Lactoferrina

Lactoferrina (LF), también conocida como lactotransferrina (LTF), es una proteína multifuncional del familia de la transferrina. La lactoferrina es una glicoproteína globular con una masa molecular de aproximadamente 80 kDa que está ampliamente representada en diversos fluidos secretores, como la leche, la saliva, las lágrimas y las secreciones nasales. La lactoferrina también está presente en los gránulos secundarios de los PMN y es secretada por algunas células acinares. La lactoferrina puede purificarse a partir de la leche o producirse de forma recombinante. El calostro humano ("primera leche") tiene la concentración más alta, seguido de la leche humana y luego la leche de vaca (150 mg/L).

La lactoferrina es uno de los componentes del sistema inmunológico del cuerpo; tiene actividad antimicrobiana (bactericida, fungicida) y forma parte de la defensa innata, principalmente en las mucosas. Se produce y libera constantemente en la saliva, las lágrimas y el fluido seminal y vaginal. La lactoferrina proporciona actividad antibacteriana a los bebés humanos. La lactoferrina interactúa con el ADN y el ARN, los polisacáridos y la heparina y muestra algunas de sus funciones biológicas en complejos con estos ligandos.

Los suplementos de lactoferrina reducen el riesgo de infecciones del tracto respiratorio, según un metanálisis reciente de ensayos controlados aleatorios. Al igual que con cualquier suplemento que se vende en línea, la calidad puede ser un problema porque los controles de calidad de la producción de suplementos nutricionales no están sujetos al mismo proceso regulatorio estricto que los medicamentos.

Historia

La presencia de proteína roja que contiene hierro en la leche bovina ya se informó en 1939; sin embargo, la proteína no se pudo caracterizar adecuadamente porque no se pudo extraer con suficiente pureza. Sus primeros estudios detallados se publicaron alrededor de 1960. Documentaron el peso molecular, el punto isoeléctrico, los espectros de absorción óptica y la presencia de dos átomos de hierro por molécula de proteína. La proteína se extraía de la leche, contenía hierro y era estructural y químicamente similar a la transferrina sérica. Por lo tanto, fue nombrada lactoferrina en 1961, aunque el nombre lactotransferrina se usó en algunas publicaciones anteriores, y estudios posteriores demostraron que la proteína no se limita a la leche. La acción antibacteriana de la lactoferrina también se documentó en 1961 y se asoció con su capacidad para unirse al hierro.

Estructura

Genes de lactoferrina

Se han caracterizado al menos 60 secuencias genéticas de lactoferrina en 11 especies de mamíferos. En la mayoría de las especies, el codón de parada es TAA y TGA en Mus musculus. Las deleciones, inserciones y mutaciones de codones de parada afectan a la parte codificante y su longitud varía entre 2.055 y 2.190 pares de nucleótidos. El polimorfismo genético entre especies es mucho más diverso que el polimorfismo intraespecífico de la lactoferrina. Hay diferencias en las secuencias de aminoácidos: 8 en Homo sapiens, 6 en Mus musculus, 6 en Capra hircus, 10 en Bos tauro y 20 en Sus scrofa. Esta variación puede indicar diferencias funcionales entre diferentes tipos de lactoferrina.

En humanos, el gen de la lactoferrina LTF se encuentra en el tercer cromosoma en el locus 3q21-q23. En los bueyes, la secuencia codificante consta de 17 exones y tiene una longitud de aproximadamente 34.500 pares de nucleótidos. Los exones del gen de la lactoferrina en los bueyes tienen un tamaño similar a los exones de otros genes de la familia de la transferrina, mientras que los tamaños de los intrones difieren dentro de la familia. La similitud en el tamaño de los exones y su distribución en los dominios de la molécula de proteína indica que el desarrollo evolutivo del gen de la lactoferrina se produjo por duplicación. El estudio del polimorfismo de los genes que codifican la lactoferrina ayuda a seleccionar razas de ganado resistentes a la mastitis.

Estructura molecular

La lactoferrina es una de las proteínas transferrina que transfiere hierro a las células y controla el nivel de hierro libre en la sangre y las secreciones externas. Está presente en la leche de los seres humanos y de otros mamíferos, en el plasma sanguíneo y en los neutrófilos y es una de las principales proteínas de prácticamente todas las secreciones exocrinas de los mamíferos, como la saliva, la bilis, las lágrimas y el páncreas. La concentración de lactoferrina en la leche varía desde 7 g/L en el calostro hasta 1 g/L en la leche madura.

La difracción de rayos X revela que la lactoferrina se basa en una cadena polipeptídica que contiene alrededor de 700 aminoácidos y forma dos dominios globulares homólogos llamados lóbulos N y C. El lóbulo N corresponde a los residuos de aminoácidos 1-333 y el lóbulo C a 345-692, y los extremos de esos dominios están conectados por una hélice α corta. Cada lóbulo consta de dos subdominios, N1, N2 y C1, C2, y contiene un sitio de unión al hierro y un sitio de glicosilación. El grado de glicosilación de la proteína puede ser diferente y por tanto el peso molecular de la lactoferrina varía entre 76 y 80 kDa. La estabilidad de la lactoferrina se ha asociado con el alto grado de glicosilación.

La lactoferrina pertenece a las proteínas básicas, su punto isoeléctrico es 8,7. Existe en dos formas: hololactoferrina rica en hierro y apolactoferrina sin hierro. Sus estructuras terciarias son diferentes; la apolactoferrina se caracteriza por propiedades "abiertas" conformación del lóbulo N y el lóbulo "cerrado" conformación del lóbulo C, y ambos lóbulos están cerrados en la hololactoferrina.

Cada molécula de lactoferrina puede unir de forma reversible dos iones de hierro, zinc, cobre u otros metales. Los sitios de unión están localizados en cada uno de los dos glóbulos proteicos. Allí, cada ion está unido con seis ligandos: cuatro de la cadena polipeptídica (dos residuos de tirosina, un residuo de histidina y un residuo de ácido aspártico) y dos de iones carbonato o bicarbonato.

La lactoferrina forma un complejo rojizo con el hierro; su afinidad por el hierro es 300 veces mayor que la de la transferrina. La afinidad aumenta en medio débilmente ácido. Esto facilita la transferencia de hierro de la transferrina a la lactoferrina durante las inflamaciones, cuando el pH de los tejidos disminuye debido a la acumulación de ácidos lácticos y otros. La concentración de hierro saturado en la lactoferrina en la leche humana se estima entre el 10 y el 30% (el 100% corresponde a todas las moléculas de lactoferrina que contienen 2 átomos de hierro). Está demostrado que la lactoferrina interviene no sólo en el transporte de hierro, zinc y cobre, sino también en la regulación de su ingesta. La presencia de iones sueltos de zinc y cobre no afecta la capacidad de unión del hierro de la lactoferrina, e incluso podría aumentarla.

Formas poliméricas

Tanto en el plasma sanguíneo como en los fluidos secretores, la lactoferrina puede existir en diferentes formas poliméricas que van desde monómeros hasta tetrámeros. La lactoferrina tiende a polimerizar tanto in vitro como in vivo, especialmente en concentraciones elevadas. Varios autores encontraron que la forma dominante de lactoferrina en condiciones fisiológicas es un tetrámero, con una relación monómero:tetrámero de 1:4 en concentraciones de proteína de 10^-5 M.

Se sugiere que el estado oligómero de la lactoferrina está determinado por su concentración y que la polimerización de la lactoferrina se ve fuertemente afectada por la presencia de iones Ca²⁺. En particular, los monómeros fueron dominantes en concentraciones inferiores a 10⁻¹⁰−10⁻¹¹ M en presencia de Ca²⁺, pero se convirtieron en tetrámeros en concentraciones de lactoferrina superiores a 10⁻⁹−10⁻¹⁰ M. El título de lactoferrina en la sangre corresponde a esta "concentración de transición" y, por tanto, la lactoferrina en la sangre debe presentarse como monómero y como tetrámero. Muchas propiedades funcionales de la lactoferrina dependen de su estado oligomérico. En particular, la lactoferrina monomérica, pero no tetramérica, puede unirse fuertemente al ADN.

Función

La lactoferrina pertenece al sistema inmunológico innato. Además de su principal función biológica, es decir, la unión y el transporte de iones de hierro, la lactoferrina también tiene funciones y propiedades antibacterianas, antivirales, antiparasitarias, catalíticas, anticancerígenas y antialérgicas.

Actividad enzimática de la lactoferrina

La lactoferrina hidroliza el ARN y exhibe las propiedades de las ribonucleasas secretoras específicas de pirimidina. En particular, al destruir el genoma del ARN, la RNasa de la leche inhibe la transcripción inversa de los retrovirus que causan cáncer de mama en ratones. Las mujeres parsi de la India occidental tienen niveles de RNasa en la leche notablemente más bajos que en otros grupos, y su tasa de cáncer de mama es tres veces mayor que el promedio. Por tanto, las ribonucleasas de la leche, y la lactoferrina en particular, podrían desempeñar un papel importante en la patogénesis.

Receptor de lactoferrina

El receptor de lactoferrina juega un papel importante en la internalización de la lactoferrina; también facilita la absorción de iones de hierro por la lactoferrina. Se demostró que la expresión genética aumenta con la edad en el duodeno y disminuye en el yeyuno. Se ha demostrado que la enzima glicolítica gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH) funciona como un receptor de lactoferrina.

Actividad ósea

La lactoferrina enriquecida con ribonucleasa se ha utilizado para examinar cómo la lactoferrina afecta los huesos. Se ha demostrado que la lactoferrina tiene efectos positivos sobre el recambio óseo. Ha ayudado a disminuir la resorción ósea y aumentar la formación ósea. Esto estuvo indicado por una disminución en los niveles de dos marcadores de resorción ósea (desoxipiridinolina y N-telopéptido) y un aumento en los niveles de dos marcadores de formación ósea (osteocalcina y fosfatasa alcalina). Tiene una formación reducida de osteoclastos, lo que significa una disminución de las respuestas proinflamatorias y un aumento de las respuestas antiinflamatorias, lo que también indica una reducción de la resorción ósea.

Interacción con ácidos nucleicos

Una de las propiedades importantes de la lactoferrina es su capacidad para unirse a los ácidos nucleicos. La fracción de proteína extraída de la leche, contiene un 3,3% de ARN, pero la proteína se une preferiblemente a ADN bicatenario en lugar de ADN monocatenario. La capacidad de la lactoferrina para unirse al ADN se aprovecha para su aislamiento y purificación mediante cromatografía de afinidad con columnas que contienen sorbentes que contienen ADN inmovilizado, como la agarosa con el ADN monocatenario inmovilizado.

Importancia clínica

Actividad antibacteriana

La función principal de la lactoferrina es secuestrar el hierro libre y, al hacerlo, eliminar el sustrato esencial necesario para el crecimiento bacteriano. La acción antibacteriana de la lactoferrina también se explica por la presencia de receptores específicos en la superficie celular de los microorganismos. La lactoferrina se une al lipopolisacárido de las paredes bacterianas y la parte de hierro oxidado de la lactoferrina oxida las bacterias mediante la formación de peróxidos. Esto afecta la permeabilidad de la membrana y provoca la degradación celular (lisis).

Aunque la lactoferrina también tiene otros mecanismos antibacterianos no relacionados con el hierro, como la estimulación de la fagocitosis, la interacción con la membrana bacteriana externa descrita anteriormente es la más dominante y la más estudiada. La lactoferrina no sólo altera la membrana, sino que incluso penetra en la célula. Su unión a la pared bacteriana está asociada con el péptido específico lactoferricina, que se encuentra en el lóbulo N de la lactoferrina y se produce mediante la escisión in vitro de la lactoferrina con otra proteína, la tripsina. Se ha informado de un mecanismo de acción antimicrobiana de la lactoferrina, ya que la lactoferrina se dirige a la H⁺-ATPasa e interfiere con la translocación de protones en la membrana celular, lo que produce un efecto letal in vitro.

La lactoferrina previene la unión de H. pylori en el estómago, lo que a su vez ayuda a reducir los trastornos del sistema digestivo. La lactoferrina bovina tiene más actividad contra H. pylori que la lactoferrina humana.

Actividad antiviral

La lactoferrina en concentración suficiente actúa sobre una amplia gama de virus humanos y animales basados en genomas de ADN y ARN, incluidos los virus del herpes simple 1 y 2, citomegalovirus, VIH, virus de la hepatitis C, hantavirus, rotavirus, poliovirus tipo 1, virus virus respiratorio sincitial, virus de la leucemia murina y virus Mayaro. Se ha especulado pero no probado la actividad contra el COVID-19.

El mecanismo más estudiado de la actividad antiviral de la lactoferrina es la desviación de las partículas virales de las células diana. Muchos virus tienden a unirse a las lipoproteínas de las membranas celulares y luego penetrar en la célula. La lactoferrina se une a las mismas lipoproteínas repeliendo así las partículas del virus. La apolactoferrina sin hierro es más eficaz en esta función que la hololactoferrina; y la lactoferricina, que es responsable de las propiedades antimicrobianas de la lactoferrina, casi no muestra actividad antiviral.

Además de interactuar con la membrana celular, la lactoferrina también se une directamente a partículas virales, como los virus de la hepatitis. Este mecanismo también lo confirma la actividad antiviral de la lactoferrina contra los rotavirus, que actúan sobre diferentes tipos de células.

La lactoferrina también suprime la replicación del virus después de que el virus penetró en la célula. Este efecto antiviral indirecto se logra actuando sobre las células asesinas naturales, los granulocitos y los macrófagos, células que desempeñan un papel crucial en las primeras etapas de las infecciones virales, como el síndrome respiratorio agudo severo (SARS).

Actividad antifúngica

Inhibición de la lactoferrina y la lactoferricina in vitro crecimiento del Trichophyton mentagrophytes, que son responsables de varias enfermedades de la piel como el tiña. Lactoferrina también actúa contra el Candida albicans – un hongo diploide (una forma de levadura) que causa infecciones orales oportunistas y genitales en humanos. Fluconazol se ha utilizado desde hace mucho tiempo contra Candida albicans, que resultó en el surgimiento de cepas resistentes a este medicamento. Sin embargo, una combinación de lactoferrina con fluconazol puede actuar contra cepas resistentes al fluconazol de Candida albicans así como otros tipos de Candida: C. glabrata, C. krusei, C. parapsilosis y C. tropicalis. Se observa actividad antifúngica para la incubación secuencial de Candida con lactoferrina y luego con fluconazol, pero no viceversa. La actividad antifúngica de la lactoferricina excede la de la lactoferrina. En particular, péptidos sintéticos 1–11 lactoferricina muestra una actividad mucho mayor contra Candida albicans que la lactoferricina nativa.

La administración de lactoferrina a través del agua potable a ratones con sistemas inmunitarios debilitados y síntomas de úlcera aftosa redujo el número de cepas de Candida albicans en la boca y el tamaño de las áreas dañadas en la lengua. La administración oral de lactoferrina a animales también redujo la cantidad de organismos patógenos en los tejidos cercanos al tracto gastrointestinal. Candida albicans también podría erradicarse completamente con una mezcla que contiene lactoferrina, lisozima e itraconazol en pacientes VIH positivos que eran resistentes a otros medicamentos antimicóticos. Esta acción antifúngica, cuando otros fármacos la consideran ineficaz, es característica de la lactoferrina y es especialmente valiosa para los pacientes infectados por el VIH. A diferencia de las acciones antivirales y antibacterianas de la lactoferrina, se sabe muy poco sobre el mecanismo de su acción antifúngica. La lactoferrina parece unirse a la membrana plasmática de C. albicans induciendo un proceso similar a la apoptosis.

Actividad anticancerígena

La actividad anticancerígena de la lactoferrina bovina (bLF) se ha demostrado en carcinogénesis experimentales de pulmón, vejiga, lengua, colon e hígado en ratas, posiblemente mediante la supresión de enzimas de fase I, como el citocromo P450 1A2 (CYP1A2). Además, en otro experimento realizado con hámsteres, la lactoferrina bovina disminuyó la incidencia de cáncer oral en un 50%. Actualmente, bLF se utiliza como ingrediente en yogur, chicles, fórmulas infantiles y cosméticos.

Fibrosis quística

El pulmón y la saliva humanos contienen una amplia gama de compuestos antimicrobianos, incluido el sistema lactoperoxidasa, que produce hipotiocianita y lactoferrina, aunque falta hipotiocianita en pacientes con fibrosis quística. La lactoferrina, un componente de la inmunidad innata, previene el desarrollo de biopelículas bacterianas. En pacientes con fibrosis quística se observa pérdida de actividad microbicida y aumento de la formación de biopelículas debido a la disminución de la actividad de la lactoferrina. En la fibrosis quística, la susceptibilidad a los antibióticos puede verse modificada por la lactoferrina. Estos hallazgos demuestran el importante papel de la lactoferrina en la defensa del huésped humano y especialmente en los pulmones. La EMEA y la FDA han concedido a la lactoferrina con hipotiocianita el estatus de medicamento huérfano.

Enterocolitis necrotizante

La evidencia de baja calidad sugiere que la suplementación oral con lactoferrina con o sin la adición de un probiótico puede disminuir la aparición tardía de sepsis y enterocolitis necrotizante (estadio II o III) en bebés prematuros sin efectos adversos.

En diagnóstico

Se ha demostrado que los niveles de lactoferrina en el líquido lagrimal disminuyen en enfermedades del ojo seco como el síndrome de Sjögren. Se ha desarrollado una prueba rápida y portátil que utiliza tecnología de microfluidos para permitir la medición de los niveles de lactoferrina en el líquido lagrimal humano en el lugar de atención con el objetivo de mejorar el diagnóstico del síndrome de Sjögren y otras formas de enfermedad del ojo seco.

Nanotecnología

La lactotransferrina se ha utilizado en la síntesis de grupos cuánticos de oro fluorescente, lo que tiene aplicaciones potenciales en nanotecnología.