Антитела

Термин «антитело» был введён в употребление в конце XIX века. В 1890 году Беринг ( Behring ) и Китасато ( Kitasato ) провели эксперименты, в которых они изучали на морских свинках действие дифтерийного и столбнячного токсинов. Они вводили животным сублетальную дозу токсина, через некоторое время брали у них сыворотку и вводили её вместе с летальной дозой токсина другим животным, в результате чего животные не погибали. Был сделан вывод, что после иммунизации токсином в крови животных появляется вещество, способное нейтрализовать его и тем самым предотвратить заболевание.

Данное вещество получило название антитоксина, а затем был введён более общий термин – антитело; вещества вызывающие образование антител стали называть антигенами.

Только в 1939 году Тизелиус ( Tiselius ) и Кэбет ( Kabat ) показали, что антитела содержатся в определённой фракции белков сыворотки. Они иммунизировали животное овальбумином и из полученной сыворотки взяли две пробы, в одну из них был добавлен овальбумин и образовавшийся осадок (комплекс антитело-овальбумин) удалили.

Электрофорез выявил, что в пробе куда добавлялся овальбумин, содержание -глобулинов значительно ниже чем в другой пробе. Это указывало на то, что антитела являются -глобулинами. Чтобы отличить их от других белков, содержащихся в этой фракции глобулинов, антитела были названы иммуноглобулинами.

Сейчас известно, что антитела обнаруживаются в значительных количествах также во фракциях - и -глобулинов.

Структура антител была установлена в ходе разнообразных экспериментов. В основном они заключались в том, что антитела обрабатывались протеолитическими ферментами (папаин, пепсин), и подвергались алкилированию и восстановлению меркаптоэтанолом. Затем исследовались свойства полученных фрагментов: определялась их молекулярная масса (хроматографией), четвертичная структура (рентгеноструктурным анализом), способность связываться с антигеном и т.п. Также использовались антитела к данным фрагментам: выяснялось, могут ли антитела к одному типу фрагментов связываться с фрагментами другого типа. На основе полученных данных была построена описываемая ниже модель молекулы антител.

Строение антител.

Молекула антитела состоит из четырёх полипептидных цепей (рис.1): двух тяжёлых ( H ; мол.масса 50-70 кДа) и двух лёгких ( L ; мол.масса 23 кДа). Цепи соединены нековалентными связями (водородные, гидрофобные связи) и дисульфидными мостиками и состоят из двух (лёгкая цепь) или четырёх (тяжёлая цепь) доменов длиной около 110 аминокислотных остатков.

Вариабельные домены V H и V L , представляющие собой N -концевые участки цепей, образуют антигенсвязывающий сайт.

Помимо них лёгкие цепи содержат по одному (С L ), а тяжёлые по три-четыре (С H 1-4 ) константных домена. При ферментативном расщеплении антител протеолитическим ферментом папаином образуются три фрагмента: два идентичных антигенсвязывающих фрагмента ( Fab ) и один кристаллизуемый фрагмент ( Fc ). Fab -фрагмент состоит из интактной L -цепи, связанной дисульфидной связью с доменами С H 1 и V H , его N -концевая часть ( Fv -фрагмент ) обладает антигенсвязывающей активностью. Fc -фрагмент состоит из двух соединённых дисульфидной связью пар доменов C H 2 и C H 3 . Данный фрагмент не участвует в связывании антигенов, а выполняет эффекторные функции – реагирование с клетками и факторами комплемента.

Способность связывания антитела с тем или иным антигеном определяется аминокислотным составом вариабельных доменов, а точнее их гипервариабельных участков. Для этих участков характерна очень высокая изменчивость последовательности аминокислот.

Каждый V H и V L домен содержит по три гипервариабельных участка, которые Рис. 1. Строение молекулы антитела. H и L , тяжёлая и лёгкая цепи; CDR , гипервариабельные участки. собственно и образуют антигенсвязывающие сайты.

Последовательности между ними названы каркасными; для них характерна более низкая структурная изменчивость.

Аминокислотная последовательность константной области слабо варьирует.

Секвенирование лёгкой цепи выявило существование двух основных вариантов аминокислотных последовательностей С L -доменов, что привело к выделению двух типов лёгких цепей – каппа ( ) и лямбда ( ). Молекула антитела может одновременно содержать либо две –цепи, либо две –цепи (у антител человека чаще встречаются -цепи). Также определение аминокислотных последовательностей позволило выделить пять типов С H -областей и соответственно - тяжёлых цепей ( , , , , ). Цепи и содержат по четыре константных домена, остальные цепи – три константных домена, а также шарнирную область между доменами С H 1 и C H 2 . В зависимости от того, какой тип тяжёлой цепи содержит антитело, различают пять классов иммуноглобулинов: IgA (тяжёлая цепь типа ), IgD ( ), IgE ( ), IgG ( ), IgM ( ). Из-за некоторых различий в аминокислотных последовательностях выделяют несколько типов -цепей, а также несколько типов - и -цепей (и соответственно несколько подклассов IgG и IgA ). С тяжёлыми цепями (в первую очередь с C H 2 -доменами) связаны несколько олигосахаридных цепей, которые вероятно увеличивают растворимость антител и участвуют в связывании с компонентами комплемента и клеточными рецепторами. В доменах полипептидные цепи укладываются формируя -складчатые слои, в которых антипараллельные цепи соединены петлями (рис.2). Эти петли могут иметь различную длину и аминокислотные последовательности, что очень важно, т.к. именно они формируют антигенсвязывающий сайт. В пределах каждого домена два -слоя соединены дисульфидной связью и стабилизированы гидрофобными взаимодействиями.

Четвертичная структура в форме Y (рис.3) формируется благодаря нековалентным взаимодействиям между доменами. Между доменами C H 2 расположены молекулы углеводов, что приводит к выступанию этих доменов и делает их более доступными для взаимодействия с разнообразными молекулами, такими как компоненты системы комплемента. Рис.2. Двумерная схема укладки полипептидной цепи в пределах домена V L : два -складчатых слоя, соединённых дисульфидной связью (чёрная полоска). Рис.3. Схема, показывающая взаимодействие между доменами лёгкой и тяжёлой цепи. Между доменами C H 2 расположены молекулы углеводов.

Показаны гипервариабельные регионы ( CDRs ). Классификация антител. Как уже было упомянуто выше, в зависимости от типа тяжёлой цепи различают пять классов иммуноглобулинов. IgG составляют большинство антител сыворотки крови.

Большинство антител вторичного иммунного ответа и антитоксинов представлено именно иммуноглобулинами класса G. Материнские IgG обеспечивают пассивный иммунитет ребёнка в первые несколько месяцев жизни, попадая в кровь плода через плаценту. IgG активируют систему комплемента и связываются с поверхностными антигенами клеток, делая тем самым эти клетки более доступными для фагоцитоза (опсонизация). Способны связываться с тканями вызывая анафилаксические реакции.

Молекулы IgM состоят из пяти одинаковых четырёхцепочечных субъединиц, соединённых дисульфидными связями. В их составе также присутствует дополнительная полипептидная цепь (J-цепь), образующая домен иммуноглобулинового типа и связанная дисульфидными связями с С-концевыми пептидами (18 аминокислотных остатков) тяжёлых цепей отдельных мономеров.

Предположительно она участвует в полимеризации мономеров.

Иммуноглобулины класса М содержатся преимущественно в крови.

Доминируют в качестве «ранних» антител (первыми появляются при развитии иммунного ответа). Благодаря множеству участков связывания вызывают агглютинацию клеток. Более эффективно, чем IgG активируют комплемент. IgA преобладают среди антител серозно-слизистых секретов (слюна, молозиво, молоко, секрет дыхательных путей), где они представлены в основном димерной формой. Как и IgM содержат С-концевой пептид, к которому может присоединятся J-цепь, связывая два мономера в димер. С данным комплексом дополнительно связывается белок, называемый секреторным компонентом, который способствует доставке антител в секреты и защищает их от протеолиза. В сыворотке человека представлены в основном мономерной формой, а в сыворотке других млекопитающих в основном димером.

Препятствуют проникновению вирусов, микроорганизмов через слизистые оболочки. IgD и IgE присутствуют в сыворотке в очень низких концентрациях. IgD часто встречаются на цитоплазматических мембранах В-клеток и предположительно участвуют в антиген-зависимой дифференцировке лимфоцитов. IgE встречаются на мембранах базофилов и тучных клеток.

Участвуют в аллергических реакциях, вызывая секрецию клеткой-носителем IgE гистамина и других вазоактивных веществ, в ответ на связывание молекулы IgE с антигеном.

Возможно, играют существенную роль в антигельминтозном иммунитете.

Функции антител.

Антитела синтезируются В-лимфоцитами и образующимися из них плазматическими клетками. Их молекулы встроены в цитоплазматическую мембрану В-лимфоцитов, где они функционируют в качестве антигенспецифичных рецепторов.

Большинство В-лимфоцитов крови человека экспрессирует на своей поверхности иммуноглобулины двух классов - IgM и IgD . Но в определённых областях тела могут встречаться с высокой частотой В-клетки, несущие антитела других классов (например, IgA в слизистой оболочке кишечника). Плазматические клетки секретируют антитела в плазму крови и тканевую жидкость. Все антитела, синтезируемые одной В-клеткой (или плазматической клеткой), имеют идентичный антигенсвязывающий центр и могут связываться только с одним антигеном.

Первичной функцией антител является связывание с чужеродными (в норме) антигенами с последующей их инактивацией.

Антитела способны инактивировать токсины связываясь с зонами молекулы токсина ответственными либо за адсорбцию на клеточных рецепторах либо непосредственно за токсическое действие.

Аналогично связывание антител с белками, необходимыми для адсорбции вируса на рецепторы клеток, приводит к инактивации вирионов. Кроме того, антитела способны вовлекать в иммунный ответ другие элементы иммунной системы: систему комплемента и клетки хозяина. С константными доменами тяжёлой цепи антител классов G и M (с доменами C H 2 и C H 3 соответственно) способен связываться компонент комплемента C 1 q . Это вызывает каскад реакций (процесс активации комплемента по классическому пути), в конечном счете приводящих к лизису клетки, с антигенами которой были связаны антитела.