Введение
Белки млекопитающих, обнаруженные у человека (Homo sapiens). Лактоферрин (LF), также известный как лактотрансферрин (LTF), – многофункциональный белок семейства трансферринов. Лактоферрин представляет собой глобулярный гликопротеин с молекулярной массой около 80 кДа, широко представленный в различных секреторных жидкостях, таких как молоко, слюна, слезы и выделения из носовой полости. Лактоферрин также содержится во вторичных гранулах полиморфноядерных лейкоцитов (ПМН) и секретируется некоторыми ацинарными клетками. Лактоферрин можно выделять из молока или получать рекомбинантным путем. Наивысшая концентрация лактоферрина наблюдается в молозиве человека ("первом молоке"), далее – в грудном молоке человека, затем – в коровьем молоке (150 мг/л). Он постоянно продуцируется и выделяется в слюну, слезы, а также в семенную и вагинальную жидкость. Лактоферрин обеспечивает антибактериальную защиту младенцам. Лактоферрин взаимодействует с ДНК и РНК, полисахаридами и гепарином и проявляет некоторые из своих биологических функций в комплексах с этими лигандами. Прием добавок лактоферрина снижает риск инфекций дыхательных путей, согласно недавнему метаанализу рандомизированных контролируемых исследований. Как и в случае с любыми другими добавками, продаваемыми онлайн, качество может быть проблемой, поскольку контроль качества производства пищевых добавок не подвергается такому же строгому регулированию, как производство лекарственных средств.
Lactoferrin (LF), also known as lactotransferrin (LTF), is a multifunctional protein of the transferrin family. Lactoferrin is a globular glycoprotein with a molecular mass of about 80 kDa that is widely represented in various secretory fluids, such as milk, saliva, tears, and nasal secretions. Lactoferrin is also present in secondary granules of PMNs and is secreted by some acinar cells. Lactoferrin can be purified from milk or produced recombinantly. Human colostrum ("first milk") has the highest concentration, followed by human milk, then cow milk (150 mg/L). It is constantly produced and released into saliva, tears, as well as seminal and vaginal fluid. Lactoferrin provides antibacterial activity to human infants. Lactoferrin interacts with DNA and RNA, polysaccharides and heparin, and shows some of its biological functions in complexes with these ligands. Lactoferrin supplements reduce the risk of respiratory tract infections, based on a recent meta analysis of randomized controlled trials. As with any supplements sold online, quality may be an issue because nutritional supplement production quality controls are not subject to the same strict regulatory process as medicines.
История
Об обнаружении содержащего железо красного белка в коровьем молоке сообщалось уже в 1939 году; однако этот белок не удавалось должным образом охарактеризовать из-за невозможности его выделения в достаточной чистоте. Первые подробные исследования были опубликованы примерно в 1960 году. В них были задокументированы молекулярная масса, изоэлектрическая точка, спектры оптического поглощения и наличие двух атомов железа на одну молекулу белка.
Гены лактоферрина
По крайней мере 60 последовательностей генов лактоферрина были охарактеризованы у 11 видов млекопитающих. У большинства видов стоп-кодон – TAA, а у Mus musculus – TGA. Делеции, вставки и мутации стоп-кодонов влияют на кодирующую область, длина которой варьируется от 2055 до 2190 пар нуклеотидов. Генетический полиморфизм между видами значительно более разнообразен, чем внутривидовой полиморфизм лактоферрина. Наблюдаются различия в аминокислотных последовательностях: 8 у Homo sapiens, 6 у Mus musculus, 6 у Capra hircus, 10 у Bos taurus и 20 у Sus scrofa. Эта вариация может свидетельствовать о функциональных различиях между различными типами лактоферрина. Изучение полиморфизма генов, кодирующих лактоферрин, способствует отбору пород скота, устойчивых к маститу.
Молекулярная структура
Лактоферрин является одним из белков трансферрина, который транспортирует железо в клетки и контролирует уровень свободного железа в крови и внешних секретах. Он присутствует в молоке человека и других млекопитающих, в плазме крови и нейтрофилах, и является одним из основных белков практически всех экзокриновых секретов млекопитающих, таких как слюна, желчь, слезы и поджелудочная железа. Концентрация лактоферрина в молоке варьируется от 7 г/л в молозиве до 1 г/л в зрелом молоке. Рентгенодифракционный анализ показывает, что лактоферрин состоит из одной полипептидной цепи, содержащей около 700 аминокислот, и формирует два гомологичных глобулярных домена, называемых N- и C-долями. N-доля соответствует аминокислотным остаткам 1–333, а C-доля – 345–692, концы этих доменов соединены короткой α-спиралью. Каждая доля состоит из двух субдоменов, N1, N2 и C1, C2, и содержит один сайт связывания железа и один сайт гликозилирования. Степень гликозилирования белка может варьироваться, поэтому молекулярная масса лактоферрина колеблется от 76 до 80 кДа. Стабильность лактоферрина связана с высокой степенью гликозилирования. Лактоферрин относится к основным белкам, его изоэлектрическая точка равна 8.7. Он существует в двух формах: железосодержащий гололактоферрин и свободный от железа аполактоферрин. Их третичные структуры различны: аполактоферрин характеризуется «открытой» конформацией N-доли и «закрытой» конформацией C-доли, в то время как обе доли закрыты в гололактоферрине. Каждая молекула лактоферрина может обратимо связывать два иона железа, цинка, меди или других металлов. Сайты связывания локализованы в каждой из двух белковых глобул. Там каждый ион связан с шестью лигандами: четырьмя из полипептидной цепи (двумя остатками тирозина, одним остатком гистидина и одним остатком аспарагиновой кислоты) и двумя из карбонатных или бикарбонатных ионов. Лактоферрин образует красноватый комплекс с железом, его аффинность к железу в 300 раз выше, чем у трансферрина. Аффинность увеличивается в слабокислой среде. Это облегчает перенос железа из трансферрина в лактоферрин во время воспаления, когда pH тканей снижается из-за накопления молочной и других кислот. Концентрация насыщенного железа в лактоферрине в грудном молоке оценивается в 10–30% (100% соответствует всем молекулам лактоферрина, содержащим 2 атома железа). Показано, что лактоферрин участвует не только в транспорте железа, цинка и меди, но и в регуляции их усвоения. Присутствие свободных ионов цинка и меди не влияет на способность лактоферрина связывать железо и может даже усиливать ее.
Полимерные формы
Как в плазме крови, так и в секреторных жидкостях лактоферрин может существовать в различных полимерных формах, от мономеров до тетрамеров. Лактоферрин склонен к полимеризации как in vitro, так и in vivo, особенно при высоких концентрациях. Предполагается, что олигомерное состояние лактоферрина определяется его концентрацией, а на полимеризацию лактоферрина оказывает сильное влияние присутствие ионов Ca2+. В частности, мономеры преобладали при концентрациях ниже 10⁻¹⁰–10⁻¹¹ М в присутствии Ca2+, но превращались в тетрамеры при концентрациях лактоферрина выше 10⁻⁹–10⁻¹⁰ М. Концентрация лактоферрина в крови соответствует этой специфической "концентрации перехода", и, следовательно, лактоферрин в крови должен присутствовать как в форме мономера, так и тетрамера. Многие функциональные свойства лактоферрина зависят от его олигомерного состояния. В частности, мономерный, но не тетрамерный лактоферрин способен сильно связываться с ДНК.
Функция
Лактоферрин относится к системе врожденного иммунитета. Помимо своей основной биологической функции – связывания и транспорта ионов железа, лактоферрин также обладает антибактериальными, противовирусными, противопаразитарными, каталитическими, противораковыми и противоаллергическими свойствами и функциями.
Энзиматическая активность лактоферрина
Лактоферрин гидролизует РНК и проявляет свойства пиримидин-специфических секреторных рибонуклеаз. В частности, разрушая РНК-геном, молочная РН-аза ингибирует обратную транскрипцию ретровирусов, вызывающих рак молочной железы у мышей. У женщин из числа парсов в Западной Индии уровень РН-азы в молоке значительно ниже, чем в других группах, а заболеваемость раком молочной железы у них в три раза выше среднего. Таким образом, рибонуклеазы молока, и лактоферрин в частности, могут играть важную роль в патогенезе.
Рецептор лактоферрина
Рецептор лактоферрина играет важную роль в интернализации лактоферрина, а также облегчает поглощение ионов железа лактоферрином. Показано, что экспрессия гена увеличивается с возрастом в двенадцатиперстной кишке и снижается в тощей кишке. Гликолитический фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (GAPDH) был продемонстрирован как рецептор для лактоферрина.
Активность костей
Для изучения влияния лактоферрина на кости использовался лактоферрин, обогащенный рибонуклеазой. Показано, что лактоферрин оказывает положительное влияние на костный обмен. Он способствовал снижению резорбции кости и увеличению ее формирования. Это было подтверждено снижением уровней двух маркеров резорбции кости (дезоксипиридинолина и N-телопептида) и повышением уровней двух маркеров формирования кости (остеокальцина и щелочной фосфатазы). Он снизил образование остеокластов, что свидетельствует об уменьшении провоспалительных реакций и увеличении противовоспалительных реакций, что также указывает на снижение резорбции кости.
Взаимодействие с нуклеиновыми кислотами
Одним из важных свойств лактоферрина является его способность связываться с нуклеиновыми кислотами. Фракция белка, выделенная из молока, содержит 3,3% РНК.
Антибактериальная активность
Основная роль лактоферрина заключается в связывании свободного железа, тем самым лишая бактерии необходимого субстрата для роста. Антибактериальное действие лактоферрина также объясняется наличием специфических рецепторов на поверхности клеток микроорганизмов. Лактоферрин связывается с липополисахаридом бактериальных стенок, а окисленная железосодержащая часть лактоферрина окисляет бактерии, образуя пероксиды. Это влияет на проницаемость мембраны и приводит к разрушению клеток (лизису). Описанное выше взаимодействие с внешней бактериальной мембраной является наиболее значимым и хорошо изученным. Лактоферрин не только нарушает целостность мембраны, но и проникает внутрь клетки. Его связывание с бактериальной стенкой связано со специфическим пептидом лактоферрицином, который расположен в N-доле лактоферрина и образуется при in vitro расщеплении лактоферрина трипсином. Механизм антимикробного действия лактоферрина заключается в его воздействии на H+ АТФазу и нарушении транспорта протонов через клеточную мембрану, что приводит к летальному эффекту in vitro. Лактоферрин предотвращает прикрепление H. pylori к стенке желудка, что, в свою очередь, способствует уменьшению расстройств пищеварения. Лактоферрин, полученный из коровьего молока, обладает большей активностью против H. pylori, чем лактоферрин человека.
Антивирусная активность
Лактоферрин в достаточной концентрации оказывает воздействие на широкий спектр ДНК- и РНК-содержащих вирусов, поражающих человека и животных, включая вирус простого герпеса 1 и 2 типа, цитомегаловирус, ВИЧ, вирус гепатита C, хантавирусы, ротавирусы, полиовирус 1 типа, респираторно-синцитиальный вирус человека и вирусы мышиной лейкемии. Активность против COVID-19 предполагается, но не доказана. Наиболее изученным механизмом противовирусного действия лактоферрина является перенаправление вирусных частиц от клеток-мишеней. Многие вирусы склонны связываться с липопротеинами клеточных мембран и затем проникать внутрь клетки.
Противогрибковая активность
Лактоферрин и лактоферрицин подавляют рост Trichophyton mentagrophytes in vitro, которые вызывают ряд кожных заболеваний, таких как стригущий лишай. Лактоферрин также эффективен против Candida albicans – диплоидного гриба (формы дрожжей), вызывающего оппортунистические инфекции полости рта и гениталий у людей. Флуконазол длительное время применялся для борьбы с Candida albicans, что привело к возникновению штаммов, устойчивых к этому препарату. Однако комбинация лактоферрина с флуконазолом способна воздействовать на штаммы Candida albicans, устойчивые к флуконазолу, а также на другие виды Candida: C. glabrata, C. krusei, C. parapsilosis и C. tropicalis. Пероральное введение лактоферрина животным также уменьшало количество патогенных микроорганизмов в тканях, расположенных вблизи желудочно-кишечного тракта. Смесь, содержащая лактоферрин, лизоцим и итраконазол, позволила полностью устранить Candida albicans у ВИЧ-инфицированных пациентов, резистентных к другим противогрибковым препаратам. Такая противогрибковая активность, проявляющаяся при неэффективности других лекарственных средств, является характерной для лактоферрина и особенно важна для пациентов, инфицированных ВИЧ. В отличие от противовирусного и антибактериального действия лактоферрина, механизм его противогрибкового действия изучен недостаточно. По-видимому, лактоферрин связывается с плазматической мембраной C. albicans, индуцируя процесс, подобный апоптозу.
Антиканцерогенная активность
Противораковая активность говяжьего лактоферрина (bLF) была продемонстрирована в экспериментальных моделях канцерогенеза легких, мочевого пузыря, языка, толстой кишки и печени у крыс, предположительно за счет подавления ферментов I фазы, таких как цитохром P450 1A2 (CYP1A2). Кроме того, в другом эксперименте на хомяках говяжий лактоферрин снизил частоту возникновения рака полости рта на 50%.
Кистозный фиброз
Лёгкие и слюна человека содержат широкий спектр антимикробных соединений, включая систему лактопероксидазы, производящую гипотиоцианат и лактоферрин, при этом гипотиоцианат отсутствует у пациентов с муковисцидозом. Лактоферрин, компонент врожденного иммунитета, предотвращает развитие бактериальных биопленок. У пациентов с муковисцидозом наблюдается потеря микробицидной активности и усиленное образование биопленок из-за снижения активности лактоферрина. У пациентов с кистозным фиброзом чувствительность к антибиотикам может изменяться под воздействием лактоферрина. Эти данные демонстрируют важную роль лактоферрина в защитных механизмах организма человека, особенно в лёгких. Лактоферрин в сочетании с гипотиоцианатом получил статус лекарственного средства-сироты от EMEA и FDA.
Некротизирующий энтероколит
Низкокачественные доказательства позволяют предположить, что пероральный прием лактоферрина, отдельно или в сочетании с пробиотиком, может снизить риск позднего развития сепсиса и некротизирующего энтероколита (II или III стадии) у недоношенных детей, не вызывая каких-либо нежелательных эффектов.
В диагностике
Уровни лактоферрина в слезной жидкости снижаются при заболеваниях сухого глаза, таких как синдром Шегрена. Разработан быстрый портативный тест с использованием микрофлюидной технологии, позволяющий измерять уровни лактоферрина в слезной жидкости человека непосредственно у постели больного для улучшения диагностики синдрома Шегрена и других форм сухого глаза.
Экстракция
Лактоферрин крупного рогатого скота можно выделить из цельного молока, молозива или сыворотки с помощью таких методов, как солевая экстракция, хроматография и мембранная фильтрация. Лактоферрин различных видов, включая человека, также может быть произведен с использованием трансгенных организмов в виде рекомбинантного белка.
Нанотехнологии
Лактотрансферрин был использован в синтезе флуоресцентных квантовых кластеров золота, что открывает возможности для применения в нанотехнологиях.