследственного гемохроматоза, особенно когда сывороточный ферритин все еще остается низким. Сохраненное железо при наследственном гемохроматозе в основном откладывается в паренхиматозных клетках, причем накопление в ретикулоэндотелиальных клетках происходит очень поздно в ходе заболевания. Это контрастирует с перегрузкой железом при переливании, при которой отложение железа сначала происходит в ретикулоэндотелиальных клетках, а затем в паренхиматозных клетках. Это объясняет, почему уровни ферритина остаются относительно низкими при наследственном гемохроматозе, в то время как насыщение трансферрина высокое. [47] [48]
Гематологические нарушения часто связаны с хроническими заболеваниями печени. У пациентов с циррозом печени были зарегистрированы как перегрузка железом, так и железодефицитная анемия. [49] [50] Первое в основном обусловлено снижением уровня гепсидина, вызванным снижением синтетической способности печени, тогда как второе обусловлено острым и хроническим кровотечением, вызванным портальной гипертензией . Воспаление также присутствует у пациентов с прогрессирующим хроническим заболеванием печени. Как следствие, повышенные уровни печеночного и сывороточного ферритина постоянно регистрируются при хронических заболеваниях печени. [51] [52] [53]
Исследования показали связь между высоким уровнем ферритина в сыворотке и повышенным риском краткосрочной смертности у пациентов с циррозом с острой декомпенсацией [54] и острой хронической печеночной недостаточностью. [55] Другое исследование обнаружило связь между высоким уровнем ферритина в сыворотке и повышенным риском долгосрочной смертности у пациентов с компенсированным и стабильным декомпенсированным циррозом. [56] То же исследование показало, что повышенный уровень ферритина в сыворотке может предсказать развитие бактериальной инфекции у пациентов с стабильным декомпенсированным циррозом, в то время как у пациентов с компенсированным циррозом появление самого первого эпизода острой декомпенсации показало более высокую заболеваемость у пациентов с низким уровнем ферритина в сыворотке. Этот последний вывод был объяснен связью между хроническим кровотечением и повышенным портальным давлением. [56]
Ферритин был открыт в 1937 году чехословацким ученым Вилемом Лауфбергером . [57] [7] : e9 Сэм Граник и Леонор Михаэлис получили апоферритин в 1942 году [7] : e10
Ферритин используется в материаловедении в качестве прекурсора при изготовлении наночастиц железа для выращивания углеродных нанотрубок методом химического осаждения из паровой фазы .
Полости, образованные белками ферритином и мини-ферритинами ( Dps ), успешно использовались в качестве реакционной камеры для изготовления металлических наночастиц (NP). [58] [59] [60] [61] Белковые оболочки служили шаблоном для ограничения роста частиц и покрытием для предотвращения коагуляции/агрегации между NP. Используя различные размеры белковых оболочек, можно легко синтезировать NP различных размеров для химических, физических и биомедицинских применений. [6] [62]
Были созданы экспериментальные вакцины против COVID-19, которые отображают домен связывания рецептора спайкового белка на поверхности наночастиц ферритина. [63]
Первичная пептидная последовательность человеческого ферритина: [64]
MTTASTSQVR QNYHQDSEAA INRQINLELY ASYVYLSMSY YFDRDDVALK NFAKYFLHQS HEEREHAEKL MKLQNQRGGR IFLQDIKKPD CDDWESGLNA MECALHLEKN VNQSLLEFPS PISPSPSCWH HYTTNRPQPQ HHLLRPRRRK RPHSIPTPIL IFRSP.
Анализ MolProbity Ramachandran