Мед. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология т-1, Звере. 2016 2 Библиография Медицинская микробиология,вирусология и иммунология в 2 т. Том Электронный ресурс
 Скачать 4.99 Mb.
|
|
11.1. Антитела и антителообразование 11.1.1. Природа антител Одной из филогенетически наиболее древних форм иммунной защиты является биосинтез антител - белков, специфически реагирующих с антигенами. Антитела относятся преимущественно к γ-глобулиновой фракции белков плазмы крови, на долю которых приходится 15-25% ее белкового содержания, что составляет примерно 10-20 г/л. Поэтому антитела получили названиеиммуноглобулинов, и их обозначают символом Ig. Следовательно антитела - это γ- глобулины плазмы крови, способные специфически связываться с антигеном и участвовать во многих иммунных реакциях. Антитела синтезируются В-лимфоцитами и их потомками - плазматическими клетками и в циркулирующей форме, и в виде рецепторных молекул на иммунокомпетентных клетках. Циркулирующие антитела подразделяются на сывороточные и секреторные. К антителам могут 216 быть также отнесены белки Бенс-Джонса, которые являются фрагментами молекулы Ig (его легкая цепь) и синтезируются в избытке при миеломной болезни. Строение и функцию антител изучали многие видные ученые: П. Эрлих (1885) предложил первую теорию гуморального иммунитета, Э. Беринг и С. Китазато (1887) получили первые антитоксические сыворотки к дифтерийному и столбнячному токсинам, А. Безредка (1923) разработал метод безопасного введения пациентам лечебных иммунных сывороток. Большая заслуга в расшифровке молекулярного строения Ig принадлежит Д. Эдельману и Р. Портеру (1959), а разгадка многообразия антител - Ф. Бернету (1953) и С. Тонегаве (1983). 11.1.2. Молекулярное строение антител Иммуноглобулины - это белки сыворотки крови. Они секретируются плазматическими клетками в ответ на антиген. Молекулы Ig имеют универсальное строение (рис. 11.1). Они состоят из 2 пар полипептидных цепей: двух тяжелых (550-660 аминокислотных остатков, молекулярная масса - 50 кД) и двух легких (220 аминокислотных остатков, молекулярная масса - 20-25 кД). Обозначают их как H- (от англ. heavy - тяжелый) и L- (от англ. light - легкий) цепи. Тяжелые и легкие цепи связаны между собой попарно дисульфидными связями (-S-S-). Между тяжелыми цепями также есть дисульфидная связь - это так называемый шарнирный участок. Такой тип межпептидного соединения позволяет молекуле Ig легко менять свою конформацию в зависимости от окружающих условий и состояния. Область шарнирного участка ответственна за взаимодействие с первым компонентом комплемента (С1) и его активацию по классическому пути. Различают структурные варианты легких и тяжелых полипептидных цепей молекулы Ig. Легкие цепи бывают 2 типов: κ и λ (каппа и лямбда). Тяжелых цепей известно 5 типов: α, γ, μ, ε и δ (альфа, гамма, мю, эпсилон и дельта). Среди многообразия цепей α-типа выделяют α 1 - и α 2 - подтипы, μ-цепей - μ 1 и μ 2 , γ-цепей - γ 1 -, γ 2 -, γ 3 - и γ 4 -подтипы. Рис. 11.1. Схема строения молекулы иммуноглобулина класса G: V - вариабельный домен; C - константный домен; S - дисульфидная связь шарнирного участка Вторичная структура полипептидных цепей молекулы Ig имеет доменное строение - ее отдельные участки свернуты в глобулы (домены), стабилизированные внутренней дисульфидной связью. Таких доменов в составе тяжелой цепи Ig бывает 4-5, в легкой - 2. Каждый домен состоит примерно из 110 аминокислотных остатков. 217 Домены различаются по постоянству аминокислотного состава. Выделяют С-домены (от англ. constant - постоянный) с относительно постоянной структурой и V-домены (от англ. variable - изменчивый) с переменной структурой. В составе легкой цепи есть по одному V- и С-домену, а в тяжелой - один V- и 3-4 С-домена. Примечательно, что не весь вариабельный домен изменчив по своему аминокислотному составу, а лишь его незначительная часть - гипервариабельная область, на долю которой приходится около 25%. Вариабельные домены легкой и тяжелой цепей совместно образуют участок, который специфически связывается с антигеном, - антигенсвязывающий центр, или паратоп. Гипервариабельные области тяжелой и легкой цепей определяют индивидуальные особенности строения антигенсвязывающего центра для каждого клона Ig и многообразие их специфичностей. Обработка ферментами молекулы Ig приводит к ее гидролизу на определенные фрагменты. Так, папаин разрывает молекулу выше шарнирного участка и ведет к образованию трех фрагментов (см. рис. 11.1). Два из них способны специфически связываться с антигеном. Они состоят из цельной легкой цепи и участка тяжелой (V- и C-домен), и в их структуру входят антигенсвязывающие участки. Эти фрагменты получили название Fab (от англ. - фрагмент, связывающийся с антигеном). Третий фрагмент, способный образовывать кристаллы, получил название Fc (от англ. - фрагмент кристаллизующийся). Он ответствен за связывание с рецепторами на мембране клеток макроорганизма (Fc-рецепторы) и некоторыми микробными суперантигенами (например, белком А стафилококка). Пепсин расщепляет молекулу Ig ниже шарнирного участка и ведет к образованию 2 фрагментов: Fc и двух сочлененных Fab, или F(ab) 2 В структуре молекул Ig обнаруживают дополнительные полипептидные цепи. Так, полимерные молекулы IgM, IgA содержат J-пептид (от англ. join - соединяю), который объединяет отдельные мономеры в единое макромолекулярное образование (см. раздел 11.1.3). Молекулы секреторных Ig обладают S-пептидом (от англ. secret - секрет). Это так называемый секреторный компонент. Его молекулярная масса составляет 71 кД, он является β- глобулином и предохраняет молекулу Ig в секрете слизистых оболочек от ферментативного расщепления. Рецепторный Ig, локализующийся на цитоплазматической мембране антителопродуцирующих клеток, имеет дополнительный гидрофобный трансмембранный М- пептид (от англ. membrane - мембрана). Он прочно удерживает молекулу Ig в липидном бислое цитоплазматической мембраны и проводит рецепторный сигнал через цитоплазматическую мембрану внутрь клетки. J- и M-пептиды присоединяются к молекуле Ig в процессе ее биосинтеза. S-пептид является продуктом эпителиальной клетки - он присоединяется к J-пептиду полимерной молекулы Ig при ее транслокации через эпителиальную клетку. 11.1.3. Структурно-функциональные особенности иммуноглобулинов различных классов В зависимости от особенностей молекулярного строения тяжелой цепи, а следовательно, наличия изотипических, или групповых, антигенных детерминант различают 5 классов или изотипов Ig (рис. 11.2). Молекулы, содержащие тяжелую цепь α-типа, относят к изотипу, или классу A (сокращенно IgA), δ-типа - IgD, ε-типа - IgE, γ-типа - IgG и μ-типа - IgM. Различают также подклассы Ig. 218 Рис. 11.2. Схема строения иммуноглобулинов различных классов (пояснение в тексте) Для каждого изотипа Ig характерны свои особенности. В частности, Ig D, E и G имеют мономерное строение, IgM практически всегда является пентамером, а молекула IgA может быть моно-, ди- и тримером. Наиболее характерные черты различных изотипов Ig приведены в табл. 11.1. Таблица 11.1. Основные характеристики иммуноглобулинов человека Окончание табл. 11.1 219 Иммуноглобулин класса G составляет основную массу Ig сыворотки крови, на его долю приходится 70-80% всех циркулирующих Ig, при этом 50% содержится в тканевой жидкости. Среднее содержание IgG в сыворотке крови здорового взрослого человека - 12 г/л, что достигается к 7-10-летнему возрасту. Период полураспада IgG 21 день. IgG - мономер, имеет 2 антигенсвязывающих центра, может связать 2 молекулы антигена подряд. Молекулярная масса около 160 кД, константа седиментации 7S. Синтезируется зрелыми В-лимфоцитами (Β γ ) и плазматическими клетками. Хорошо определяется в сыворотке крови на пике первичного и при вторичном иммунном ответе. Обладает высокой аффинностью (см. раздел 11.1.5). Различают подтипы G1-G4. IgG1 и G3 связывают комплемент, причем G3 активнее. IgG4 подобно IgE обладает цитофильностью (тропностью, или сродством, к тучным клеткам и базофилам) и участвует в развитии аллергической реакции I типа (см. раздел 11.4). Легко проходит через плацентарный барьер и обеспечивает гуморальный иммунитет новорожденного в первые 3-4 мес после рождения, в том числе обнаруживается в молоке. IgG обеспечивает нейтрализацию и маркирование антигена, осуществляет запуск комплементопосредованного цитолиза и АЗКЦТ. Иммуноглобулин класса M - наиболее крупная молекула из всех Ig. Это пентамер, который имеет 10 антигенсвязывающих центров. Его молекулярная масса около 900 кД, константа седиментации 19S. Различают подтипы М1 и М2. Тяжелые цепи молекулы IgM, в отличие от других изотипов, построены из 5 доменов. Являясь полимерной молекулой, содержит J-цепь. Период полураспада 5 дней. На его долю приходится 5-10% всех циркулирующих Ig. Среднее содержание IgM в сыворотке крови здорового взрослого человека около 1 г/л. Этого уровня человек достигает уже к 2-4-летнему возрасту. IgM филогенетически наиболее древний иммуноглобулин. Образуется в начале первичного иммунного ответа. Обладает высокой авидностью, наиболее эффективный активатор комплемента по классическому пути. Большая часть нормальных антител и изоагглютининов относится к IgM. Не проходит через плаценту. Обнаружение высоких титров специфических антител изотипа M в сыворотке крови новорожденного указывает на бывшую внутриутробную инфекцию или дефект плаценты. IgM обеспечивает нейтрализацию и маркирование антигена, осуществляет запуск комплементопосредованного цитолиза и АЗКЦТ. Является маркером острого инфекционного процесса. Иммуноглобулин класса A существует в сывороточной и секреторной формах. Около 60% всех IgA содержится в секретах слизистых оболочек. Сывороточный IgA. На его долю приходится около 10-15% всех циркулирующих Ig. В сыворотке крови здорового взрослого человека содержится около 2,5 г/л IgA, максимум достигается к 10- летнему возрасту. Период полураспада 6 дней. IgA - мономер, имеет 2 антигенсвязывающих центра, молекулярную массу около 170 кД и константу седиментации 7S. Различают подтипы A1 и A2. Синтезируется зрелыми иммунными В- лимфоцитами (Β α ) и плазматическими клетками. Хорошо определяется в сыворотке крови на пике первичного и при вторичном иммунном ответе. Обладает высокой аффинностью. Не связывает комплемент. Не проходит через плацентарный барьер. IgA обеспечивает нейтрализацию и маркирование антигена, осуществляет запуск АЗКЦТ. Секреторный IgA (sIgA) существует в полимерной форме в виде диили тримера (4- или 6- валентный), несет 4 или 6 паратопов и содержит J- и S-пептиды. Молекулярная масса 350 кД и выше, константа седиментации 13S и выше. Синтезируется В1-лимфоцитами, плазматическими клетками и, возможно, В1- лимфоцитами в пределах слизистых оболочек и выделяется в их секреты. Объем продукции может 220 достигать 5 г в сутки. Пул sIgA считается самым многочисленным в организме - его количество превышает суммарное содержание IgM и IgG. В сыворотке крови sIgA не обнаруживается. Формирование четвертичной структуры молекулы sIgA происходит при ее транслокации через эпителиальную клетку. На базальной и латеральной поверхности эпителиальная клетка несет рецептор к J-цепи полимерной молекулы Ig (JR). Присоединяясь к рецептору, IgA эндоцитируется клеткой в виде везикулы и переносится к апикальной поверхности эпителиоцита, где JR подвергается ферментативному расщеплению. В результате IgA высвобождается в слизистый секрет просвета органа уже в секреторной форме, так как оставшийся прикрепленным к молекуле Ig фрагмент JR становится S-цепью. Секреторная форма IgA - основной фактор специфического гуморального местного иммунитета слизистых оболочек желудочнокишечного и респираторного тракта, мочеполовой системы. Благодаря S-цепи он устойчив к действию протеаз. sIgA не активирует комплемент, но эффективно связывается с антигенами, нейтрализует их и препятствует адгезии микробов на эпителиальных клетках. Иммуноглобулин класса E называют также реагином. Содержание в сыворотке крови крайне невысоко - примерно 0,00025 г/л. Молекулярная масса около 190 кД, константа седиментации примерно 8S, мономер. На его долю приходится около 0,002% всех циркулирующих Ig. Этот уровень достигается к 10-15 годам жизни. Синтезируется зрелыми В-лимфоцитами (Β ε ) и плазматическими клетками преимущественно в лимфоидной ткани бронхолегочного дерева и желудочно-кишечного тракта. Не связывает комплемент. Не проходит через плацентарный барьер. Обладает выраженной цитофильностью - тропностью к тучным клеткам и базофилам. Участвует в развитии гиперчувствительности немедленного типа - реакция I типа (см. раздел 11.4). Иммуноглобулин класса D практически полностью содержится в сыворотке крови в концентрации около 0,03 г/л (около 0,2% общего количества циркулирующих Ig). IgD имеет молекулярную массу 160 кД и константу седиментации 7S, мономер. Не связывает комплемент. Не проходит через плацентарный барьер. Экспрессируется на предшественниках В-лимфоцитов. Рецепторные иммуноглобулины, или мембранные, локализуются на цитоплазматической мембране В-лимфоцитов и выполняют функции их антигенспецифических рецепторов. Имеют те же изотип и специфичность, что и синтезируемые в межклеточную среду антитела. Содержат особый дополнительный M-пептид, благодаря которому молекула рецепторного Ig фиксируется в цитоплазматической мембране иммунокомпетентной клетки. Нормальные антитела, или естественные, - совокупность Ig сыворотки крови человека различной специфичности, формирующих их базальный уровень. К ним относят изогемагглютинины - антитела к эритроцитарным антигенам групп крови (например, система АВ0), антигенам бактерий кишечной группы, кокков и некоторых вирусов. Эти антитела постоянно образуются в организме без видимой антигенной стимуляции. Отражают готовность макроорганизма к иммунному реагированию, а также свидетельствуют об отдаленном контакте с антигеном. Моноклональные антитела. Каждый В-лимфоцит и его потомки, образовавшиеся в результате клеточного деления (т.е. клон), способны синтезировать антитела с паратопом строго определенной специфичности. Такие антитела получили название моноклональных. В естественных условиях макроорганизма получить моноклональные антитела практически невозможно, так как на одну и ту же антигенную детерминанту одновременно реагируют до 100 различных клонов В-лимфоцитов, незначительно различающихся антигенной специфичностью. Поэтому в результате иммунизации даже монодетерминантным антигеном мы всегда получаем поликлональные антитела. Принципиально получение моноклональных антител выполнимо, если провести предварительную селекцию антителопродуцирующих клеток и их клонирование, т.е. получение 221 необходимых клонов. Однако задача осложняется тем, что число генераций В-лимфоцитов, как и других эукариотических клеток, ограничено. Тем не менее проблема была успешно решена Д. Келлером и Ц. Мильштайном (1975). Исследователи получили гибриды иммунных В-лимфоцитов и миеломных (опухолевых) клеток, которые обладали свойствами антителопродуцента и «бессмертием» раково-трансформированной клетки. Такой вид клеток получил название гибридом. В ходе дальнейшей селекции были отобраны клоны с наивысшей продуктивностью и аффинностью специфических антител. Гибридомные моноклональные антитела нашли широкое применение при создании диагностических и лечебных иммунобиологических препаратов. Полные и неполные антитела. Такое подразделение основано на способности образовывать в реакции агглютинации или преципитации (in vitro) хорошо различимый глазом результат. Таким свойством обладают полные антитела. К ним относятся IgМ, а также некоторые IgA и G. Неполные антитела лишены такой способности, несмотря на то, что они специфически связываются с антигеном - их еще называют неагглютинирующими, непреципитирующими или блокирующими антителами (см. главу 13). 11.1.4. Антигенность антител Иммуноглобулин, как и всякий белок, обладает антигенностью и выраженной иммуногенностью. В молекуле Ig различают 4 типа атигенных детерминант: видовые, изотипические, аллотипические и идиотипические. Видовые антигенные детерминанты характерны для Ig всех особей данного вида (например, кролика, собаки, человека). Они определяются строением легкой и тяжелой цепей. По этим детерминантам можно идентифицировать видовую принадлежность антител. Изотипические антигенные детерминанты являются групповыми. Они локализуются в тяжелой цепи и служат для дифференцировки Ig на 5 изотипов (классов) и множество подклассов (см. раздел 11.1.3). Аллотипические антигенные детерминанты являются индивидуальными, т.е. присущими конкретному организму. Они располагаются в легкой и тяжелой полипептидных цепях. На основании строения аллотипических детерминант можно различать особи внутри одного вида. Идиотипические антигенные детерминанты отражают особенности строения антигенсвязывающего центра самой молекулы Ig. Они образованы V-доменами легкой и тяжелой цепей молекулы Ig. Обнаружение идиотипических антигенных детерминант послужило основанием для создания теории идиотип-антиидиотипической регуляции биосинтеза антител. 11.1.5. Механизм взаимодействия антитела с антигеном В процессе взаимодействия с антигеном принимает участие антигенсвязывающий центр молекулы Ig, илипаратоп, который способен связываться со строго определенной антигенной детерминантой. Эта связь осуществляется за счет слабых взаимодействий (ван-дер- ваальсовы силы, водородные связи, злектростатические взаимодействия) и отличается неустойчивостью - образовавшийся иммунный комплекс (ИК) может легко диссоциировать: АГ + АТ ↔ ИК. Продолжительность существования иммунного комплекса определяется целым рядом факторов. При этом важное значение имеют особенности антитела, антигена и условия, в которых происходит их взаимодействие. К особенностям антитела следует отнести его аффинность и авидность. Аффинность - сила специфического взаимодействия антитела с антигеном (или энергия их связи). Аффинность определяется степенью стерического (пространственного) соответствия 222 эпитопа и паратопа. Чем больше образуется связей между эпитопом и паратопом, тем выше будут устойчивость и продолжительность жизни образовавшегося иммунного комплекса. Иммунный комплекс, образованный низкоаффинными антителами, чрезвычайно неустойчив и имеет малую продолжительность существования. Установлено, что в условиях макроорганизма с одной и той же антигенной детерминантой способны одновременно прореагировать и образовать иммунный комплекс около 100 различных клонов антител. Все они будут отличаться структурой антигенсвязывающего центра, специфичностью и аффинностью. Аффинность антител существенно меняется в процессе иммунного ответа в связи с селекцией наиболее специфичных клонов В-лимфоцитов. Наименее аффинными считаются нормальные антитела. По расчетам общее количество различных антигенспецифических клонов В-лимфоцитов достигает 10 6 -10 7 Другой характеристикой Ig является авидность. Под этим термином понимают прочность связывания антитела и антигена. Эта характеристика определяется аффинностью Ig и числом антигенсвязывающих центров. Наибольшей авидностью обладают антитела класса М, так как они имеют 10 антигенсвязывающих центров. Эффективность взаимодействия антитела с антигеном существенно зависит от условий, в которых происходит реакция, прежде всего от pH среды, осмотической плотности, солевого состава и температура среды. Оптимальными для реакции антиген-антитело являются физиологические условия внутренней среды макроорганизма: близкая к нейтральной реакция среды, присутствие фосфат-, карбонат-, хлорид- и ацетат-ионов, осмолярность физиологического раствора (концентрация раствора 0,15 М), а также температура 36-37 °С. |