Строение иммуноглобулинов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Строение иммуноглобулинов

История изучения

Антитела были открыты в 1890 г., когда Э. Беринг (E. Behring) и С. Китасато (C. Kitasato) установили, что сыворотки кроликов, которым вводили дифтерийный токсин, приобретали способность нейтрализовать этот токсин и оказывать лечебное действие при дифтерийной инфекции.

Иммуноглобулины как разновидность белков были первоначально выявлены методом электрофореза во фракциях сывороточных г- и в-глобулинов [А. Тизелиус (A. Tiselius), 1937]. Позже они были очищены методами хроматографии и подвергнуты структурному изучению с помощью ограниченного протеолиза [Р. Поттер (R. Potter)] и восстановления дисульфидных связей [Дж. Эдельман (G. Edelman)]. Большой вклад в изучение антител внесли исследования гомогенных опухолевых (миеломных) иммуноглобулинов [С. Мильштейн (C. Milstein)], которые в конечном счете привели к созданию гибридомной технологии [Г. Кехлер (G. Kohler), С. Мильштейн, 1975], позволившей получать моноклональные антитела заданной специфичности. При помощи гибридом можно получать моноклональные антитела необходимой специфичности. Наконец, в конце 1970-х годов С. Тонегава (S. Tonegawa) открыл молекулярные основы формирования разнообразия антигенраспознающей способности антител и описал явление соматической перестройки иммуноглобулиновых генов.

Антитела (иммуноглобулины, Ig) по своей химической структуре относятся к гликопротеинам, помимо собственно полипептидной цепи содержат олигосахаридные фрагменты.

Некоторые молекулы иммуноглобулинов находятся на поверхности В-лимфоцитов и функционируют как антигенспецифичные рецепторы. Другие антитела присутствуют как свободные молекулы в плазме крови и тканевой жидкости.

Синтез антител осуществляют В-клетки после контакта с антигеном и созревания В-клеток в плазматические клетки.

Функции антител

Иммуноглобулины бифункциональны. Это означает, что иммуноглобулин любого типа:

- распознает и связывает антиген, а затем

- усиливает киллинг и/или удаление иммунных комплексов, сформированных в результате активации эффекторных механизмов.

Роль АТ в формировании приобретенного постинфекционного и поствакцинального иммунитета.

АТ имеют важное значение в формировании приобретенного постинфекционного и поствакцинального иммунитета:

1. Связываясь с токсинами, АТ нейтрализуют их, обеспечивая антитоксический иммунитет.

2. Блокируя рецепторы вирусов, АТ препятствуют адсорбции вирусов на клетках, участвуют в противовирусном иммунитете.

3. Комплекс АГ-АТ запускает классический путь активации комплемента с его эффекторными функциями (лизис бактерий, опсонизация, воспаление, стимуляция макрофагов).

4. АТ принимают участие в опсонизации бактерий, способствуя более эффективному фагоцитозу.

5. АТ способствуют выведению из организма (с мочой, желчью) растворимых АГ в виде ЦИК.

Строение иммуноглобулинов

Общий план строения иммуноглобулинов:

Растворимые антитела и мембранные иммуноглобулиновые рецепторы различаются только строением своей С-концевой части.

Молекулы иммуноглобулинов состоят из двух типов полипептидных цепей - тяжелых (H - heavy) и легких (L - light). Так называемый мономерный иммуноглобулин содержит две Н- и две L-цепи, расположенные симметрично и соединенные дисульфидными связями. Единственная дисульфидная связь, соединяющая Н- и L-цепи, локализуется недалеко от С-конца легкой цепи. Н-цепи скрепляются различным числом дисульфидных связей, о чем будет сказано ниже. Молекулу иммуноглобулина можно разрушить до отдельных полипептидных цепей восстановлением дисульфидных связей дитиотреитолом или меркаптопурином. Легкие цепи содержат 2, а тяжелые - 4-5 гомологичных сегмента - домена. Эти сегменты образованы примерно 110 аминокислотными остатками и имеют сходную пространственную организацию, стабилизированную одной дисульфидной связью, но различные функции. Молекулярная масса L-цепей - 50-60 кДа, Н-цепей - 100-120 кДа, мономера иммуноглобулина - 150-170 кДа.

Во всех цепях N-концевой домен участвует в распознавании антигена. Главную роль при этом играет пространственное соответствие, или комплементарность, антигенраспознающей части молекулы иммуноглобулина с распознаваемым эпитопом. Специфичность иммуноглобулинов определяется первичной структурой антигенраспознающих доменов, называемых вариабельными, или V-доменами (от variable). V-домены тяжелых и легких цепей (VH и VL) участвуют в формировании антигенсвязывающего участка, или активного центра антител. моноклональный антитело электрофорез

Структура остальных доменов молекулы иммуноглобулина постоянна. Поэтому их называют константными, или С-доменами (от constant). В состав L-цепи входит 1 С-домен (СL), Н-цепей - 3 или 4 С-домена (CH1, CH2 и т.д.).

С-домены определяют эффекторные функции иммуноглобулинов, не связанные с распознаванием антигена, а предназначенные для взаимодействия с рецепторами клеток, активации комплемента и т.д., что необходимо для реализации эффекторных функций антител.

Протеазы расщепляют молекулы иммуноглобулинов на фрагменты, при этом под воздействием разных протеаз можно получить различные продукты. Так, папаин расщепляет молекулы иммуноглобулинов на 2 типа фрагментов - Fab (Fragment antigen binding) и Fc (Fragment cristallizable).

Из молекулы выщепляется два Fab-фрагмента и один Fc-фрагмент. Как следует из названия, Fab-фрагмент сохраняет способность связывать антиген, поскольку содержит активный центр антител (V-домены обеих цепей, CL- и CH1-домены). Fc-фрагмент включает остальные СH-домены, скрепленные дисульфидными связями. Название Fc-фрагмента определило обозначение рецепторов, распознающих "хвостовую" часть антител - Fc-рецепторы.

Другой протеолитический фермент - пепсин - расщепляет молекулу ближе к С-концу Н-цепей, чем папаин, - "ниже" дисульфидных связей, скрепляющих Н-цепи. В результате при действии пепсина образуется двухвалентный антигенсвязывающий F(ab')2-фрагмент и укороченный Fc'-фрагмент.

Выделяют два типа L-цепей - к и л, различающиеся строением CL-домена. Строение СН-доменов обусловливает разделение Н-цепей и молекул иммуноглобулинов на изотипы, или классы, первоначально идентифицированные серологически (т.е. с помощью сывороточных антител к различным изотипам). Выделяют 5 основных изотипов Н-цепей - м, г, б, д и е.

Каждая молекула иммуноглобулина может содержать Н-цепи только одного изотипа. В зависимости от структуры Н-цепей выделяют 5 классов молекул иммуноглобулинов - IgM, IgG, IgA, IgD и IgE (латинские буквы в названии иммуноглоублинов соответствуют греческим в обозначении изотипов Н-цепей). Иммуноглобулины классов IgG и IgA разделяют на подклассы (субтипы), также в зависимости от особенностей Н-цепей.

У человека выделяют 4 подкласса IgG - IgG1, IgG2, IgG3, IgG4 и 2 подкласса IgA - IgA1 и IgA2. Н-цепи этих подклассов иммуноглобулинов обозначают соответствующими греческими буквами с цифрой (г1, г2, г3, г4, б1, б2). Иммуноглобулины всех классов могут принадлежать к К- и L-типам в зависимости от присутствия в их составе

L-цепей к- или л-типов соответственно. У человека соотношение K- и L-типов составляет 3:2.

Активные центры образованы первыми доменами V-областей тяжелой и легкой цепи.

Активный центр имеет характерную пространственную конфигурацию, определенное распределение положительных и отрицательных зарядов, гидрофобных и гидрофильных остатков аминокислот на своей поверхности. От этого зависит его способность специфически связываться с конкретным эпитопом, имеющим комплементарную структуру. Взаимодействие эпитопа с активным центром идет по принципу "ключ - замок". Эпитоп удерживается в активном центре за счет всех типов нековалентных связей (водородные связи, гидрофобные и электростатические взаимодействия, ван-дер-ваальсовы силы взаимного притяжения). Силу химической связи одного антигенного эпитопа с одним из активных центров молекулы иммуноглобулина называют аффинностьюсвязи антитела с антигеном. Аффинность количественно принято оценивать по константе диссоциации одного антигенного эпитопа с одним активным центром в моль"1.

Силу связи цельной молекулы антитела со всеми, которые ей удалось связать антигенными эпитопами, называют авидностью связи антитела с антигеном. Авидность количественно также измеряют как константу диссоциации соответственно цельной молекулы антитела со всеми связанными эпитопами. Например, IgM высокоавидны, но низкоаффинны; IgG - наоборот, низкоавидны и высокоаффинны.

Отражением структурного разнообразия антигенсвязывающего участка иммуноглобулинов-антител является их идиотипическое разнообразие. Если рассматривать антитела как молекулы с антигенными свойствами, то естественно предположить, что антигенная специфичность их вариабельных участков будет практически уникальна. Антигенные детерминанты - эпитопы, локализующиеся в вариабельных зонах иммуноглобулинов, назы вают идиотопами, а соответствующие антигенные варианты иммуноглобулинов - идиотипами. Общие идиотипы характерны для антител к распространенным антигенам.

Частные идиотипы служат уникальными маркерами антител. Активные центры антител к некоторым идиотипам по крайней мере частично воспроизводят пространственную структуру антигена, против которого направлены антитела, несущие этот идиотип. Такие антиидиотипические активные центры обозначают как внутренний образ антигена. Однако полное совпадение пространственной структуры антиидиотипа и антигена невозможно, поскольку антигенный эпитоп практически всегда имеет выпуклую форму, а активный центр антител - вогнутую. Антиидиотипические антитела играют важную роль в регуляции гуморального иммунного ответа.

Основные биологические характеристики антител:

1. Специфичность - это способность взаимодействовать с определенным (своим) антигеном (соответствие эпитопа АГ и активного центра АТ).

2. Валентность - это количество способных реагировать с АГ активных центров (связано с молекулярной организацией - моно- или полимер). Иммуноглобулина могут быть двухвалентными (IgG) или поливалентными (IgM имеет 10 активных центров). Двух- и более валентные АТ называют полными АТ. Неполные АТ имеют только один участвующий во взаимодействии с АГ активный центр (блокирующий эффект на иммунологически реакции, например, на агглютинационные тесты). Их выявляют антиглобулиновой пробой Кумбса, реакцией угнетения связывания комплемента.

3. Афинность - сила химической связи одного антигенного эпитопа с одним из активных центров молекулы иммуноглобулина.

4. Авидность - сила связи цельной молекулы антитела со всеми, которые ей удалось связать антигенными эпитопами.

5. Гетерогенность (вариабельность) - обусловлена антигенными свойствами АТ. Все разнообразие антител проистекает из вариабельности как тяжёлых цепей, так и лёгких цепей. У антител, вырабатываемых тем или иным организмом в ответ на те или иные антигены, выделяют:

Изотипическая вариабельность - проявляется в наличии классов антител (изотипов), различающихся по строению тяжёлых цепей и олигомерностью, вырабатываемых всеми организмами данного вида;

Аллотипическая вариабельность - проявляется на индивидуальном уровне в пределах данного вида в виде вариабельности аллелей иммуноглобулинов - является генетически детерминированным отличием данного организма от другого;

Идиотипическая вариабельность - проявляется в различии аминокислотного состава антиген-связывающего участка. Это касается вариабельных и гипервариабельных доменов тяжёлой и лёгкой цепей, непосредственно контактирующих с антигеном.

Классификация антител

1. По валентности бывают:

- полные АТ;

- неполные АТ.

2. По антигенам различают:

- антиинфекционные или антипаразитарные антитела, вызывающие непосредственную гибель или нарушение жизнедеятельности возбудителя инфекции либо паразита

- антитоксические антитела, не вызывающие гибели самого возбудителя или паразита, но обезвреживающие вырабатываемые им токсины.

- так называемые "антитела-свидетели заболевания", наличие которых в организме сигнализирует о знакомстве иммунной системы с данным возбудителем в прошлом или о текущем инфицировании этим возбудителем, но которые не играют существенной роли в борьбе организма с возбудителем (не обезвреживают ни самого возбудителя, ни его токсины, а связываются со второстепенными белками возбудителя).

- аутоагрессивные антитела, или аутологичные антитела, аутоантитела - антитела, вызывающие разрушение или повреждение нормальных, здоровых тканей самого организма хозяина и запускающие механизм развития аутоиммунных заболеваний.

- аллореактивные антитела, или гомологичные антитела, аллоантитела - антитела против антигенов тканей или клеток других организмов того же биологического вида. Аллоантитела играют важную роль в процессах отторжения аллотрансплантантов, например, при пересадке почки, печени, костного мозга, и в реакциях на переливание несовместимой крови.

- гетерологичные антитела, или изоантитела - антитела против антигенов тканей или клеток организмов других биологических видов. Изоантитела являются причиной невозможности осуществления ксенотрансплантации даже между эволюционно близкими видами (например, невозможна пересадка печени шимпанзе человеку) или видами, имеющими близкие иммунологические и антигенные характеристики (невозможна пересадка органов свиньи человеку).

- антиидиотипические антитела - антитела против антител, вырабатываемых самим же организмом. Причём это антитела не "вообще" против молекулы данного антитела, а именно против рабочего, "распознающего" участка антитела, так называемого идиотипа. Антиидиотипические антитела играют важную роль в связывании и обезвреживании избытка антител, в иммунной регуляции выработки антител. Кроме того, антиидиотипическое "антитело против антитела" зеркально повторяет пространственную конфигурацию исходного антигена, против которого было выработано исходное антитело. И тем самым антиидиотипическое антитело служит для организма фактором иммунологической памяти, аналогом исходного антигена, который остаётся в организме и после уничтожения исходных антигенов. В свою очередь, против антиидиотипических антител могут вырабатываться анти-антиидиотипические антитела и т. д.

3. По формам существования:

- растворимые;

- мембранные (в составе В-клеточного рецептора).

4. По размерам молекулы:

- мономер;

- димер;

- пентамер и т.д.

5. По специфичности связывания антигена:

- поликлональные антитела: если антиген поливалентен (например, белок), то в сыворотке крови образуются антитела, обладающие разной специфичностью связывания антигена. Поликлональные антитела гетерогенны как по структуре антигенсвязывающего центра, так и по физико-химическим свойствам.

- моноклональные антитела: антитела с одной специфичностью связывания, продуцируемые одним клоном лимфоцитов. Клон - это потомство одной клетки. Биотехнология получения моноклональных АТ называется гибридомой. Гибридома - гибридная клеточная линия, полученная в результате слияния клеток двух видов: способных к образованию антител B-лимфоцитов, полученных из селезёнки иммунизированного животного (чаще всего мыши), и раковых клеток миеломы.

6. Классы иммуноглобулинов:

- IgG

- IgM

- IgA

- IgD

- IgE

Размещено на Allbest.ru