Биохимия и патобиохимия иммунной системы животных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биохимия и патобиохимия иммунной системы

Многие заболевания сельскохозяйственных животных связаны с наличием врожденных или приобретенных дефектов иммунной системы. Интенсивное ведение животноводства, использование промышленных технологий ставит животных в необычные условия, что усугубляет иммунодефицитные состояния, наблюдающиеся в определенные периоды жизни.

Вопросы профилактики и лечения сельскохозяйственных животных требуют детальных знаний о структуре и функции иммунной системы, оценки иммунологического статуса, коррекции иммунодефицитных состояний играющих определенную патогенетическую роль.

В основе генетических, клеточных или молекулярных механизмов обуславливающих иммунную реакцию лежат химические реакции, в большинстве из которых принимают участие определенным образом организованные белки-антитела. Изучение химической структуры антигенов, антител и специфических химических реакций, лежащих в основе иммунитета и составляет предмет иммунохимии.

Иммунная система представляет комплекс органов и клеток организма, осуществляющих реагирование против чужеродных организму объектов. Такими чужеродными объектами могут быть бактерии, вирусы, паразиты, отмирающие и мутационно изменяющиеся клетки собственного организма (раковые клетки). Иммунологические реакции ответственны за несовместимость и отторжение пересаженных органов и тканей. Нарушения иммунной системы приводят к тому, что она становится способной реагировать и на антигены собственного организма, как это имеет место при аутоиммунных заболеваниях.

Иммунитет (лат. immunus - свободный) вначале определяли как невосприимчивость к инфекционным заболеваниям. Однако по мере накопления опытных данных становилось понятным, что борьба с инфекционными заболеваниями является не главной функцией иммунитета. Борьба с чужеродными микроорганизмами является частным случаем более общей задачи иммунитета - надзора за генетическим постоянством совокупности клеток составляющей живой организм. Уничтожение микроорганизмов и вирусов - является частью основной задачи иммунитета - распознавание и уничтожение генетически чужеродных клеток как проникающих извне, так и образовавшихся внутри организма.

Если учесть, что организм большинства млекопитающих состоит из 10¹²-10¹³ генетически идентичных клеток, а в процессе клеточного деления 1 из миллиона клеток мутирует, то в организме в процессе деления возникает от 10⁶ до 10⁷ мутантных клеток. Таким образом, многоклеточные организмы могли возникнуть и эволюционировать только при наличии системы обнаруживающей и уничтожающей соматические мутации - иммунной системы.

Иммунная система позвоночных имеет двойственный характер, обусловленный существованием в организме двух популяций лимфоцитов. Одна из них, в состав которой входят Т - клетки, обеспечивает клеточный иммунный ответ (тимусзависимая система лимфоцитов, Т-система). Когда чужеродное вещество попадает в организм, оно распознается Т-клетками, которые инициируют реакции, в результате которых это вещество элиминируется.

Популяция лимфоцитов, содержащая В-клетки (бурсазависимая система лимфоцитов, В-система), обеспечивают гуморальный ответ. В процессе иммунного ответа В-клетки активируются, превращаются в плазматические, которые уже секретируют антитела, специфически связывающиеся с антигенами бактериальной клетки или другого чужеродного объекта и обуславливающие различные реакции, приводящие, в конце концов, к его разрушению.

В процессе защитной реакции участвуют обычно обе популяции, как Т-, так и В-система, обеспечивающих как клеточный, так и гуморальный иммунный ответ, но один из них обычно преобладает. Клеточный иммунитет наиболее эффективен против грибков, паразитов, вирусов, чужеродных тканей, раковых клеток. Гуморальный иммунитет наиболее эффективен в борьбе с бактериальной инфекцией.

Включение гуморального и клеточного иммунитета сопровождается формированием, так называемой, иммунологической памяти, которая заключается в том, что повторная встреча с антигеном вызывает более быстрый и более сильный ответ. Иммунологическая память лежит в основе иммунитета и обеспечивает адекватный ответ иммунной системы на разнообразные антигены. Однако, в некоторых случаях, когда в результате первичного взаимодействия с антигеном происходит избыточное накопление биологически активных медиаторов, может возникнуть чрезмерная реакция на повторное введение антигена. Это состояние обозначают как аллергию (гиперчувствительность). В зависимости от состояния иммунной системы и условий иммунизации введение антигена может привести как к созданию иммунитета, так и вызвать гиперчувствительность.

При определенных условиях взаимодействие антигена с организмом приводит к иммунологической толерантности, т.е. такому состоянию, когда организм не отвечает иммунологической реакцией на введение антигена.

Химия антигенов

Под антигенностью понимают способность вещества вызывать образование антител и специфически реагировать с эффекторами иммунного ответа (иммуноглобулинами, сенсибилизированными лимфоцитами). Если при иммунизации различными белками выясняется, что один из них вызывает более интенсивное образование антител, то он, следовательно, обладает большей антигенностью. Иммуногенность - способность антигена создавать устойчивость против заражения микроорганизмами, создать иммунитет. Это свойство относится в основном к микробным антигенам. И, наконец, специфичность - это способность антигена избирательно реагировать со специфическими антителами или сенсибилизированными лимфоцитами после иммунизации. Специфичность антигена определяется набором антигенных детерминант.

Часть молекулы антигена, с которой связывается антитело, носит название антигенной детерминанты. Молекулы антигена содержат, как правило, многочисленные антигенные детерминанты, к которым специфичны активные центры (антидетерминанты) образующихся антител. Набор антигенных детерминант и определяет специфичность антигена. Число антигенных детерминант определяет валентность антигена.

Для проявления антигенности большое значение имеет величина молекулярной массы, хотя причина этого остается недостаточно ясной. Экспериментально установлено, что минимальная молекулярная масса необходимая для проявления антигенности составляет 10000 Д. Используя специфические стимуляторы иммуногенеза можно выработать антитела и против антигенов с меньшей молекулярной массой, например, против инсулина (молекулярная масса около 6000). Наименьшие молекулы, против которых удалось выработать антитела (вазопрессин, ангиотензин), имеют молекулярную массу около 1000 Д.

Существует группа разнообразных по химической структуре низкомолекулярных веществ называемых гаптенами, которые могут стимулировать иммунный ответ в том случае, если они ковалентно соединены с большой молекулой-носителем. Например, небольшая молекула 2,4 - динитрофенола приобретает антигенность после присоединения к сывороточному альбумину. Таким образом, гаптены - это молекулы веществ неспособных вызвать иммунный ответ, если они не конъюгированы с высокомолекулярными носителями, но способные реагировать с антисыворотками полученных путем иммунизации животных конъюгатом гаптен-белок. Нужно отметить, что хотя гаптены относятся, как правило, к низкомолекулярным веществам, обнаружены и высокомолекулярные гаптены. Например, поли-Д - глутаминовая кислота, выделяемая из капсулы Вас. antracis, не вызывает образования антител. Но если иммунизировать кроликов убитой культурой Bac.antracis, то такие антитела появляются за счет, очевидно, комплексирования полипептида с компонентами мембраны микробной клетки, которые выполняют роль носителя.

Антигенная специфичность молекулы определяется ее химическим строением. Для проявления антигенности недостаточно только чужеродности и высокой молекулярной массы. Молекулы антигена должны иметь определенную химическую структуру. Вопрос о связи антигенности с химической структурой веществ лучше рассмотреть на примере белков и полипептидов. Полипептиды включающие более 8 аминокислот могут уже быть антигенами. Сравнение первичной структуры белков и полипептидов показывает, что различия по нескольким аминокислотам достаточно, чтобы белки или полипептиды отличались по своим антигенным свойствам. Например, инсулины различных видов животных, отличающихся аминокислотами в 8-м, 9-м и 10-м положении полипептидной цепи, различаются и по своим антигенным свойствам.

В изучении зависимости антигенных свойств полипептидов и белков от их структуры большую роль сыграло исследование синтетических полипептидов. Установлено, что гомополимеры L-аминокислот не обладают антигенными свойствами или эти свойства выражены в очень незначительной степени. Однако они могут быть гаптенами, если их соединить с белками. Такими гаптенами могут быть, например, полилизин, полиорнитин, если их конъюгировать с обычным сывороточным альбумином.

Полипептиды, состоящие из 2-х и особенно 3-х и более аминокислот, обладают уже хорошо выраженными антигенными свойствами. При этом антигенность полипептида зависит от соотношения аминокислот. Например, полипептид, содержащий глутамин-лизин-аланин в соотношениях 42:28:30 обладает более высокими антигенными свойствами, чем тот же полипептид, содержащий указанные аминокислоты в соотношении 57:28:5.

Изучение синтетических полипептидов показало роль оптической изомерии аминокислот в формировании антигенных свойств молекулы. Полипептиды построенные из Д-аминокислот, в отличие полипептидов из L-аминокислот не являются антигенами или обладают очень слабыми антигенными свойствами. Причины этого явления недостаточно ясны. Наиболее вероятным является предположение, что рецепторы иммунокомпетентных клеток возникшие в процессе длительной эволюции не реагируют на пептиды из Д - аминокислот, так как никогда с ними не встречались.

Кроме общей структуры полипептидной цепи антигенная специфичность молекул определяется особым участком молекул - детерминантными группами (антигенными детерминантами). При изучении белков установлено, что их антигенные детерминанты могут находиться в середине полипептидной цепочки или на ее конце, однако «серединное» расположение детерминанты встречается более часто. Антигенные детерминанты имеют различные, иногда значительные размеры. Если у миоглобина детерминантный отрезок полипептидной цепи включает 6-9 остатков аминокислот, то у лизоцима 20-21 остаток. Большие размеры некоторых антигенных детерминант подтверждают их конформационный характер (влияние вторичной и третичной структуры на антигенную специфичность).

В некоторых детерминантных группах имеются аминокислоты, играющие исключительно важную роль в определении антигенности. Замена одной такой аминокислоты (точечная замена) резко сказывается на серологической специфичности белка или полипептида. Установлено, что различия в иммунологической специфичности куриного и перепелиного лизоцима определяются в основном различием по аминокислоте в 68-м положении, находящейся в составе большой детерминанты («петли») лизоцима.

Взаимодействие антигенной детерминанты с активным центром антител обеспечивается различными типами химического взаимодействия (связей): водородными связями, гидрофобным и кулоновским взаимодействием, ван-дер-ваальсовыми силами. Прочность связи антигенной детерминанты с активным центром антитела является одной из важных характеристик детерминантной группы. Тонкие детали химического взаимодействия приводящего к образованию комплекса антиген-антитело выясняются по мере расшифровки состава антигенных детерминант различных белков и полипептидов. Так, изучение взаимодействия молекулы миоглобина с соответствующими активными центрами иммуноглобулинов показало, что на первоначальном этапе основную роль играет полярное взаимодействие, в котором важную роль играют заряды NH₂-rpynn. Стабилизация образовавшегося комплекса антиген-антитело осуществляется в основном за счет гидрофобных связей некоторых аминокислот.

Помимо конформационных антигенных детерминант, специфичность которых в сильной степени зависит от вторичной и третичной структуры молекулы, имеются концевые детерминанты, специфичность которых определяется, главным образом, составом короткой концевой цепочки. Различие между концевыми и коиформациоиными детерминантами в определенной степени сглаживается тем фактом, что концевой олигопептид так же может обладать третичной структурой. Наиболее важным отличием концевой детерминанты является иммунодоминантность последнего звена цепочки, т.е. способность в высокой степени определять иммунологическую специфичность.

Антигенные детерминанты концентрируются, обычно, на тех участках полипептидной цепи, которые значительно выступают за пределы компактной структуры молекулы. Наименьший вклад в антигенность вносят участки молекулы прочно связанные с молекулами воды. Большую роль играет также способность молекулы к конформационным изменениям, так как это обеспечивает наибольшую степень взаимодействия антигена с антителом. Энергия, затрачиваемая на такие конформационные изменения, компенсируется уменьшением свободной энергии иммунного комплекса, которое происходит вследствие возникновения новых участков связывания.

Подводя итог вопросу о белковых и пептидных антигенах нужно отметить, что их специфичность определяется первичной структурой полипептидной цепочки, концевыми аминокислотами, вторичной и третичной структурой белковой молекулы, поверхностно расположенными химическими группами, антигенными детерминантами, играющими наиболее существенную роль в определении иммунологической специфичности антигенов.

Помимо пептидных довольно хорошо изучены олигосахаридные антигенные детерминанты, определяющие иммунологическую специфичность многих микробных антигенов, антигенов групп крови, антигенов гистосовместимости. Например, О-антигены, находящиеся на поверхности различных грамм - отрицательных бактерий представляют собой липополисахаридные цепочки, антигенная специфичность которых определяется именно углеводной частью. Олигосахаридные звенья этих цепочек характерны для каждого антигена, что позволяет их идентифицировать и определять специфичность различных видов или штаммов микроорганизмов.

При изучении О-антигенов была установлена иммунодоминантность концевого моносахарида в олиго - сахаридной цепочке. Серологическая специфичность О-антигенов сальмонел часто определяется концевыми дидезоксипроизводными Д-манозы, Д-глюкозы, Д-галактозы в олигосахариде. Очевидно, молекула им - мунодоминантного моносахарида более доступна для контакта с рецепторами иммунокомпетентных клеток и легко распознается ими.

Антигены групп крови человека А, В, О представляют собой гликопротеины, содержащие пептидный компонент, который построен из 15 аминокислот. Он одинаков для всех групп крови АВО, а антигенная специфичность определяется его углеводной частью. Люди с группой крови О имеют антиген Н, специфичность которого определяется тремя углеводными остатками. Добавление к структуре Н-антигена 4 углеводного остатка (N-ацетил-Д-галактозы) сообщает ему специфичность А-антигена, а если добавлена Д - галактоза, то он превращается в В-антиген. Для переливания крови необходимо определение группы крови по АВО-антигенам.

К гликопротеинам относятся антигены гистосовместимости (трансплантационные антигены, системы HLA-антигенов человека), используемые для антигенного типирования тканей и подбора совместимой пары донор-рецепиент при трансплантации органов. В настоящее время известно несколько десятков HLA - антигенов.

Особую группу составляют аллергены, которые представляют собой антигены или гаптены вызывающие в организме состояние гиперчувствительности. В окружающей нас внешней среде находится огромное количество чужеродных антигенов, однако частота патологических реакций относительно невелика. Иммунологические реакции играют защитную роль и протекают обычно бессимптомно. Иммунная реакция становится заметной и клинически выраженной при значительных отклонениях иммунореактивности от нормы. Повышенный уровень индивидуальной реактивности в отношении определенных антигенов обозначается как гиперчувствительность или аллергия. Происхождение аллергических реакций различно и обусловлено различными факторами - наследственностью, влиянием окружающей среды, состоянием обмена веществ, способов введения и дозой антигена, интенсивностью образования антител.

Аллергены могут быть: ингаляционными, вызывающими состояние гиперчувствительности при попадании в дыхательные пути (пыльца растений, чешуйки кожи, плесневые грибы и их споры, целый ряд низкомолекулярных химических соединений); пероральными, попадающими в организм через кишечный тракт (продукты питания, медикаменты); кожными, которые воздействуют на кожу (в основном низкомолекулярные соединения, входящие в состав дезинфицирующих, моющих и лекарственных средств и др.). Химическая структура и свойства многих аллергенов неизвестны, поэтому затруднена их стандартизация и диагностика аллергических состояний. Например, известно, что аллергены пыльцы имеют небольшую молекулярную массу (около 20000) и представляют собой полипептиды, соединенные с углеводной частью молекулы, на долю которой приходится15-20%. Некоторые химические соединения, не являясь сами антигенами, вызывают состояние гиперчувствительности к продуктам своего метаболизма. Например, ароматические амино-, нитро- и азосоединения в процессе обмена веществ образуют хиноны, обладающие выраженной аллергизирующей активностью.

Химия антител

Антитела представляют собой белки, относящиеся к гамма-глобулинам, специфически реагирующие с антигенами, в ответ на введение которых они образовались. С 1964 г. антитела обычно называют иммуноглобулинами, так что термин «антитело» и «иммуноглобулин» синонимы. Термин «антитело» используется обычно тогда, когда речь идет об иммуноглобулинах определенной специфичности. В сыворотке крови высших млекопитающих содержится 5 классов иммуноглобулинов.

Иммуноглобулины включают всю популяцию находящихся в организме антител. Общая структура и основные химические свойства всех иммуноглобулинов близки, но, в тоже время, строго специфичны. Эта специфика отражает то разнообразие антигенов, с которым сталкивается организм на протяжении всей жизни. Гетерогенность иммуноглобулинов обусловлена не только различием в структуре антител-связывающих центров.

В силу большой гетерогенности выделение молекул одинаковой структуры для подробного химического исследования представляет сложную задачу. Эта трудность была преодолена при изучении множественной миеломы, заболевании, при котором отдельная плазматическая клетка или ее представительница подвергается неопластической трансформации и возникающая в результате опухоль продуцирует гомогенные иммуноглобулины (миеломный белок, парапротеин). Так как на долю миеломного белка может приходиться до 95% сывороточных иммуноглобулинов, то его легко выделить в чистом виде. Миеломные опухоли были обнаружены у многих видов млекопитающих в том числе людей, коров, лошадей, собак, крыс. Изучение миеломных белков показало, что по всем известным параметрам они сходны с нормальными иммуноглобулинами, но в силу своего происхождения (секретируются одним видом клеток, возникших из единственного иммуноцита) являются гомогенными (поэтому их иногда называют еще моноклональными иммуноглобулинами). Молекулы иммуноглобулинов построены, по меньшей мере, из 4 полипептидных цепей, соединенных между собой S-S связями (дисульфидными мостиками). Полипептидные цепи молекулы представлены двумя типами: тяжелыми с молекулярной массой 55000-77000 и легкими с молекулярной массой около 23000. Таким образом, молекула иммуноглобулина G состоит из 2 легких и 2 тяжелых цепей. Это строение характерно для всех видов животных и человека. Иммунохимическими методами было установлено, что существует 5 типов тяжелых цепей (Н-цепи, англ. Heavy chaines) обозначаемых соответственно у, д, 1, 5, е. Тяжелые цепи определяют принадлежность иммуноглобулинов к определенному классу: у - цепи для Ig G; l - цепи для Ig A; m - цепи для Ig M; 5 - цепи для Ig Д; e - цепи для Ig E.

Существует 2 типа легких цепей (L-цепи, Light chains). У большинства позвоночных животных легкие цепи по их антигенным свойствам делятся на 2 типа, обозначаемых c (каппа-тип) и l (лямбда-тип). В конкретной молекуле иммуноглобулина обе легкие цепи всегда принадлежат к одному и тому же типу и гибридные молекулы не обнаружены. В одном организме встречаются оба типа легких цепей, но их соотношение меняется от вида животного, а также класса и подкласса иммуноглобулинов. Например, в иммуноглобулинах сыворотки крови лошадей 95% легких цепей относятся к l-типу, а у мышей к c-типу. У человека отношение%:1 равно, примерно 2:1.

В молекуле иммуноглобулина G пары легкая-тяжелая цепь (L-H) соединены между собой дисульфид - ными мостиками между тяжелыми цепями. Такими же дисульфидными связями легкие цепи связаны с тяжелыми. Иногда вместо S-S связей между легкими и тяжелыми цепями, образуются такие же связи между обеими легкими цепями, как это имеет место для некоторых Ig А человека и мыши. Во всех молекулах иммуноглобулинов между отдельными участками полипептидных цепей возникают нековалентные взаимодействия, которые позволяют стабилизировать структуру молекулы в целом.

Молекулу Ig G условно можно представить в виде рогатки, где N - концевые участки легких и тяжелых цепей расположены сверху, а С - концевые тяжелых цепей - у основания. Часть молекулы, где соединяются 3 плеча, называется шарнирным участком молекулы. К тяжелым цепям через боковые цепи остатков аспаргина, к молекуле иммуноглобулина присоединены углеводные группы, т.е. иммуноглобулины являются гликопротеинами. Структурная субъединица: пара легкая - тяжелая цепь (L - H)₂ лежит в основе не только иммуноглобулина G, но и других классов иммуноглобулинов. Структура иммуноглобулинов различных классов и подклассов различается по числу субъединиц (L - H) в молекуле, а так же по числу и расположению дисуль - фидных связей. Молекулы Ig Д и Ig E также как и молекулы Ig G являются мономерами и состоят из одной субъедицы (L - Н)₂. Молекула Ig А встречается в виде моно, ди и тетрамера, т.е. может включать одну, две и четыре субъедицы (L - H)₂. В полимерных формах Ig Айв молекуле Ig М (L - H)₂ субъединицы соединены между собой с помощью полипептида называемого j-цепью (англ. Joininy chain - соединительная цепь). Изучение аминокислотных последовательностей миеломных L и Н цепей, показало, что N-концевые половины разных цепей существенно отличаются друг от друга, тогда как аминокислотная последовательность С-концевой цепи идентична у всех молекул. Таким образом, было установлено, что каждая полипептидная цепь состоит из вариабельной (V-область) и постоянной, константной (С-область) частей. Для легких цепей они обозначаются соответственно V_L и C_L и для тяжелых Vh и Сн.

Вариабельная часть, начинаясь на N-конце полипептидной цепи, тянется примерно до 110 аминокислотного остатка, как в легких, так и в тяжелых цепях. Постоянная часть присоединяется к вариабельной области и тянется до С-конца полипептида. Так как L-цепь состоит из 211-221 аминокислотного остатка, то V_L и ^-области имеют примерно одинаковые размеры. Константный участок Сн значительно длиннее, у Ig G он насчитывает 330 аминокислотных остатков. V_L и ^н-участки каждой L иН пары полипептидных цепей образуют антигеносвязующие центры молекулы иммуноглобулинов. Таким образом, каждое антитело (молекула иммуноглобулина) обладает по меньшей мере двумя идентичными атигенсвязыающими центрами. Шарнирные участки придающие подвижность антигенсвязывающим центрам позволяют антителу одновременно связываться с антигенными детерминантами, находящимися на различных растояниях.

Считается, что синтез каждой полипептидной цепи иммуноглобулинов контролируется двумя генами, один из которых кодирует константный участок цепи, а второй - вариабельный. Эти гены объединяются и функционируют как единое целое. Имеется 2 основные теории, объясняющие возникновение вариабельных участков полипептидных цепей. Одна из них - теория генетического наследования исходит из того, что гены V - участков закодированы в геноме организма. По этой теории каждый организм обладает большим числом генов V - участков и для синтеза антител необходима лишь их активация.

Теория соматических мутаций, исходит из того, что разнообразие участков возникает в процессе развития иммунной системы, в результате мутаций из относительно небольшого числа наследственных генов. В соответствии с этой теорией разнообразие вариабельных участков возникает у каждого индивидума, а не передается по наследству. Возможно, что у млекопитающих животных задействованы оба механизма образования вариабельных участков антител.

Вариабельные и константные участки обеспечивают 2 различные функции антител: функции распознавания и связывания и эффекторные функции, заключающиеся в участии в некоторых, так называемых, эф - фекторных механизмах, приводящих к разрушению или элиминации из организма чужеродных антигенов. Например, константные участки полипептидных цепей ответственны за фиксацию комплемента, фиксацию антител к клеткам-макрофагам, тучным клеткам или лимфоцитам. В первичной структуре легких и тяжелых цепей показано наличие участков со сходными аминокислотными последовательностями. Эти гомологичные участки свернуты в полипептидные глобулы (домены). Они связаны более вытянутыми отрезками полипептидной цепи. Каждый домен состоит из 2 соответствующих упакованных вместе гомологичных участков. Гомологичные участки вариабельных частей легких и тяжелых цепей V_L и Vh образуют V домен. Другие домены образованы константными участками полипептидных цепей (С-домены).

Действие протеолитических ферментов приводит к разрушению молекулы нативного иммуноглобулина. Так как компактно уложенные домены хорошо защищены от протеолиза, то действию протеаз подвергается более доступный шарнирный участок. Обработка молекул Ig G папаином приводит к образованию фрагментов. Один из них легко кристаллизующийся, был обозначен как F_c - фрагмент (англ. Fragment crystalline). Он включает в себя С-концевые участки тяжелых цепей. Два других идентичных фрагмента обозначены как Fab - фрагменты (англ. Fragemant antigen bindung). Каждый из них состоит из одного V - домена и одного С-домена. F_C и F_ab - фрагменты выполняют в молекуле иммуноглобулинов различные функции. F_C - фрагмент обуславливает различные эффекторные или добавочные функции антител - связывание комплимента, транспорт через мембраны, фиксация в коже, связывание с макрофагами. F_ab - фрагменты, как это видно из самого названия, осуществляют функцию распознавания и связывания антигенов.

Активный центр антител представляет собой довольно узкое пространство между V_L и Vh - участками полипептидных цепей. Антитела различной специфичности имеют активные центры отличающиеся как размером, так и формой в виду вариации в аминокислотных последовательностях V_L и Vh - участков и их различного взаимного расположения. Антигенсвязывающий центр образован наиболее изменчивыми сегментами V_L и Vh - участков, т.н. гипервариабельными, которые и обеспечивают наиболее широкий набор специфичностей антигенсвязывающего центра.

Существенным отличием антигенсвязывающего центра от активных центров ферментов, является то, что в его формировании участвует две полипептидные цепи. Поэтому разнообразие активных центров антител более широкое, так как, помимо общих факторов, обусловлено способностью легких и тяжелых цепей образовывать разные комбинации при синтезе антител.

Несмотря на то, что определенная молекула антитела имеет единственную в своем роде пространственную структуру, ей присуще явление полиспецифичности, т.е. способность взаимодействовать с детерминантами сходной структуры, а иногда и существенно различающимися антигенами. Явление полиспецифичности имеет тот биологический смысл, что позволяет организму реагировать на незнакомые антигены, включая синтетические соединения. С молекулярной точки зрения явление полиспецифичности может быть объяснено следующим образом. Комплекс антиген-антитело возникает в случае образования достаточного количества различных по химической природе связей между взаимодействующими компонентами. По сравнению с антигенной детерминантой активный центр антитела достаточно велик и различные антигены могут по-разному фиксироваться в антигенсвязывающей полости. Поэтому каждый вид антител имеет набор детерминант, с которыми он способен взаимодействовать.

Взаимодействие антигенов и антител

Реакция взаимодействия антигена с антителом является обратимой реакцией. Одновременно с образованием комплекса антиген-антитело происходит его диссоциация на исходные компоненты. Изменяя условия проведения реакции (рН, концентрацию электролитов) можно усилить процесс диссоциации. Этот прием используется для получения высокоспецифичных антител. Взаимодействие антител с антигеном происходит при определенной концентрации водородных ионов и электролитов. Оптимальные условия соответствуют рН близкому к нейтральному и концентрации электролитов соответствующей 0,85% раствору NaCl. Реакция взаимодействия антигена с антителом экзотермична и идет с выделением тепла.

В образовании комплекса антиген-антитело участвуют те же внутри и межмолекулярные силы, которые обеспечивают поддержание специфической конфигурации белков и других макромолекул. Поэтому аффинность определяется в конечном итоге суммой молекулярных сил притяжения и отталкивания при взаимодействии активного центра антител и гомологичной антигенной детеминанты. Это электростатические силы, обусловленные притяжением между двумя противоположно заряженными ионизированными группами, например, аминогруппами (NH₃+) одних и карбоксильными группами (СОО^-) других аминокислот. При этом взаимодействии аминокислотные остатки оказываются настолько близки друг к другу, что молекулы воды не могут проникнуть между ними. Это имеет важное значение, так как вода в силу своей высокой диэлектрической постоянной значительно ослабляет электростатическое взаимодействие. Электростатическое взаимодействие может возникать и в результате перехода электрона, например, от молекулы триптофана антитела к такому акцептору электронов как динитрофенил. В результате антиген приобретает заряд -1, а антитело +1.

Второй тип химического взаимодействия между антигеном и антителом - это водородные связи, за счет таких групп как ОН, NH₂, СООН. Водородные связи довольно слабы, но сила взаимодействия может увеличиваться в случае удаления из зоны взаимодействия молекул воды.

Третий вид взаимодействия - гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии гидрофобных участков молекул антигена и антитела общая площадь контакта с молекулами воды уменьшается, что обуславливает уменьшение энергии системы, т.е. создает условия притяжения между молекулами. Гидрофобные взаимодействия занимают важное место в механизме взаимодействия антигена с антителом.

Четвертый вид взаимодействия - межмолекулярные или вандерваальсовы силы, обусловленные тем, что молекулы антитела и антигена являются диполями. Сила притяжения между диполями обратно пропорциональна седьмой степени расстояния, т.е. она в сильной степени возрастает по мере сближения взаимодействующих молекул.

Используя очищенные антитела к определенным одновалентным гаптенам, получают достаточно объективные данные, позволяющие количественно рассчитать аффинность. В случае, когда происходит связывание антитела с обычным поливалентным антигеном, силу взаимодействия определить значительно труднее, так как здесь участвуют детерминанты с разным сродством. Авидность (сила суммарного взаимодействия поливалентного антитела и поливалентного антигена) определяется валентностью обоих реагентов и химическим сродством различных антигенных детерминант принимающих участие в реакции.

Установлено, что в ходе иммунного ответа происходит постепенное увеличение аффинности антител. Это явление было названо «созревание иммунного ответа». Для объяснения этого явления была выдвинута гипотеза, объясняющая «созревание иммунного ответа» тем, что происходит отбор в основном тех стимулированных антигеном клеток, которые несут рецепторы с наиболее высокой аффинностью.

На аффинность образовавшихся антител влияют многие факторы: природа иммуногенного стимула, генетические факторы, состояние ретикулоэндотелиальной системы, свободные антитела и антигены, иммунные комплексы. Образование высокоаффинных антител имеет важное биологическое значение, т.к. высокоаффинные антитела в биологических реакциях действуют более эффективно (например, в таких, как связывание комплемента, нейтрализации вирусов, инактивации ферментов, и др.).

Роль низкоаффинных антител, возникающих в процессе иммунного ответа менее ясна. Не исключено, что иммунный ответ, в ходе которого вырабатываются, преимущественно, низкоаффинные антитела являются показателем иммунной недостаточности. Предполагается, что болезни так называемых иммунных комплексов связаны с наличием низкоаффинных антител, которые образуют комплексы антиген-антитело, длительное время находящиеся в крови, в конечном итоге отлагающиеся в тканях и вызывающие их повреждение. Иммунные комплексы образованные высокоаффинными антителами быстро подвергаются иммунной элиминации (под иммунной элиминацией понимают удаление антигена в результате реакции с антителом приускоренном фагоцитозе).

Биохимия и иммуннохимия системы комплемента

Система комплемента состоит из нескольких сывороточных белков-глобулинов, активизирующихся иммунными комплексами или активаторами не иммунологического происхождения. В систему комплемента входит примерно 20 белков сыворотки крови, которые встречаются практически у всех позвоночных. Белки системы комплемента обладают в основном каталитическими свойствами (т.е. являются ферментами). Они катализируют несколько последовательно протекающих на клеточной мембране реакций приводящих к необратимому нарушению структуры и функций биологических мембран и лизису клетки.

Значение системы комплемента заключается в том, что она совместно с другими иммунологическими факторами участвует в борьбе с инфекционными агентами. В тоже время в результате лизиса вызванного активацией системы комплемента может происходить выделение физиологически активных медиаторов, (например, гистамина), оказывающих неблагоприятное воздействие на организм.

Существует 2 пути активизации системы комплемента: классический, который осуществляется антителами связанными с антигеном (иммунными комплексами) и альтернативный, идущий без участия антител.

Способностью активировать комплемент обладают не все классы иммуноглобулинов, а только Ig M и Ig G, но не все подклассы Ig G в этом отношении равноценны. Комплемент связывается с Fc - участком молекулы иммуноглобулина. Свободный иммуноглобулин с комплементом не связывается, и это взаимодействие начинается только после специфического взаимодействия антитела с антигеном. Место связывания с комплементом у свободных антител заблокировано и становятся доступным только после образования комплекса антиген - антитело.

При проведении экспериментальных и клинико-лабораторных исследований источником комплемента чаще всего служит сыворотка крови морской свинки. Большинство компонентов системы комплемента неустойчиво к высокой температуре. Поэтому наиболее употребительный способ инактивации комплемента - прогревание сывороток в течение 30 мин при 56°С.

Классический путь активации комплемента. Для инициации этого пути необходимо связывание антител с растворёнными антигенами или с антигенами находящимися на поверхности клеток мишеней - эритроцитов, бактерий, опухолевых клеток, и др.

Последовательность вступления компонентов системы комплемента в эти реакции остаётся всегда одной и той же:

Ci - С4 - С2 - С3 - С5 - Сб - С7 - С8 - С9

На первом этапе происходит активация С! компонента иммунным комплексом (эритроцитами, нагруженными антителами). С! - компонент состоит из 3 функционально различных субъединиц (C_1q, C_1r, C_1s), которые с помощью Са²⁺ ассоциируют в активированный комплекс С_1а, связывающийся с Fc - участком Ig G или Ig M. Связывающей частью комплекса является субъединица C_1q, имеющая своеобразную структуру: 6 переферических глобулярных областей соединённых фиб - риллоподобным тяжем. C_1r и C_1s являются проферментами, активизирующимися после связывания C_1q с иммуноглобулином. Естественными субстратами этих ферментов являются другие компоненты системы комплемента. C_1s обладает эстеразной активностью. В обычных условиях в сыворотке крови имеется ингибитор C_1s - эстеразы, предохраняющий от самопроизвольной активации С! компонента. При некоторых наследственных дефектах он отсутствует, что приводит к самопроизвольной активации С! - компонента и развитию, так называемого. ангионевротического отёка.

Затем происходит последовательная активация остальных компонентов вплоть до С₉. Каждая стадия представляет довольно сложный процесс, в котором принимают участие как активаторы, так и ингибиторы и происходит расщепление соответствующего компонента комплемента на активные субъединицы. Активация двух последних компонентов на поверхности мембран (эритроциты, бактерии, опухолевые клетки) приводит к необратимому её повреждению.

Известно, что в этом процессе определённую роль играют катионы двухвалентных металлов, так как добавление ЭДТА нарушает его. Электронномикроскопическое изучение этого процесса показало, что под действием активированного комплемента в клеточных стенках эритроцитов возникают отверстия диаметром 8-10 нм. Единственного отверстия, возникающего в результате взаимодействия с одной молекулой Ig М достаточно для гемолиза эритроцитов.

Альтернативный путь активации комплемента. Отличие альтернативного пути заключается в том, что для его протекания нет необходимости в иммунных комплексах, т.е. ему не предшествует иммунная реакция и он осуществляется без участия антител. Активаторами процесса в этом случае служат сами бактерии, вирусы, грибы, эндотоксины, а также агрегированный Ig A.

В альтернативном пути не участвует факторы Ci, C₄, C₂, но принимают участие новые компоненты, такие как факторы Р (пропердин-сывороточный белок с молекулярной массой около 220000), В (проактиватор С₃), Д (конвертаза проактиватора С₃) и некоторые ингибиторы. Все компоненты альтернативного пути активации комплемента также называют системой пропердина.

Начальные стадии альтернативного пути требуют присутствия ионов Mg²+. На стадии включения С₃ компонента оба пути (классический и альтернативный) сходятся. На этом альтернативный путь может оборваться и активация комплемента не произойдёт, хотя образуется ряд физиологически активных продуктов (C_3b, C_3i, C_3d), которые могут связываться с клеточной мембраной моноцитов и гранулоцитов, вызывая лейкоцитоз. Но он может продолжаться и до стадии С₉ и приводить к цитолизу клеток-мишеней. Так как альтернативный путь активации комплемента не требует развития иммунологических реакций, его можно отнести к факторам резистентности организма осуществляющих быструю антимикробную защиту.

В организме существуют также механизмы регуляции обоих путей активации, нарушение которых может приводить к патологическим состояниям. При активации комплемента высвобождается большое количество биологически активных веществ, обуславливающих опсонизацию, иммуноадгезию (прилипание нагруженных антителами частиц или иммунных комплексов к эритроцитам), местную воспалительную и другие биологические реакции.

Патологические иммунные реакции

Иммунопатологические состояния могут быть сведены в 3 основные группы. Во-первых, это болезни дефицита, возникающие, когда один или несколько компонентов сложной системы не функционирует или функционирует в недостаточной степени.

Вторая группа - это болезни гиперчувствительности (аллергии). Иммунный ответ протекает нормально только в том случае, когда происходит тонкое взаимодействие различных факторов: клеточных, гуморальных, неспецифических механизмов, (например, системы комплемента). Нарушение этого взаимодействия может привести к неадекватной реакции иммунной системы, развитию чересчур сильной иммунной реакции и возникновению патологического состояния.

Третья группа - это такие патологические состояния, которые возникают в результате того, что «жертвой» иммунного ответа являются собственные структуры организма (аутоиммунные реакции).

При болезнях дефицита иммунной системы организм не может соответствующим образом реагировать на чужеродные антигены и в большей степени подвержен инфекционным и опухолевым заболеваниям. Ослабленный иммунный ответ обусловлен обычно следующими факторами: нарушениями функций фагоцитов, недостаточностью системы комплемента, недостаточностью гуморального иммунитета, недостаточностью клеточного иммунитета, комбинированными иммунологическими нарушениями, обуславливающими состояние дефицита иммунной системы.

Прежде чем начинает развиваться специфически адекватный гуморальный или клеточный иммунный ответ организм пытается предохранить себя от инфекции с помощью неспецифических защитных функций. К важнейшим из них относятся: целостность эпителиального барьера, действия антибактериальных веществ, таких как лизоцим (фермент повреждающий стенки бактериальной клетки иС - реактивный белок (сывороточный фактор), который связывается с фосфорилилхолином мембран бактериальной клетки и активизирует комплемен - тзависимые опсонизацию и лизис. Внедрившиеся через эпителиальный барьер микроорганизмы устраняются обычно с помощью фагоцитоза. Кроме того, большинство иммунологических реакций заканчиваются фагоцитозом и разрушением микроорганизмов. Поэтому нарушение функций фагоцитов обычно значительно ослабляет иммунный ответ.

Нарушение функции фагоцитоза может наблюдаться при недостатке хемотаксических полипептидов образующихся при активации комплемента и обеспечивающих перемещение фагоцитов к месту инфекции. В некоторых случаях не происходит внутриклеточного разрушения фагоцитированных микроорганизмов вследствие нарушения биохимических механизмов, лежащих в основе этого процесса.

Фагоцитоз может подавляться также при отсутствии тафтсина. Это биогенный тетрапептид (L - трео - нил-лизил-пролил-аргинин) образуется при ферментативном расщеплении иммуноглобулинов. Он избирательно стимулирует фагоцитоз нейтрофильных гранулоцитов и макрофагов. Дефицит тафтсина приводит к повышенной восприимчивости к инфекциям. Его недостаток в определённой мере можно компенсировать препаратами у-глобулинов и антибиотиками.

Недостаточность системы комплемента наблюдается при нарушении синтеза какого-либо из его компонентов или избыточном их потреблении. Например, у человека известна наследственная недостаточность ингибитора эстеразы С₁, которая клинически проявляется ангионевротическим отёком. В здоровом организме система комплемента может быть периодически активирована и ингибирована. При наследственном ан - гионевротическом отёке процессы активизации возникают бесконтрольно, вызывая периодически повторяющиеся местные воспаления. При этом происходит расширение сосудов и накопление экссудата в тканевых пространствах верхних дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта и кожи.

При болезни печени, остром гломерулонефрите, иммуногемолитических анемиях происходит, вследствие большого потребления, резкое уменьшение таких компонентов как С₁, С₄, С₂, С₃, что также обуславливает явления недостаточности комплемента и связанные с ним патологические явления.

Недостаточность гуморального иммунитета проявляется в виде различных гипо - и агаммаглобулине - мий. У сельскохозяйственных животных (корова, овца, лошадь, свинья) может наблюдаться физиологическая агаммаглобулинемия новорождённых связанная с тем, что трансплацентарная передача иммуноглобулинов у этих видов животных не происходит, а собственный синтез находится в зачаточном состоянии. Однако после приема молозива в силу того, что в кишечнике новорожденных существуют условия для всасывания нерасщеплённых иммуноглобулинов, содержание их в крови резко возрастает и достигает нормальных величин. Физиологическая гипогаммаглобулинемия наблюдается и, примерно, на 3-5 неделе жизни животного, когда значительная часть всасавшихся иммуноглобулинов уже распалась, а аутосинтез еще не достиг нужных значений.

При врождённой агаммаглобулинемии организм не в состоянии синтезировать в достаточном количестве иммуноглобулины всех классов. Симптомы этого заболевания становятся выраженными через несколько недель жизни, когда распадутся материнские иммуноглобулины. Несмотря на резкое снижение иммуноглобулинов, клеточный иммунитет функционирует нормально. У человека известны 2 типа врождённой агаммаглобулинемии - рецессивная, сцепленная с Х-хромосомой агаммаглобулинемия у мальчиков и ауто - сомная рецессивная агаммаглобулинемия встречающая у лиц обоего пола.

В некоторых случаях наблюдается селективная недостаточность иммуноглобулинов, когда нарушен синтез одного или более классов иммуноглобулинов (при не нарушенном биосинтезе остальных классов). Патологические проявления наблюдаются наиболее часто при недостаточном биосинтезе иммуноглобулинов G, при этом повышается частота бактериальных инфекций. Избирательный дефицит Ig А или Ig Аи Ig G часто связан с заболеваниями желудочно - кишечного тракта, диареей, нарушением всасывания в кишечнике жиров и жирорастворимых витаминов. В некоторых случаях наблюдается дефицит только Jg М или Ig M и Ig А или Ig Ми Ig G. Дефицит иммуноглобулинов G и М сопровождается, как правило, предрасположенностью к гнойным инфекциям.

Иммунологические состояния недостаточности имеют место при различных инфекционных заболеваниях. Они чаще всего носят временный характер, и не представляет опасности для организма. Однако поражение вирусами самих клеток иммунной системы может привести к тяжелой патологии. Пример - всем известное заболевание СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита).

Недостаточность клеточного иммунитета, выражающаяся в полном или частичном отсутствии Т - клеток, что чаще всего является следствием врождённых дефектов, сопровождается в отличие от гуморального, повышением частоты npeимyщecтвeннo вирусных и грибковых заболеваний. Многие иммунодефи - цитные состояния возникают под действием медикаментозных средств. Например, длительное использование таких противовоспалительных средств, как гормоны кортизон, кортизол и адренокортикотропный гормон, подавляет как клеточный, так и гуморальный иммунитет.

Иммунодефицитные состояния могут наблюдаться при недостаточном или некачественном кормлении

животных. Концентрация иммуноглобулинов может в течение длительного времени оставаться на нормальном уровне, однако первичный ответ будет значительно снижен. В дальнейшем происходит снижение содержания иммуноглобулинов в сыворотке крови и нарушение, функциональной активности лимфоцитов.

Иммунный дефицит может быть обусловлен не только дефицитом белков, углеводов, витаминов, но и неорганических веществ, в первую очередь, таких элементов как железо, цинк, медь. Снижение уровня антител в крови наблюдается также при дефиците магния и селена.

Различные иммунодефицитные состояния имеют в своей основе нарушения обмена веществ, к сожалению, далеко ещё не расшифрованные. Установлено нарушение обмена пуринов, метаболизм которых важен для процессов пролиферации.

Дефицит фермента аденозиндезаминазы нарушает обмен веществ как в покоящихся, так и пролифера - тивных клетках иммунной системы, а поэтому приводит к комбинированной иммунологической недостаточности, характеризующейся выпадением функций как гуморального, так и клеточного иммунитета. Фермент аденозиндезаминаза катализирует необратимое дезаминирование в системах аденозин - инозин или дезоксиа - денозин - дезоксинозин. Предполагается, что одной из причин развития иммунодефицита является токсичность накапливаемого в организме аденозина. Дефицит пуриннуклеозидфосфорилазы приводит к тяжёлому клеточному дефициту, лимфопении и нарушению пролиферативной активности лимфоцитов. Продукция антител и концентрация иммуноглобулинов обычно нормальны. Механизм развития иммунодефицита недостаточно выяснен, но предпологается, что накопление 2¹ - дезоксигуанозин - s - трифосфата, отмечаемое при этом дефекте оказывает токсический эффект. Иммунодефицит при биотинзависимом дефиците карбоксилазы проявляется недостаточностью иммуноглобулина А и уменьшением Т-клеток. Введение биотина оказывает терапевтический эффект.