เฟอร์ริติน

ยีนเฟอร์ริตินในสปีชีส์ต่าง ๆ คล้ายกันมากเช่น ยีนในสัตว์มีกระดูกสันหลังล้วนแต่มี intron สามหน่วยและ exon สี่หน่วย^[5]ในมนุษย์ intron จะอยู่ระหว่าง residue ของกรดอะมิโนที่ตำแหน่ง 14 และ 15, 34 และ 35, 82 และ 83นอกจากนั้นแล้ว ยังมี untranslated bases ประมาณ 200 จุดที่ exon สองด้านรวมกันทั้งหมด^[6]ส่วน tyrosine residue ที่ตำแหน่ง 27 เชื่อว่าเกี่ยวข้องกับกระบวนการ biomineralization^[7]

เฟอร์ริตินเป็นโปรตีนกลวงรูปกลมมีมวลอะตอมที่ 450 kDa โดยมีหน่วยย่อย 24 หน่วยและอยู่ในเซลล์ทุกชนิด^[6]โดยทั่วไปแล้วจะมีขนาดผ่าศูนย์กลางภายในภายนอกที่ 8 และ 12 นาโนเมตร ตามลำดับ^[8]

ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง หน่วยย่อยจะเป็นแบบเบา (light, L, Ferritin light chain) และแบบหนัก (heavy, H, FTH1) โดยมีมวลโมเลกุลที่ 19 kDa และ 21 kDa ตามลำดับลำดับยีนของหน่วยย่อยทั้งสองมีกำเนิดโครงสร้างเดียวกัน (homologous) ประมาณ 50%^[6]ส่วนสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกมีเฟอร์ริตินเพิ่มอีกแบบที่เรียกว่าแบบ "M"^[9]ส่วนเฟอร์ริตินรูปแบบเดียวที่พืชและแบคทีเรียมีคล้ายกับแบบ H^[9]มีเฟอร์ริตินอีกสองอย่างที่พบในหอยฝาเดียว Lymnaea โดยเฟอร์รินตินที่อยู่ในตัว (somatic) และในไข่ (yolk) จะต่างกัน (ดูรายละเอียดต่อไป)^[9]มีรูปแบบอื่นอีกที่คล้ายกับที่พบในตัวของ Lymnaea ที่เกี่ยวกับการสร้างเปลือกของหอยนางรม^[10]ในปรสิตสกุล Schistosoma มีรูปแบบสองอย่างที่ต่างกันระหว่างตัวเมียและตัวผู้^[9]รูปแบบทั้งหมดที่กล่าวถึงแล้วมีลำดับหลักคล้ายกับรูปแบบ H ของสัตว์มีกระดูกสันหลัง^[9]ส่วนในแบคทีเรีย E. coli เฟอร์ริตินที่พบคล้ายกับแบบ H ของมนุษย์ที่ 20%^[9]

ในเปลือกของเฟอร์ริติน ไอออนเหล็กจะอยู่ในรูปแบบผลึก (crystallite)ซึ่งจะคล้าย ๆ กับแร่ ferrihydriteคอมเพล็กซ์เฟอร์ริตินแต่ละหน่วยจะสามารถสะสมธาตุเหล็ก (Fe³⁺) ได้ประมาณ 4,500 ไอออน^[6][9]

คอมเพล็กซ์เฟอร์ริตินบางส่วนในสัตว์มีกระดูกสันหลังเป็น hetero-oligomer ของผลิตภัณฑ์ยีนสองอย่างที่สัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดโดยมีคุณสมบัติทางสรีรภาพต่างกันเล็กน้อยอัตราโปรตีนสองอย่างนี้ที่มีโครงสร้างกำเนิดเดียวกัน (homologous) ในคอมเพล็กซ์จะขึ้นอยู่กับระดับการแสดงออกของยีนสองตัวที่ว่า

งานวิจัยปี 2544 แสดงว่าเฟอร์ริตินของไมโทคอนเดรีย (mitochondrial ferritin) เป็นสารตั้งต้นของโปรตีน (protein precursor) อย่างหนึ่ง และจัดเป็นโปรตีนที่จับกับโลหะภายในไมโทคอนเดรีย^[11]หลังจากที่โปรตีนผ่านกระบวนการของไมโทคอนเดรียไปแล้ว ก็จะสามารถสร้างเป็นเปลือกเฟอร์ริตินที่ใช้การได้โดยมีโครงสร้างขนาด 1.70 อังสตรอม วัดโดยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction) โดยมี residue 182 แห่งและ 67% ของโครงสร้างจะเป็นรูปวนก้นหอย (helical)กราฟ Ramachandran plot^[12]แสดงว่า โครงสร้างของเฟอร์ริตินไมโทคอนเดรียเป็นรูปวนก้นหอยแบบ alpha โดยมี beta sheet น้อยและไม่เหมือนกับเฟอร์ริตินของมนุษย์ประเภทอื่น ๆ ยีนของมันปรากฏกว่าไม่มีส่วน intron

การเก็บสะสมเหล็ก

เฟอร์ริตินมีหน้าที่เก็บธาตุเหล็กในรูปแบบที่ไม่เป็นพิษ และขนส่งมันไปยังที่ที่ต้องการ^[13]หน้าที่และโครงสร้างของเฟอร์ริตินจะแสดงออกต่าง ๆ กันในเซลล์ต่าง ๆซึ่งโดยหลักคุมโดยปริมาณและเสถียรภาพของเอ็มอาร์เอ็นเอ (Messenger RNA, mRNA)และความเข้มข้นของ mRNA ยังแปรไปตามวิธีการที่เก็บและประสิทธิภาพในการถอดรหัสมัน^[6]

การมีธาตุเหล็กเองเป็นตัวจุดชนวนหลักอย่างหนึ่งให้ผลิตเฟอร์ริติน^[6]โดยมีข้อยกเว้นบ้าง (เช่น เฟอร์ริตินในไข่ของหอยฝาเดียว Lymnaea ซึ่งไม่ตอบสนองต่อการมีธาตุเหล็ก)^[9]ส่วนเหล็กที่เป็นอิสระ คือไม่ยึดกับเฟอร์ริติน จะเป็นพิษต่อเซลล์เนื่องจากเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาให้เกิดอนุมูลอิสระจากสารกลุ่ม reactive oxygen species ที่เกิดจากปฏิกิริยา Fenton Reaction^[14]ดังนั้น สัตว์มีกระดูกสันหลังจึงได้วิวัฒนาการกลไกป้องกันที่ซับซ้อนเพื่อจับเหล็กในเนื้อเยื่อต่าง ๆ

ภายในเซลล์ เหล็กจะเก็บเป็นคอมเพล็กซ์โปรตีนโดยเป็น ferritin หรือ hemosiderinส่วน Apoferritin จะเป็นเฟอร์ริตินที่เข้ายึดเหล็กที่เป็นอิสระเมื่อเซลล์ใน reticuloendothelial (RE) system ซึ่งเป็นส่วนของระบบภูมิต้านทานสะสมเหล็กมากขึ้น โปรตีนที่สะสมจะรวมตัวกันเป็น hemosiderinเซลล์ใน RE สามารถดึงเอาเหล็กทั้งที่อยู่ในรูปแบบเฟอร์ริตินและ hemosiderin ได้ แต่ว่า จาก hemosiderin จะยากกว่าเมื่อคงตัว ระดับเหล็กในเลือดจะสัมพันธ์กับเหล็กที่สะสมในร่างกายดังนั้น การวัดเฟอร์ริตินในเลือดโดย FR5Rl เป็นการทดสอบทางห้องปฏิบัติการที่สะดวกที่สุดเพื่อประเมินปริมาณเหล็กที่สะสมในร่างกาย

เพราะว่าเหล็กเป็นธาตุที่สำคัญในกระบวนการ mineralization จึงมีเฟอร์ริตินในเปลือกของสิ่งมีชีวิตเช่นมอลลัสกา เพื่อควบคุมความเข้มข้นและการกระจายของเหล็ก และดังนั้น จึงมีอิทธิพลต่อสัณฐานและสีของเปลือกด้วย^[15][16]มันยังมีบทบาทในของเหลว (haemolymph) ในตัวของมอลลัสกาชั้นพอลิพลาโคฟอรา ซึ่งทำหน้าที่ขนส่งเหล็กไปยัง radula (ส่วนที่คล้ายลิ้นใช้กินอาหาร) เพื่อกระบวนการ mineralization^[17]

ไลโซโซมเป็นตัวปล่อยเหล็กจากเฟอร์ริตินโดยหลักผ่านกระบวนการสลายเฟอร์ริติน^[18]

การทำงานของ ferroxidase

เฟอร์ริตินของสัตว์มีกระดูกสันหลังมีหน่วยย่อย 2-3 หน่วยซึ่งตั้งชื่อตามมวลโมเลกุล คือ L "light" (เบา), H "heavy" (หนัก), และ M "middle" (ปานกลาง)แต่แบบ M พบในกบบูลฟร็อกเท่านั้นส่วนในแบคทีเรียและอาร์เคีย เฟอร์ริตินจะมีหน่วยย่อยหน่วยเดียว^[19]

หน่วยย่อย H และ M ของเฟอร์ริตินในยูแคริโอต และหน่วยย่อยทั้งหมดของแบคทีเรียและอาร์เคีย (ซึ่งล้วนเป็นแบบ H) จะมี ferroxidase เป็นเอนไซม์เปลี่ยนเหล็กจากรูปแบบ Fe²⁺ (ferrous, di-iron) เป็น Fe³⁺ (ferric)ซึ่งจำกัดปฏิกิริยาที่เกิดระหว่าง Fe²⁺ กับไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ ที่เรียกว่า Fenton reaction ซึ่งผลิตอนุมูลอิสระของไฮดรอกซิลที่มีอันตรายมากการทำงานของ ferroxidase จะเกิดที่จุดยึด di-iron ที่ตรงกลางของหน่วยย่อย H แต่ละหน่วย^[19][20]หลังจากกระบวนการออกซิเดชันของ Fe (II) ผลิตภัณฑ์ที่เป็น Fe (III) จะอยู่ในสภาพไม่ค่อยเสถียร (metastable) ตรงกลางของ ferroxidase จนกระทั่ง Fe (II) เข้าไปแทนที่มัน^[20][21]ซึ่งดูจะเป็นกลไกสามัญของเฟอร์ริตินในอาณาจักรสิ่งมีชีวิตทั้งสาม^[19]เฟอร์ริตินแบบ L ไม่มีการทำงานของ ferroxidase แต่อาจมีหน้าที่ส่งอิเล็กตรอนผ่านกรงโปรตีน (protein cage)^[22]

ปฏิกิริยาของภูมิคุ้มกัน

ระดับเฟอร์ริตินจะสูงขึ้นอย่างมากเมื่อมีการอักเสบหรือมะเร็งชีวพิษภายในตัว (Endotoxin) เป็นตัวเพิ่มการผลิตเฟอร์ริตินแต่ก็มีสิ่งชีวิต เช่น แบคทีเรียสกุล Pseudomonas ที่แม้จะมีชีวพิษภายในตัว ก็จะลดระดับเฟอร์ริตินอย่างสำคัญภายใน 48 ชม. แรกที่เกิดการอักเสบฉะนั้น โดยมากแล้ว เหล็กที่สะสมภายในร่างกายจะกันไม่ให้แก่สิ่งที่ก่อโรค ซึ่งช่วยขัดขวางเมแทบอลิซึมของมัน^[23]

การตอบสนองต่อความเครียด

ระดับเฟอร์ริตินพบว่าจะเพิ่มขึ้นตอบสนองต่อความเครียด เช่นเมื่อขาดออกซิเจน^[24]ซึ่งแสดงว่ามันเป็นโปรตีนที่ตอบสนองต่อภาวะอักเสบในระยะเฉียบพลัน (acute-phase protein)^[25]

ไมโทคอนเดรีย

เฟอร์ริตินในไมโทคอนเดรียมีบทบาทหลายอย่างคือมีส่วนร่วมในการทำงานของ ferroxidase, ของการยึดไอออนธาตุเหล็ก (iron), ของ oxidoreductase, ของการยึดเหล็กแบบ ferric, ของการยึดไอออนโลหะ (metal ion binding) และของการยึดโลหะทรานซิชันในกระบวนการชีวภาพ มันยังมีส่วนร่วมในกระบวนการออกซิเดชัน-รีดักชัน ในการขนส่งไอออนเหล็กข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ และภาวะธำรงดุลของไอออนเหล็กภายในเซลล์

ในไข่

ในหอยทากบางชนิด โปรตีนส่วนมากในไข่จะเป็นเฟอร์ริติน^[26]แต่จะเป็นเฟอร์ริตินที่ต่าง คือมีลำดับยีนต่างจากเฟอร์ริตินในตัวและผลิตในต่อมทางเดินอาหารส่วนกลาง (midgut glands) หลั่งออกใน hemolymph แล้วจึงส่งไปที่ไข่^[26]

การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

เฟอร์ริตินยังใช้ในวัสดุศาสตร์เป็นสารตั้งต้นเพื่อทำอนุภาคนาโนเพื่อก่อท่อนาโนคาร์บอนโดยกระบวนการ chemical vapor deposition

ในสัตว์มีกระดูกสันหลัง เฟอร์ริตินมักจะพบภายในเซลล์ แต่ว่าก็จะพบแม้ว่าปริมาณน้อยกว่าในเลือดด้วย^[23]

ระดับเฟอร์ริตินในเลือดสามารถวัดได้ในห้องปฏิบัติการโดยเป็นส่วนของการตรวจสอบเหล็กเพื่อวินิจฉัยว่าเป็นภาวะเลือดจางเหตุขาดธาตุเหล็กหรือไม่ระดับเฟอร์ริตินในเลือดปกติจะมีสหสัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณเหล็กที่ร่างกายสะสมแต่ว่า ระดับก็อาจจะสูงกว่าปกติในกรณีที่มีภาวะเลือดจางเหตุโรคเรื้อรัง (anemia of chronic disease) ที่เฟอร์ริตินสูงขึ้นโดยเป็นส่วนของ acute phase protein ที่เกิดจากการอักเสบ และไม่ใช่เป็นตัวชี้ว่ามีเหล็กเกิน

พิสัยปกติ

ห้องปฏิบัติการแต่ละแห่ง ๆ จะกำหนดพิสัยปกติของระดับเฟอร์ริตินและอาจอยู่ระหว่าง 30-300 ng/mL (=μg/L) สำหรับผู้ชาย และ 18-115 ng/mL (=μg/L) สำหรับผู้หญิง

ระดับเฟอร์ริตินต่ำ

ถ้าระดับเฟอร์ริตินต่ำ จะมีโอกาสเสี่ยงขาดธาตุเหล็ก ซึ่งนำไปสู่ภาวะเลือดจางสำหรับภาวะเลือดจาง ระดับเฟอร์ริตินต่ำเป็นการทดสอบทางแล็บที่จำเพาะที่สุดต่อภาวะเลือดจางเหตุขาดธาตุเหล็ก (คือ ถ้าค่าต่ำพอ การมีเฟอร์ริตินต่ำแสดงว่าภาวะเลือดจางที่มี มีโอกาสเกิดจากการขาดธาตุเหล็กมากที่สุด)^[28]แต่ว่า นี่ไม่ใช่เป็นการทดสอบที่ไว (คือการมีระดับปกติในเลือดไม่ได้แสดงว่าไม่ขาดธาตุเหล็ก) เนื่องจากระดับสามารถสูงขึ้นเนื่องจากการติดเชื้อหรือการอักเสบเรื้อรัง^[29]และภาวะเหล่านี้อาจเปลี่ยนระดับเฟอร์ริตินที่ควรจะต่ำให้สูงจนถึงปกติดังนั้น การมีระดับเฟอร์ริตินต่ำให้ข้อมูลมากกว่าเมื่อมีระดับปกติแต่ระดับเฟอร์ริตินต่ำก็อาจแสดงว่ามีโรคไทรอยด์ ขาดวิตามินซี หรือเป็นโรค celiac disease ได้ด้วย

การทานอาหารมังสะวิรัติอาจทำให้มีระดับเฟอร์ริตินในเลือดต่ำเนื่องจากขาดธาตุเหล็ก โดยพบใน 19% ของคนทานเจในงานศึกษาในประเทศไทยปี 2542^[30]

ระดับเฟอร์ริตินต่ำก็พบในคนไข้กลุ่มอาการขาไม่เป็นสุข (restless legs syndrome) บางคน ซึ่งอาจจะไม่เกี่ยวกับภาวะเลือดจาง แต่เนื่องจากมีธาตุเหล็กน้อยแต่ยังไม่ถึงภาวะเลือดจาง^[31][32]

การมีเฟอร์ริตินต่ำโดยไม่ได้มีโรคจริง ๆ (false positive) เป็นเรื่องไม่สามัญ^[29]แต่อาจเกิดจาก hook effect ของเครื่องวัดในบางกรณี^[33]

ระดับเฟอร์ริตินสูง

ถ้าระดับเฟอร์ริตินสูง แสดงว่ามีการสะสมเหล็กเกิน หรือว่ามีปฏิกิริยาอักเสบอย่างฉับพลัน (acute inflammatory reaction) ที่มีการสร้างเฟอร์ริตินโดยไม่ได้มีเหล็กเกินยกตัวอย่างเช่น เมื่อติดเชื้อ ระดับเฟอร์ริตินอาจสูงขึ้นโดยไม่ได้แสดงว่ามีเหล็กเกินเฟอร์ริตินยังใช้เป็นตัวบ่งชี้โรคเหล็กเกินต่าง ๆ รวมทั้ง ภาวะเหล็กเกิน (hemochromatosis) และ hemosiderosisโรคสติลล์ที่เริ่มเป็นในผู้ใหญ่, porphyrias, hemophagocytic lymphohistiocytosis/macrophage activation syndrome ซึ่งล้วนแต่เป็นโรคที่อาจทำระดับเฟอร์ริตินให้สูง

เฟอร์ริตินสูงยังเป็นปฏิกิริยาช่วงติดโรค (acute-phase reactant) อย่างหนึ่ง ซึ่งบ่อยครั้งจะสูงขึ้นในโรคบางอย่างระดับ C-reactive protein ที่ปกติสามารถใช้กันระดับเฟอร์ริตินที่สูงเนื่องจากปฏิกิริริยาช่วงติดโรค

ตามงานศึกษาปี 2547 คนไข้โรคเบื่ออาหารเหตุจิตใจ (anorexia nervosa) สามารถมีระดับเฟอร์ริตินที่สูงในช่วงขาดอาหารอย่างฉับพลัน ซึ่งอาจจะเป็นเพราะเหล็กออกสะสมในเลือด โดยจำนวนเม็ดเลือดแดงจะตกลง^[34]ส่วนงานศึกษาปี 2556 เสนอว่า เนื่องจากความผิดปกติของเมแทบอลิซึมในโรคนี้ จึงอาจมีการหลั่ง isoferritin ออกนอกจากนั้นแล้ว เฟอร์ริตินยังมีหน้าที่สำคัญที่ไม่เกี่ยวกับการเก็บเหล็ก เช่นเป็นตัวป้องกันอันตรายที่เกิดจากออกซิเดชันและระดับ isoferritin อาจทำให้ระดับเฟอร์ริตินที่วัดสูงขึ้นการวัดเฟอร์ริตินผ่านกระบวนการ immunoassay หรือ immunoturbidimeteric อาจจะจับค่า isoferritin เหล่านี้ซึ่งไม่ได้สะท้อนการเก็บสะสมเหล็กในร่างกายจริง ๆ^[35]

ช่องที่อยู่ในเฟอรร์ริตินและ mini-ferritin (DNA-binding proteins from starved cells ตัวย่อ Dps) ได้ทดลองใช้เป็นห้องปฏิกิริยาเพื่อสร้างอนุภาคนาโนโลหะ^{[36][37][38][39]}เปลือกของโปรตีน เช่น ของเฟอร์ริติน สามารถใช้เป็นตัวจำกัดการเติบโตของอนุภาคและใช้เป็นตัวเคลือบอนุภาคโดยใช้เปลือกโปรตีนขนาดต่าง ๆ กัน ก็จะสามารถสังเคราะห์อนุภาคนาโนขนาดต่าง ๆ ที่มีคุณสมบัติทางเคมี ทางกายภาพ และทางชีวเวชที่ต่าง ๆ กัน

วิกิพจนานุกรม มีความหมายของคำว่า:
ferritin

• Ferritins ในหอสมุดแพทยศาสตร์แห่งชาติอเมริกัน สำหรับหัวข้อเนื้อหาทางการแพทย์ (MeSH)
• Ferritin เก็บถาวร 2017-07-28 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน ที่ Lab Tests Online
• Ferritin: analyte monograph - The Association for Clinical Biochemistry and Laboratory Medicine
• ข้อมูลเชิงโครงสร้างทั้งหมดของ UniProt: P02792 (Ferritin light chain) สามารถเข้าถึงได้ในธนาคารข้อมูลโปรตีนของ PDBe-KB.
• ข้อมูลเชิงโครงสร้างทั้งหมดของ UniProt: P02794 (Ferritin heavy chain) สามารถเข้าถึงได้ในธนาคารข้อมูลโปรตีนของ PDBe-KB.
• ข้อมูลเชิงโครงสร้างทั้งหมดของ UniProt: Q8N4E7 (Ferritin, mitochondrial) สามารถเข้าถึงได้ในธนาคารข้อมูลโปรตีนของ PDBe-KB.