Ferritin

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Struktura ferritinu

Ferritin je globulární vnitrobuněčný protein, který se vyskytuje téměř u všech živých organismů, včetně bakterií, řas, vyšších rostlin a živočichů. Slouží jako hlavní zásobní forma železa u eukaryot i prokaryot, jelikož železo je pro buňky samo o sobě toxické. Navíc ferritin zřejmě usnadňuje i transport železa na místo potřeby. Ferritin se nachází ve většině tkání jako jako intracelulární cytosolický protein, ale malá množství jsou vylučována do séra [1], kde funguje jako nosič železa. Plazmatický ferritin je také nepřímým ukazatelem celkového množství železa uloženého v těle, a proto se sérový ferritin využívá v diagnostice jako marker anémie způsobenou nedostatkem železa [2].

Ferritin je proteinový komplex skládající se z 24 podjednotek. Tyto podjednotky tvoří tzv. klec, uvnitř které je uloženo velké množství želených iontů. Ferritin bez železa se označuje jako apoferritin[3].

Byl objeven v roce 1934 českým akademikem Vilémem Laufbergerem. Agregací molekul ferritinu při patologických stavech vzniká hemosiderin, který má ovšem větší vaznost pro železo, které se z něj uvolňuje obtížněji.

Genetická podstata ferritinu[editovat | editovat zdroj]

Geny kódující ferritin jsou mezi druhy vysoce konzervované. U obratlovců obsahují všechny ferritinové geny čtyři exony a tři introny [4]. V lidském genomu najdeme jeden gen pro lehký řetězec – FTL, který leží na chromozomu 19 a jeden gen pro těžký řetězec – FTH1, který leží na chromozomu 11. Oba tyto geny mají několik alternativních sestřihových variant [5].

Struktura ferritinu[editovat | editovat zdroj]

Ferritin je dutý globulární protein o molekulové hmotnosti 474 kDa obsahující 24 podjednotek. Obvykle má vnitřní průměr 8 nm a vnější průměr 12 nm [5]. Povaha těchto podjednotek se liší podle třídy organismu:

  • U obratlovců jsou podjednotky dvou typů tvořené lehkými (L – light) a těžkými (H – heavy) řetězci, které mají molekulovou hmotnost 19 kDa a 21 kDa. Jejich sekvence jsou homologní (asi z 50 % identické)[5].
  • U obratlovců existuje jedna výjimka, a to jsou obojživelníci, kteří mají navíc další typ ferritinu (M – medium)[6].
  • Rostliny a bakterie mají jeden ferritin, který se nejvíce podobá typu H obratlovců[6].
  • U plžů rodu Lymnaea existují dva typy – ferritin somatických buněk a ferritin žloutku, který neobsahuje podjednotku zodpovídající za vazbu železa[6].
  • U perlorodky Pinctada fucata je další podjednotka podobná somatickému ferritinu rodu Lymnaea spojena s tvorbou lastur[7].
  • U parazita Schistosoma jsou přítomny dva typy: jeden u samců a druhý u samic[6].

Co se týče primární sekvence, jsou všechny výše popsané ferritiny podobné H-typu ferritinu obratlovců. Některé ferritinové komplexy obratlovců jsou heterooligomery dvou velmi příbuzných genových produktů s mírně odlišnými fyziologickými vlastnostmi. Poměr dvou homologních proteinů v komplexu závisí na relativních úrovních exprese těchto dvou genů[6]. V sekundární struktuře ferritinu převažuje uspořádání do specifických proteinových domén zvané čtyř helixové svazky. Uvnitř ferritinu ionty železa spolu s fosfátovými a hydroxidovými ionty tvoří krystality. Výsledná částice je podobná minerálu ferrihydritu. Každý ferritinový komplex může uložit asi 4500 trojmocných kationtů železa. Tyto ionty se dostávají do nitra ferritinu prostřednictvím dvou typů kanálů [5][6].

Funkce ferritinu[editovat | editovat zdroj]

Zásobárna železa a feroxidázová aktivita[editovat | editovat zdroj]

Ferritin je přítomen v každém typu buňky [5] a slouží k uskladnění železa v netoxické formě a transportu do míst, kde je potřeba [1]. Funkce a struktura exprimovaného ferritinu se u různých typů buněk liší. Tvorba ferritinů je řízena především množstvím a stabilitou mediátorové RNA (mRNA), ale také změnami v tom, jak je mRNA uložena a jak efektivně je transkribována[5]. Jedním z hlavních spouštěčů produkce mnoha ferritinů je pouhá přítomnost železa [5], výjimkou je žloutkový ferritin plžů rodu Lymnaea sp., který postrádá jednotku reagující na železo[6].

V buňkách je železo uloženo v proteinovém komplexu jako je ferritin nebo ferritinových agregátech zvaných hemosideriny. K internalizaci ferritinu z plazmy do cílových buněk, kde je železo potřeba, jsou využívány povrchové transferinové receptory, které mají afinitu k H-podjednotce ferritinu. Ferritin je následně inkorporován do endozomu a poté do lysozomu, kde dochází k degradaci ferritinu a uvolnění železa[8].

Volné železo je pro buňky toxické, protože působí jako katalyzátor při tvorbě volných radikálů z reaktivních forem kyslíku prostřednictvím Fentonovy reakce[9]. Obratlovci mají proto propracovaný soubor ochranných mechanismů k vázání železa v různých tkáňových kompartmentech.

Jak již bylo řečeno, ferritin obratlovců se skládá ze dvou nebo tří podjednotek, které jsou pojmenovány na základě jejich molekulové hmotnosti: podjednotky L , H a M. U bakterií a archeí se feritin skládá z jednoho typu podjednotky. H a M podjednotky eukaryotického feritinu a všechny podjednotky bakteriálního a archeálního feritinu mají feroxidázovou aktivitu, což je oxidace železa z železnaté formy (Fe2+) na železitou formu (Fe3+). Díky tomu nedochází k tvorbě hydroxylových radikálů prostřednictvím Fentonovy reakce (reakce mezi železem (Fe2+) a peroxidem vodíku)[10].

Imunitní a stresová odpověď[editovat | editovat zdroj]

Koncentrace ferritinu se drasticky zvyšují v přítomnosti infekce nebo rakoviny. Bylo zjištěno, že endotoxiny fungují jako pozitivní regulátory genu kódujícího ferritin, což vede ke zvýšení exprese tohoto proteinu. Podobně se zvyšuje koncentrace ferritinu v reakci na stres, jako je anoxie (nedostatek kyslíku ve tkáních)[11][12].

Využití ferritinu[editovat | editovat zdroj]

Diagnostika[editovat | editovat zdroj]

Obsah ferritinu v séru se využívá jako biochemický marker anémie z nedostatku železa. Naměřené hladiny ferritinu obvykle přímo korelují s celkovým množstvím železa v těle. I přesto, že je ferritin nejspecifičtější ukazatel [13], je méně citlivý, protože jeho hladiny se v krvi zvyšují i s infekcí nebo jakýmkoliv typem chronického zánětu[14].

Normální hladina ferritinu v krvi (označovaná jako referenční interval) se liší u mužů, žen a dětí.

Normální hladiny ferritinu v krvi:

Muži 18-270 ng/ml
Ženy 30-160 ng/ml
Děti 50-140 ng/ml
Kojenci 50-200 ng/ml
Novorozenci 25-200 ng/ml

Nedostatek železa (pod 50 ng/ml), a tím pádem nízká hladina ferritinů, může naznačovat nejen anémii, ale také například hypoterózu, nedostatek vitamínu C nebo celiakii. I nadbytek feritinu se může využít jako marker poruch způsobených nadbytkem železa, jako je hemochromatóza nebo hemosideróza. I u dalších onemocnění jsou vyšší hladiny feritinu časté, jedná se například o Stillovu nemoc či hemofagocytární lymfohistiocytóza[15].

Bylo prokázáno, že v některých případech onemocnění COVID-19 byly hladiny ferritinu zvýšené a mohou korelovat s horším průběhem onemocnění. Ferritin společně s interleukinem 6 jsou považovány za možné imunologické biomarkery vážných případů COVID-19. Ferritin může být ten použit (společně s C-reaktivním proteinem, CRP) pro včasnou diagnostiku systémové zánětové odpovědi organismu v případech onemocnění COVID-19[16].

Cílená distribuce léčiv[editovat | editovat zdroj]

V posledních letech se upírá pozornost na využití ferritinů pro cílený transport léčiv, především díky jejich biokompatibilitě, možnosti jejich efektivní disociace a reasociace a modifikaci povrchu[17]. Při fyziologickém pH si ferritin zachovává svou nativní strukturu, avšak v kyselých či zásaditých roztocích se jeho struktura rozkládá a po návratu do neutrálního roztoku se komplex spontánně znovu sestavuje. Tohoto procesu lze využít k inkorporaci léčiv obsahující kovy, jako je například protinárodové léčivo cisplatina, která je enkapsulována ferritinem díky jeho přirozené tendenci vázat kovy. Začlenění léčiv neobsahujících kovy do ferritinu je náročné kvůli omezeným interakcím mezi nimi a ferritinovým obalem a difúzi těchto molekul skrz povrchové póry. Kombinací naplnění ferritinu léčivem a povrchové modifikace s peptidovými epitopy a značkami může být ferritin specificky zacílen na konkrétní typy buněk a nádory pro efektivní transport daných léčiv[18]. I přesto, že syntéza takovýchto nanonosičů je náročná a zatím ekonomicky nevýhodná, mají tyto nanosystémy tam, kde jsou potřeba vysoce specifické systémy pro zacílení nádorů, velký potenciál[19].

Ferritinové nanočásticové vakcíny[editovat | editovat zdroj]

Vysoce symetrické a samosestavující ferritinové nanoklece představuje atraktivní cíl pro vývoj vakcín. Příkladem může být experimentální vakcína proti chřipce, kdy byl zfúzován hemaglutinin (HA) viru chřipky na povrch ferritinu z Helicobacter pyroli. Imunizace myší nanočásticovou vakcínou HA-ferritin vyvolala produkci protilátek proti různým variantám HA a prokázala zvýšenou účinnost ve srovnání s komerčně dostupnou vakcínou proti chřipce[20].

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. a b FINCH, Clement A., Sunday Stray, Helmut A. Huebers, Vittorio Bellotti, David A. Lipschitz, James D. Cook, Martin J. Pippard. Plasma Ferritin Determination as a Diagnostic Tool. Western Journal of Medicine. 1986-11, s. 657-663. ISSN 0093-0415. (anglicky) 
  2. WANG, Wei; KNOVICH, Mary Ann; COFFMAN, Lan G. Serum ferritin: Past, present and future. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects. 2010-08, roč. 1800, čís. 8, s. 760–769. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0304-4165. DOI 10.1016/j.bbagen.2010.03.011. 
  3. THEIL, Elizabeth C. Ferritin protein nanocages—the story. Nanotechnology Perceptions. 2012-03-30, roč. 8, čís. 1, s. 7–16. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 1660-6795. DOI 10.4024/n03th12a.ntp.08.01. 
  4. TORTI, Frank M.; TORTI, Suzy V. Regulation of ferritin genes and protein. Blood. 2002-05-15, roč. 99, čís. 10, s. 3505–3516. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 1528-0020. DOI 10.1182/blood.v99.10.3505. 
  5. a b c d e f g THEIL, Elizabeth C. FERRITIN: STRUCTURE, GENE REGULATION, AND CELLULAR FUNCTION IN ANIMALS, PLANTS, AND MICROORGANISMS. Annual Review of Biochemistry. 1987-06, roč. 56, čís. 1, s. 289–315. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0066-4154. DOI 10.1146/annurev.bi.56.070187.001445. 
  6. a b c d e f g ANDREWS, Simon C.; HARRISON, Pauline M.; YEWDALL, Stephen J. Structure, function, and evolution of ferritins. Journal of Inorganic Biochemistry. 1992-08, roč. 47, čís. 1, s. 161–174. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0162-0134. DOI 10.1016/0162-0134(92)84062-r. 
  7. ZHANG, Yong; MENG, Qingxiong; JIANG, Tiemin. A novel ferritin subunit involved in shell formation from the pearl oyster (Pinctada fucata). Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology. 2003-05, roč. 135, čís. 1, s. 43–54. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 1096-4959. DOI 10.1016/s1096-4959(03)00050-2. 
  8. LI, Li; FANG, Celia J.; RYAN, James C. Binding and uptake of H-ferritin are mediated by human transferrin receptor-1. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2010-02-04, roč. 107, čís. 8, s. 3505–3510. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0027-8424. DOI 10.1073/pnas.0913192107. 
  9. ORINO, Kouichi; LEHMAN, Lori; TSUJI, Yoshiaki. Ferritin and the response to oxidative stress. Biochemical Journal. 2001-06-25, roč. 357, čís. 1, s. 241–247. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0264-6021. DOI 10.1042/bj3570241. 
  10. HONARMAND EBRAHIMI, Kourosh; BILL, Eckhard; HAGEDOORN, Peter-Leon. The catalytic center of ferritin regulates iron storage via Fe(II)-Fe(III) displacement. Nature Chemical Biology. 2012-09-23, roč. 8, čís. 11, s. 941–948. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 1552-4450. DOI 10.1038/nchembio.1071. 
  11. ONG, Derrick Sek Tong; LIHUI WANG; YONG ZHU. The response of ferritin to LPS and acute phase of Pseudomonas infection. Journal of Endotoxin Research. 2005-10, roč. 11, čís. 5, s. 267–280. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0968-0519. DOI 10.1177/09680519050110050301. 
  12. LARADE, Kevin; STOREY, Kenneth B. Accumulation and translation of ferritin heavy chain transcripts following anoxia exposure in a marine invertebrate. Journal of Experimental Biology. 2004-03-15, roč. 207, čís. 8, s. 1353–1360. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 1477-9145. DOI 10.1242/jeb.00872. 
  13. GUYATT, Gordon H.; PATTERSON, Christopher; ALI, Mahmoud. Diagnosis of iron-deficiency anemia in the elderly. The American Journal of Medicine. 1990-03, roč. 88, čís. 3, s. 205–209. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0002-9343. DOI 10.1016/0002-9343(90)90143-2. 
  14. FIRKIN, Frank. Diagnostic Tests: Interpretation of biochemical tests for iron deficiency: diagnostic difficulties related to limitations of individual tests. Australian Prescriber. 1997-07-01, roč. 20, čís. 3, s. 74–76. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0312-8008. DOI 10.18773/austprescr.1997.063. 
  15. SECKBACK, Joseph. Ferreting out the secrets of plant ferritin ‐ A review. Journal of Plant Nutrition. 1982-01, roč. 5, čís. 4–7, s. 369–394. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0190-4167. DOI 10.1080/01904168209362966. 
  16. ALKATTAN, Abdullah; ALABDULKAREEM, Khaled; KAMEL, Amr. Correlation between Micronutrient plasma concentration and disease severity in COVID-19 patients. Alexandria Journal of Medicine. 2021-01-01, roč. 57, čís. 1, s. 21–27. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 2090-5068. DOI 10.1080/20905068.2020.1870788. 
  17. ZHEN, Zipeng; TANG, Wei; CHEN, Hongmin. RGD-Modified Apoferritin Nanoparticles for Efficient Drug Delivery to Tumors. ACS Nano. 2013-06-04, roč. 7, čís. 6, s. 4830–4837. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 1936-0851. DOI 10.1021/nn305791q. 
  18. SCHOONEN, Lise; VAN HEST, Jan C. M. Functionalization of protein-based nanocages for drug delivery applications. Nanoscale. 2014, roč. 6, čís. 13, s. 7124–7141. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 2040-3364. DOI 10.1039/c4nr00915k. 
  19. HE, Didi; MARLES-WRIGHT, Jon. Ferritin family proteins and their use in bionanotechnology. New Biotechnology. 2015-12, roč. 32, čís. 6, s. 651–657. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 1871-6784. DOI 10.1016/j.nbt.2014.12.006. 
  20. KANEKIYO, Masaru; WEI, Chih-Jen; YASSINE, Hadi M. Self-assembling influenza nanoparticle vaccines elicit broadly neutralizing H1N1 antibodies. Nature. 2013-05-22, roč. 499, čís. 7456, s. 102–106. Dostupné online [cit. 2021-11-29]. ISSN 0028-0836. DOI 10.1038/nature12202. 

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]