Структура антител и их функции. Строение антитела


Молекулярное строение антител

Антитела относятся к γ-глобулиновой фракции белков сыворотки крови. На долю γ-глобулинов приходится 15—25 % белково­го содержания сыворотки крови, что состав­ляет примерно 10-20 г/л. Поэтому антитела получили название иммуноглобулинов, и их обозначают символом Ig. Следовательно, антитела — это γ-глобулииы, вырабатыва­емые в ответ на введение антигена, способ­ные специфически связываться с антигеном и участвовать во многих иммунологических реакциях.

Антитела синтезируются В-лимфоцитами и их потомками — плазматичес-кими клетками.

Иммуноглобулины существуют:

  1. в циркули­рующей форме,

  2. в виде рецепторных молекул на иммунокомпетентных клетках

  3. миеломных белков.

Циркулирующие антитела под­разделяются на сывороточные и секреторные. К антителам могут быть также отнесены белки Бенс-Джонса, которые являются фрагмента­ми молекулы Ig (его легкая цепь) и синтезиру­ются в избытке при миеломной болезни.

Иммуноглобулины являются гликопротеидами. Их. молекула состоит из соединенных вместе полипептидных цепей, стабилизированных сахаридными остатками. При нагревании выше 60 °С молекула Ig дена­турируется. Иммуноглобулины различаются по структуре, атигенному составу, а также по выполняемым функциям.

Молекулы Ig, несмотря на их видимое раз­нообразие, имеют универсальное строение. Если молекулу Ig обработать 2-мер-каптоэтанолом, то она распадется на 2 пары полипептидных цепей:

  1. две тяжелых (550-660 аминокислотных остатков, молекулярный вес 50 кДа)

  2. две легких (220 аминокислотных остатков, молекулярный вес — 20—25 кДа). Обозначают их как Н- (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 ди-сульфидная связь. Это так называемый «шар­нирный» участок. Такой тип межпептидно­го соединения придает структуре молекулы динамичность — он позволяет легко менять конформацию в зависимости от окружающих. Шарнирный участок ответствен за взаимодействие с первым ком­понентом комплемента (С1) и активацию его по классическому пути.

Легкие и тяжелые полипептидные цепи молекулы Ig имеют определенные варианты структуры или типы. Они определяются пер­вичной аминокислотной последовательнос­тью цепей и степенью их гликозилирования.

Легкие цепи бывают 2 типов: к и Я. (каппа и лямбда). Тяжелых цепей известно 5 типов: а, у, ц, е и 8 (альфа, гамма, мю, эпсилон и де­льта), — которые имеют также и внутреннее подразделение.

Вторичная структура полипептидных цепей молекулы Ig обладает доменным строением. Это означает, что отдельные участки цепи свернуты в глобулы (домены), которые со­единены линейными фрагментами. Домены стабилизированы внутренней дисульфидной связью. Таких доменов в составе тяжелой цепи Ig бывает 4—5, а в легкой — 2. Каждый домен состоит примерно из 110 аминокислот­ных остатков.

Домены различаются по постоянству ами­нокислотного состава. Выделяют С-домены (от англ. constant — постоянный), с неизменной, или постоянной, структурой полипептидной цепи, 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 цепи совместно образуют участок, который специфически связывается с антигеном. Это антигенсвязывающий центр молекулы Ig. или паратоп.

Гипервариабельные области тяжелой и лег­кой цепи 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. Два из них способны специфически связываться с антигеном. Они состоят из цельной легкой цепи и участка тяжелой (V- и С-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)r

Помимо вышеописанных, в структуре моле­кул Ig обнаруживают дополнительные поли­пептидные цепи. Так, полимерные молекулы IgM и IgA содержат J-пептид (от англ. join — соединяю). Он объединяет отдельные мономе­ры в единое макромолекулярное образование и обеспечивает превращение полимерного Ig в секреторную форму.

Молекулы секреторных Ig в отличие от сы­вороточных обладают особым S-пептидом (от англ. secret — секрет). Это так называемый секреторный компонент. Его молекулярная масса составляет 71 кДа, и он является (3-гло-булином. Секреторный компонент — продукт деградации рецептора эпителиальной клетки к J-пептиду. Он обеспечивает перенос молекулы Ig через эпителиальную клетку в просвет ор­гана (трансцитоз) и предохраняет ее в секрете слизистых от ферментативного расщепления.

Рецепторный Ig, который локализуется на цитоплазматической мембране В-лимфоцитов и плазматических клеток, имеет допол­нительный гидрофобный трансмембранный М-пептид (от англ. membrane — мембрана). Благодаря гидрофобным свойствам он удер­живается в липидном бислое цитоплазмати­ческой мембраны, прочно, как якорь, фикси­рует рецепторный Ig на мембране иммунокомпетентной клетки и проводит рецепторный сигнал через цитоплазматическую мембрану внутрь клетки.

J- и М-пептиды присоединяются к молеку­ле Ig в процессе ее биосинтеза. S-пептид яв­ляется продуктом эпителиальной клетки— он присоединяется к полимерной молекуле Ig при ее транслокации через эпителиальную клетку.

studfiles.net

Структура антител и их функции

Одной из основных функций иммунной системы является продукция растворимых белков, свободно циркулирующих и обладающих особыми свойствами, необходимыми для работы иммунной системы и защиты от чужеродных субстанций. Эти растворимые белки — антитела — относятся к классу белков, называемых глобулинами в связи с их глобулярной структурой.

Первоначально из-за способности к перемещению при электрофорезе их назвали γ-глобулинами (в отличие от более быстро перемещающихся альбумина, α-глобулинов и β-глобулинов). Теперь они известны под общим названием иммуноглобулины (Ig).

Иммуноглобулины экспрессируются в виде секретируемых и мембранных форм. Секретируемые антитела вырабатываются В-клетками на терминальной стадии дифференцировки — плазматическими клетками, которые служат фабриками по производству антител и располагаются в основном в костном мозге. Мембранные антитела присутствуют на поверхности В-клеток, где они служат антигенспецифичными рецепторами. Мембранная форма антитела, ассоциированная с гетеродимером, называемым Iga/Igp, образует В-клеточный рецептор (BCR). Гетеродимер Iga/Igp проводит внутрь клетки сигналы, связанные с активацией В-лимфоцита.

Структура иммуноглобулинов определяет некоторые свойства, необходимые для их участия в иммунном ответе. Двумя наиболее важными из этих свойств являются специфичность и биологическая активность. Как будет показано далее, специфичность обусловлена определенной областью молекулы антитела, которая содержит гипервариабельный участок, или участок, определяющий комплементарность (CDR). Этот участок ограничивает связь антитела только с теми субстанциями, которые содержат одну определенную антигенную структуру.

Существование огромного разнообразия потенциальных антигенных детерминант, или эпитопов, обусловило эволюцию системы в направлении продукции такого спектра молекул антител, чтобы каждая из них была способна комбинироваться со строго определенной (частной) антигенной структурой. Все вместе — репертуар антител — характеризуется большим разнообразием в отношении типов молекулярных структур, с которыми они способны реагировать, однако по отдельности эти антитела проявляют высокий уровень специфичности, поскольку одно антитело способно реагировать только с одной определенной антигенной структурой.

Хотя количество антител разных специфичностей, способных реагировать со многими структурными единицами, очень велико, биологические эффекты таких реакций довольно немногочисленны. К ним относятся: нейтрализация токсинов, иммобилизация микроорганизмов, нейтрализация вирусной активности, агглютинация (скопление) микроорганизмов или антигенных частиц, связывание растворимого антигена, ведущее к образованию преципитатов (которые активно элиминируются фагоцитирующими клетками) и активация сывороточного комплемента для усиления лизиса микроорганизмов или фагоцитоза и деструкции, осуществляемых либо фагоцитирующими клетками, либо лимфоцитами-киллерами.

Еще одним важным биологическим свойством антител является их способность проникать через плаценту от матери к плоду. Не все молекулы антител способны одинаково выполнять все эти биологические функции.

Различия в биологических функциях антител определяются их изотипической структурой (классом). В то время как одна часть молекулы антитела должна легко подвергаться адаптации, чтобы обеспечить возможность приспосабливаться к 'большому числу эпитопов, другая часть должна легко адаптироваться для выполнения биологических функций, общих для многих антител.

Определение структуры антител, установление взаимосвязи между их структурой и функцией и выявление генетической организации молекул иммуноглобулинов в значительной степени способствовали нашему пониманию эволюционирования иммунной системы. Весь антительный репертуар представляет собой сложную, высокоспециализированную систему, в которой различные структуры (иммуноглобулины) распознают одно и то же — антиген, но комплекс иммуноглобулина с антигеном определяет развитие множества различных биологических эффектов. В этой главе описываются структурные и биологические свойства иммуноглобулинов.

Обнаружение антител и определение их характеристик

Антитела содержатся в сыворотке крови, которую получают после ее свертывания и удаления образовавшегося сгустка с находящимися в нем клетками и факторами свертывания. При электрофорезе сыворотки (разделении в электрическом поле) в условиях слабощелочной среды (рН 8,2), в ней, как правило, можно различить пять основных компонентов (рис. 4.1). Было показано, что антитела содержатся в области γ-глобулинов, где располагаются самые медленные с точки зрения миграции относительно анода элементы. После выявления этой закономерности провели простое сравнение элекрофоретических профилей антисыворотки, взятой у гипериммунизированного кролика (получившего многоразовую иммунизацию тест-антигеном) до и после удаления тестируемых антигенспецифичных антител, для чего провели преципитацию с антигеном.

Эта процедура привела к уменьшению размера только фракции γ-глобулинов. Анализ показал, что когда эта фракция собиралась отдельно, в ней содержались все определяемые антитела. Позднее было показано, что активность антител присутствует не только в γ-глобулиновой фракции, но и в области, несколько более близкой к аноду. В результате все глобулярные белки, обладающие свойствами антител, были в основном отнесены к иммуноглобулинам, что подтверждает γ-пик (см. рис. 4.1).

Ширина электрофоретических пиков свидетельствует, что они представляют гетерогенную смесь иммуноглобулиновых молекул с немного различающимися зарядами. Эта гетерогенность была одним из первых препятствий на пути определения структуры антител, поскольку аналитическая химия в качестве первичного материала требует гомогенных материалов, способных кристаллизоваться.

Эта проблема была частично решена после открытия миеломных белков, которые являются гомогенными иммуноглобулинами, производимыми потомством одной плазматической клетки, подвергшейся опухолевой трансформации при злокачественном заболевании, называемом множественной миеломой. Это наглядно демонстрирует форма ү-глобулинового зубца элекрофореграммы сывороточных белков больного множественной миеломой (см. рис. 4.1). Когда выяснили, что некоторые миеломные белки связывают антиген, стало очевидно, что с ними можно обращаться, как с типичными молекулами иммуноглобулина.

imyn20.jpgРис. 4.1. Электрофоретическая мобильность белков сывороток, полученных от нормального индивидуума (голубая) и больного с lgG-миеломой (красная) (с любезного разрешения д-ра С Miller, School of Medicine, University of California at Davis)

Другим подспорьем в исследованиях структуры антител стало открытие белков Бенс-Джонса в моче. Эти гомогенные белки, определяемые в больших количествах у некоторых больных множественной миеломой, являются димерами κ- или λ-легких цепей иммуноглобулинов. Они оказались очень полезными при определении структуры этой части иммуноглобулиновой молекулы. Сегодня разработана эффективная методика гибридизации двух клеток (гибридомная технология), которая позволяет получать большое количество гомогенных препаратов моноклональных антител практически любой специфичности.

Структура легких и тяжелых цепей

Структурные характеристики антител начали анализировать в 1959 г. после двух открытий, показавших, что эти молекулы могут быть разделены на части, пригодные для дальнейшего исследования. В Англии Р. Р. Портер (R.R., Porter) обнаружил, что после протеолитического расщепления молекулы иммуноглобулина (молекулярная масса 150000 Да) ферментом папаином получаются три фрагмента примерно одинаковой величины (рис. 4.2). Два фрагмента сохраняют способность к специфическому связыванию антигена, хотя в отличие от интактной молекулы утрачивают способность к преципитации антигена в растворе.

imyn21.jpgРис 4.2. Протеолитическое расщепление иммуноглобулина с использованием папаина и пепсина

Эти два фрагмента назвали Fab-фрагментами (fragment antigen binding — фрагмент, связывающий антиген), их считают моновалентными (имеющими по одному связывающему центру) и идентичными по всем параметрам. Третий фрагмент может быть выкристаллизован из раствора, что указывает на его явную гомогенность. Он называется Fc-фрагментом (crystallizable fragment — кристаллизуемый фрагмент). Он не может связываться с антигеном, но, как было показано в дальнейшем, отвечает за биологические функции молекулы антитела после того, как антиген связывается с Fab-фрагментом интактной молекулы.

Примерно в то же время в США Д. Г. Эдельман (D. H.Edelman) обнаружил, что при воздействии меркаптоэтанола (реактива, разрушающего S — S-мостики) молекула γ-глобулина значительно уменьшается; она разделяется на четыре цепи: две одинаковые легкие цепи молекулярной массой около 53000 Да каждая и две другие примерно по 22000 Да каждая. Более крупные молекулы были названы тяжелыми (heavy — Н) цепями, а более мелкие — легкими (light — L). На основании этих результатов была определена структура молекул иммуноглобулина, как она представлена на рис. 4.2.

В последующем была доказана принципиальная правильность модели, а Р. Р. Портер и Д. Г. Эдельман поделили Нобелевскую премию за открытие структуры антител. Таким образом, все молекулы иммуноглобулина имеют базовую структуру, состоящую из четырех полипептидных цепей — двух одинаковых тяжелых и двух одинаковых легких, связанных несколькими дисульфидными мостиками. Следует отметить, что папаин расщепляет иммуноглобулиновую молекулу в N-терминальном конце шарнирной области до дисульфидного мостика, в результате чего получаются два моновалентных Fab- и Fc-фрагмента.

В отличие от папаина пепсин расщепляет шарнирную область в С-терминальном конце ниже дисульфидного мостика, что приводит к получению двухвалентного фрагмента, названного F(ab')2, в котором содержатся два Fab-фрагмента, соединенных дисульфидным мостиком, а также несколько Fc-субфрагментов (см. рис. 4.2). Детально базовая структура молекулы иммуноглобулина, состоящая из двух гликозилированных тяжелых и двух легких цепей, представлена на рис. 4.3.

Заметьте, что кроме дисульфидных мостиков между цепями, которые удерживают их вместе, внутри каждой тяжелой и легкой цепи содержатся дисульфидные мостики создающие иммуноглобулиновые (петлевые) домены, которые формируют антипараллельную β-складку — структуру, характерную для молекул антител. Другие молекулы, принадлежащие к так называемому суперсемейству иммуноглобулинов, также обладают этим структурным признаком.

imyn22.jpgРис. 4.3. Молекула иммуноглобулина с наличием иммуноглобулиновых петлевых доменов, сформированных дисульфидными мостиками внутри цепей

Как в случае с другими белками, иммуноглобулины одного вида иммуногенны для другого вида. Использование иммуноглобулинов определенного вида в качестве иммуногенов у другого вида позволяет вырабатывать различные антисыворотки, которые способны распознавать структуру разных цепей иммуноглобулинов. При совместном использовании биохимических и серологических (с использованием сывороточных антител) методов было показано, что почти у всех исследованных видов животных имеются два основных класса легких цепей: κ и λ.

У животных каждого вида продуцируются легкие цепи обоих типов, но соотношение κ- и λ-цепей различны для каждого вида (у мыши 95 % κ-цепей, у человека 60%). Однако в любой молекуле иммуноглобулина обе легкие цепи всегда или κ-, или λ-типа; никогда не бывает по одной цепи каждого типа. Хотя существует всего два типа легких цепей, было показано, что иммуноглобулины практически у всех видов состоят из пяти разных классов (изотипов), различающихся по структуре тяжелых цепей.

Эти тяжелые цепи различаются по антигенным свойствам (серологически), содержанию углеводородов и размеру. Более важно то, что они определяют различные биологические свойства, присущие каждому изотипу. Тяжелые цепи, чьи константные области являются производными генов тяжелых цепей иммуноглобулинов, обозначаются греческими буквами, как показано в табл. 4.1.

Гены, кодирующие константные области тяжелых цепей, обозначаются сходным образом. Поэтому гены, кодирующие константные (С) области, отвечающие за μ, δ, γ, α и ε тяжелые цепи, называются Сμ, Сδ, Сγ, Сα, Сε соответственно.

Таблица 4.1. Распределение иммуноглобулинов по изотипам в соответствии с наличием тяжелых цепей

Изотип Тяжелая цепь Изотип Тяжелая цепь
IgM μ IgA α
IgD δ IgE ε
IgG γ
У представителей любого вида есть тяжелые цепи в пропорциях, характерных для данного вида, но в любой молекуле антитела обе тяжелые цепи идентичны (например 2γ, 2ε). Таким образом, молекула антитела класса IgG может иметь структуру κ2γ2 с двумя идентичными легкими κ-цепями и двумя тяжелыми γ-цепями. В отличие от этого антитело класса IgE может иметь структуру κ2ε2 или λ2ε2. В каждом случае именно природа тяжелых цепей придает молекуле ее уникальные биологические свойства, такие как период полураспада в кровотоке, способность связываться с определенными рецепторами и активировать ферменты в комбинации с антигенами.

Дальнейшее определение характеристик этих изотипов с помощью специфических антисывороток привело к выявлению ряда подклассов, имеющих более тонкие отличия. Так, основной класс IgG человека может быть разделен на подклассы IgG1 IgG2, IgG3 и IgG4. Иммуноглобулин А также был разделен на два подкласса: IgA1 и lgA2. Подклассы отличаются друг от друга по числу и организации дисульфидных мостиков между цепями, а также по изменениям в других структурных свойствах. Эти изменения в свою очередь вызывают изменения функциональных свойств, как описано далее.

Домены

На ранних этапах исследования структуры иммуноглобулинов стало ясно, что кроме дисульфидных мостиков, которые удерживают вместе легкие и тяжелые цепи, а также две тяжелые цепи, внутри каждой цепи существуют дисульфидные мостики, формирующие петли в структуре каждой цепи. Глобулярная структура иммуноглобулинов и способность ферментов расщеплять эти молекулы на крупные составляющие в строго определенных местах, а не разрушать их до олигопептидов и аминокислот, указывает на чрезвычайную компактность структуры.

Более того, наличие дисульфидных мостиков внутри цепи через регулярные и примерно равные промежутки по 100—110 аминокислот означает, что каждая петля в пептидных цепях должна формировать компактно сложенный глобулярный домен. В действительности каждая легкая цепь имеет по два домена, а тяжелые цепи — по четыре или пять доменов, разделенных несложно организованными отрезками (см. рис. 4.3). Наличие таких конфигураций было подтверждено прямыми наблюдениями и с помощью генетического анализа.

Молекулы иммуноглобулинов собраны из отдельных доменов, каждый из которых располагается вокруг дисульфидного мостика и настолько гомологичен остальным, что можно предположить, что они развились из одного общего гена-предшественника, который дуплицировал себя несколько раз, а затем изменил свою аминокислотную последовательность, чтобы получившиеся разные домены выполняли различные функции. Каждый домен обозначают буквой, означающей его принадлежность к легкой или тяжелой цепи, и числом, указывающим его положение.

Как мы детально рассмотрим далее, первый домен на легкой и тяжелой цепях всех антител крайне вариабелен по последовательности аминокислот; он обозначается как VL и VH соответственно (см. рис. 4.3). Второй и последующие домены на обеих тяжелых цепях гораздо более постоянны по последовательности аминокислот и обозначаются CL или Сн1, Сн2 и Сн3 (см. рис. 4.3). В дополнение к дисульфидным мостикам между цепями глобулярные домены связываются друг с другом в гомологичные пары в основном за счет гидрофобных взаимодействий в следующем порядке: VHVL, Ch2Cl, Сн2Сн2, Сн3Сн3.

Шарнирная область

У иммуноглобулинов (возможно, за исключением IgM и IgE) шарнирная область состоит из короткого сегмента аминокислот и обнаруживается между участками Сн1 и Сн2 тяжелых цепей (см. рис. 4.3). Этот сегмент состоит преимущественно из остатков цистеина и пролина. Цистеины вовлечены в формирование дисульфидных мостиков между цепями, а пролиновые остатки предотвращают складывание в глобулярную структуру. Этот участок тяжелой цепи отвечает за важную структурную характеристику иммуноглобулинов.

Он обеспечивает подвижность между двумя Fab-фрагментами Ү-образной молекулы антитела. Это позволяет Fab-фрагментам открываться и закрываться, чтобы обеспечивать связывание с двумя эпитопами, разделенными фиксированным промежутком, что может наблюдаться на поверхности бактерии. Кроме того, поскольку этот отрезок аминокислот открыт и доступен, как любой другой несвернутый пептид, он может быть расщеплен протеазами для получения Fab- и Fc-фрагментов, описанных ранее (см. рис. 4.2).

Вариабельная область

Биологические функции молекулы антитела проистекают из свойств константной области, которая идентична для антител любой специфичности внутри определенного класса. При этом часть молекулы, которая связывается с эпитопом, составляет вариабельную область. Основной проблемой для иммунологов было определение, каким образом вариабельная область может обеспечить такое большое разнообразие индивидуальных специфичностей, которое необходимо для соответствия огромному количеству антигенов.

Когда была определена последовательность аминокислот у белков с высокой однородностью (например, миеломные белки и белки Бенс-Джонса), обнаружили, что наибольшая вариабельность последовательностей существует для 110 N-терминальных аминокислот как легкой, так и тяжелой цепей. Е.А.Кабат (E.A.Kabat) и Т.Т.Ву (T.T.Wu) сравнили последовательность аминокислот многих Vl- и Vн-областей. Они схематически представили вариабельность аминокислот в каждой позиции цепи и показали, что наибольшая степень вариабельности (определяемая соотношением числа различных аминокислот в данной позиции к частоте наиболее характерных аминокислот в данной позиции) наблюдается в трех областях легкой и трех областях тяжелой цепи.

Эти участки называются гипервариабельными. Менее вариабельные участки, которые находятся между гипервариабельными участками, называются каркасными. Теперь известно, что гипервариабельные участки принимают участие в связывании антигена и формируют регион, комплементарный по структуре эпитопу антигена. Исходя из этого, гипервариабельные участки называются участками, определяющими комплементарность легких и тяжелых цепей: CDR1, CDR2 и CDR3 (рис. 4.4).

imyn23.jpgРис. 4.4. Вариабельность аминокислот, составляющих N-концевые остатки VHf в молекуле иммуноглобулина

Гипервариабельные участки, хотя и разделены в линейной двухмерной модели пептидных цепей, в действительности приближены друг к другу в свернутой форме интактной молекулы антитела. Вместе они составляют антигенсвязывающий центр, комплементарный эпитопу (рис. 4.5).

imyn24.jpgРис. 4.5. Комплементарность между эпитопом и анти генсвязывающим центром, состоящим из гипервариабельных участков L- и Н-цепей. Пронумерованные буквы обозначают CDR тяжелой и легкой цепей, номера в кружках - номера аминокислотных остатков в CDR

Вариабельность этих CDR обеспечивает различия в конфигурации антигенсвязывающего центра, которые необходимы для функционирования антител различной специфичности. Все известные силы, вовлеченные во взаимодействие антиген — антитело, являются слабыми нековалентными взаимодействиями (например, ионные, водородные, ван-дер-ваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия). Поэтому необходимо, чтобы между антигеном и антителом был тесный контакт в достаточно большой области, чтобы обеспечить общую связывающую силу, адекватную для устойчивого взаимодействия. В соединении между эпитопом и антителом участвуют и тяжелая, и легкая цепи.

Теперь должно быть ясно, что две молекулы антитела с разной антигенной специфичностью должны иметь и различную последовательность аминокислот в своих гипервариабельных участках, а те, которые обладают одинаковой последовательностью, обычно имеют и одинаковую специфичность. Однако существует возможность, что два антитела с разной последовательностью аминокислот обладают специфичностью к одному и тому же эпитопу. В этом случае аффинность связывания антител с эпитопом будет, вероятно, различной, поскольку будут существовать различия в числе и типах связывающих сил, доступных для связывания идентичных антигенов с разными связывающими участками двух антител.

Дополнительный источник вариабельности может заключаться в размере антигенсвязывающего участка на антителе, который обычно (но не всегда) имеет форму углубления или щели. В некоторых случаях, особенно если вовлечены небольшие гидрофобные гаптены, эпитопы занимают не весь антигенсвязывающий участок. Однако при этом достигается достаточная аффинность связывания. Было показано, что антитела, специфичные для таких небольших гаптенов, могут в действительности реагировать с другими антигенами, не обладающими явным сходством с гаптеном (например, динитрофенол и эритроциты барана). Эти большие отличающиеся антигены связываются или с большим участком, или же с другим участком антигенсвязывающего центра на антителе (рис. 4.6).

imyn25.jpgРис. 4.6. Варианты того, как антитело (АТ1) определенной специфичности может проявлять способность к связыванию с двумя различными эпитопами (АГ1 и АГ2)

Таким образом, способность определенного антигенсвязывающего центра связываться с двумя (или более) действительно различными эпитопами называют избыточностью. Способность одной молекулы антитела перекрестно реагировать с неопределенным числом эпитопов может уменьшить количество антител, необходимых для защиты индивида от широкого спектра агрессивных антигенов.

Р.Койко, Д.Саншайн, Э.Бенджамини

medbe.ru

88 Строение и свойства антител

Антитела (иммуноглобулины, ИГ, Ig) — особый класс гликопротеинов, присутствующих на поверхности B-лимфоцитов в виде мембраносвязанных рецепторов и в сыворотке крови и тканевой жидкости в виде растворимых молекул, и обладающих способностью очень избирательно связываться с конкретными видами молекул, которые в связи с этим называют антигенами. Антитела являются важнейшим фактором специфического гуморального иммунитета. Антитела используются иммунной системой для идентификации и нейтрализации чужеродных объектов — например, бактерий и вирусов. Антитела выполняют две функции: антиген-связывающую и эффекторную (вызывают тот или иной иммунный ответ, например, запускают классическую схему активации комплемента).

Антитела синтезируются плазматическими клетками, которыми становятся некоторые В-лимфоциты, в ответ на присутствие антигенов. Для каждого антигена формируются соответствующие ему специализировавшиеся плазматические клетки, вырабатывающие специфичные для этого антигена антитела. Антитела распознают антигены, связываясь с определённым эпитопом — характерным фрагментом поверхности или линейной аминокислотной цепи антигена.

Антитела состоят из двух лёгких цепей и двух тяжелых цепей. У млекопитающих выделяют пять классов антител (иммуноглобулинов) — IgG, IgA, IgM, IgD, IgE, различающихся между собой по строению и аминокислотному составу тяжёлых цепей и по выполняемым эффекторным функциям.

Строение Антитела являются относительно крупными (~150 кДа — IgG) гликопротеинами, имеющими сложное строение. Состоят из двух идентичных тяжелых цепей (H-цепи, в свою очередь состоящие из VH, CН1, шарнира, Ch3- и Ch4-доменов) и из двух идентичных лёгких цепей (L-цепей, состоящих из VL- и CL- доменов). К тяжелым цепям ковалентно присоединены олигосахариды. При помощи протеазы папаина антитела можно расщепить на два Fab (англ. fragment antigen binding — антиген-связывающий фрагмент) и один Fc (англ. fragment crystallizable — фрагмент, способный к кристаллизации). В зависимости от класса и исполняемых функций антитела могут существовать как в мономерной форме (IgG, IgD, IgE, сывороточный IgA), так и в олигомерной форме (димер-секреторный IgA, пентамер — IgM). Всего различают пять типов тяжелых цепей (α-, γ-, δ-, ε- и μ-цепи) и два типа легких цепей (κ-цепь и λ-цепь).

Антитела обладают двумя свойствами:

-специфичность, т. е. способность вступать во взаимодействие с антигеном, аналогичным тому, который индуцировал (вызвал) их образование;

-гетерогенность по физико-химическому строению, по специфичности, по генетической детерминированности образования (по происхождению).

Помимо специфичности одним из основных свойств иммуноглобулинов является их гетерогенность, т. е. неоднородность популяции иммуноглобулинов по генетической детерминированности их образования и по физико-химическому строению.

73 Двумембранные органоиды клетки.

1. Митохондрии. Двумембранные органоиды эукариотической клетки, обеспечивающие организм энергией. Длина митохондрий 1,5-10 мкм, диаметр — 0,25-1,00 мкм. Количество митохондрий в клетке колеблется в широких пределах, от 1 до 100 тыс., и зависит от ее метаболической активности. Число митохондрий может увеличиваться путем деления, так как эти органоиды имеют собственную ДНК.

Наружная мембрана митохондрий гладкая, внутренняя мембрана образует многочисленные впячивания или трубчатые выросты — кристы. Число крист может колебаться от нескольких десятков до нескольких сотен и даже тысяч, в зависимости от функций клетки. Они увеличивают поверхность внутренней мембраны, на которой размещаются мультиферментные системы, участвующие в синтезе молекул АТФ.

Внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом. В матриксе содержатся кольцевая молекула митохондриальной ДНК, специфические иРНК, тРНК и рибосомы (прокариотического типа), осуществляющие автономный биосинтез части белков, входящих в состав внутренней мембраны. Эти факты свидетельствуют в пользу происхождения митохондрий от бактерий-окислителей (согласно гипотезе симбиогенеза). Но большая часть генов митохондрии перешла в ядро, и синтез многих митохондриальных белков происходит в цитоплазме. Кроме того, содержатся ферменты, образующие молекулы АТФ. Митохондрии способны размножаться путем деления.

Функции митохондрий — кислородное расщепление углеводов, аминокислот, глицерина и жирных кислот с образованием АТФ и синтез митохондриальных белков.

2. Пластиды. Различают три основных типа пластид: лейкопласты — бесцветные пластиды в клетках неокрашенных частей растений, хромопласты — окрашенные пластиды обычно желтого, красного и оранжевого цвета, хлоропласты — зеленые пластиды. Пластиды образуются из пропластид – двумембранных пузырьков размером до 1 мкм.

Поскольку пластиды имеют общее происхождение, между ними возможны взаимопревращения. Наиболее часто происходит превращение лейкопластов в хлоропласты (позеленение клубней картофеля на свету), обратный процесс происходит в темноте. При пожелтении листьев и покраснении плодов хлоропласты превращаются в хромопласты. Считают невозможным только превращение хромопластов в лейкопласты или хлоропласты.

Хлоропласты. Основная функция — фотосинтез, т.е. в хлоропластах на свету осуществляется синтез органических веществ из неорганических за счет преобразования солнечной энергии в энергию молекул АТФ. Хлоропласты высших растений имеют размеры 5-10 мкм и по форме напоминают двояковыпуклую линзу. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет складчатую структуру. В результате образования выпячиваний внутренней мембраны, возникает система ламелл и тилакоидов. Внутренняя среда хлоропластов — строма — содержит кольцевую ДНК и рибосомы прокариотического типа. Пластиды способны к автономному делению, как и митохондрии. Эти факты, согласно гипотезе симбиогенеза, также свидетельствуют в пользу происхождения пластид от синезеленых (цианобактерий). См вопрос 2.

50 Взимодействие неллельных генов. Неалле́льные ге́ны — это гены, расположенные в различных участках хромосом и кодирующие неодинаковые белки. Неаллельные гены также могут взаимодействовать между собой.

При этом либо один ген обусловливает развитие нескольких признаков, либо, наоборот, один признак проявляется под действием совокупности нескольких генов. Выделяют четыре формы и взаимодействия неаллельных генов:

-комплементарность;

-эпистаз;

-полимерия;

-плейотропия.

Комплемента́рное (дополнительное) действие генов — это вид взаимодействия неаллельных генов, доминантные аллели которых при совместном сочетании в генотипе обусловливают новое фенотипическое проявление признаков. При этом расщепление гибридов F2 по фенотипу может происходить в соотношениях 9:6:1, 9:3:4, 9:7, иногда 9:3:3:1. Примером комплементарности является наследование формы плода тыквы. Наличие в генотипе доминантных генов А или В обусловливает сферическую форму плодов, а рецессивных — удлинённую. При наличии в генотипе одновременно доминантных генов А и В форма плода будет дисковидной. При скрещивании чистых линий с сортами, имеющими сферическую форму плодов, в первом гибридном поколении F1 все плоды будут иметь дисковидную форму, а в поколении F2 произойдёт расщепление по фенотипу: из каждых 16 растений 9 будут иметь дисковидные плоды, 6 — сферические и 1 — удлинённые.

Эписта́з — взаимодействие неаллельных генов, при котором один из них подавляется другим. Подавляющий ген называется эпистатичным, подавляемый — гипостатичным. Если эпистатичный ген не имеет собственного фенотипического проявления, то он называется ингибитором и обозначается буквой I. Эпистатическое взаимодействие неаллельных генов может быть доминантным и рецессивным. При доминантном эпистазе проявление гипостатичного гена (В, b) подавляется доминантным эпистатичным геном (I > В, b). Расщепление по фенотипу при доминантном эпистазе может происходить в соотношении 12:3:1, 13:3, 7:6:3. Рецессивный эпистаз — это подавление рецессивным аллелем эпистатичного гена аллелей гипостатичного гена (i > В, b). Расщепление по фенотипу может идти в соотношении 9:3:4, 9:7, 13:3.

Полимери́я — взаимодействие неаллельных множественных генов, однозначно влияющих на развитие одного и того же признака; степень проявления признака зависит от количества генов. Полимерные гены обозначаются одинаковыми буквами, а аллели одного локуса имеют одинаковый нижний индекс.

Полимерное взаимодействие неаллельных генов может быть кумулятивным и некумулятивным. При кумулятивной (накопительной) полимерии степень проявления признака зависит от суммирующего действия генов. Чем больше доминантных аллелей генов, тем сильнее выражен тот или иной признак. Расщепление F2 по фенотипу происходит в соотношении 1:4:6:4:1.

При некумулятивной полимерии признак проявляется при наличии хотя бы одного из доминантных аллелей полимерных генов. Количество доминантных аллелей не влияет на степень выраженности признака. Расщепление по фенотипу происходит в соотношении 15:1.

Пример: цвет кожи у людей, который зависит от четырёх генов.

Плейотропи́я— явление множественного действия гена. Выражается в способности одного гена влиять на несколько фенотипических признаков. Таким образом, новая мутация в гене может оказать влияние на некоторые или все связанные с этим геном признаки. Этот эффект может вызвать проблемы при селективном отборе, когда при отборе по одному из признаков лидирует один из аллелей гена, а при отборе по другим признакам — другой аллель этого же гена.

Механизм. Плейотропия — это действие одного гена на несколько фенотипических признаков. Продукт фактически каждого гена участвует как правило в нескольких, а иногда и в очень многих процессах, образующих метаболическую сеть организма. Особенно характерна плейотропия для генов, кодирующих сигнальные белки.

Примеры:

Человек:

-Ген, обусловливающий рыжие волосы, обусловливает более светлую окраску кожи и появление веснушек.

-Фенилкетонурия (ФКУ), болезнь, вызывающая задержку умственного развития, выпадение волос и пигментацию кожи, может быть вызвана мутацией в гене, кодирующем фермент фенилаланин-4-гидроксилаза, который в норме катализирует превращение аминокислоты фенилаланина в тирозин.

-Рецессивная мутация в гене, кодирующем синтез глобиновой части в гемоглобине (замена одной аминокислоты), вызывающая серповидную форму эритроцитов, изменения в сердечно-сосудистой, нервной, пищеварительной и выделительной системах.

-Арахнодактилия, вызываемая доминантной мутацией, проявляется одновременно в изменениях пальцев рук и ног, вывихах хрусталика глаза и врождённых пороках сердца.

-Галактоземия, вызываемая рецессивной мутацией гена, кодирующего фермент галактозо-1-фосфатуридилтрансфераза, приводит к слабоумию, циррозу печени и слепоте.

Другие примеры:

-Белые голубоглазые коты имеют склонность к глухоте.

-Летальная мутация, вызывающая нарушения в развитии хрящей у крыс, приводит к смерти за счет большого количества патологий в разных системах организма.

-У овса окраска чешуйки и длина ости семени регулируются одним геном.

studfiles.net

структура и свойства — Мегаобучалка

Так как, основным компонентом ИФА являются антитела необходимо более подробно познакомиться со структурой и свойствами этих веществ.

Антитела появляются в сыворотке иммунизированного человека или животного в результате специфической реакции организма на введение в него антигенов. Антитела могут находиться не только в крови, но и в тканевой жидкости. Благодаря своей идентичности исходным антигенраспознающим рецепторам B-клеток они взаимодействуют с тем антигеном, который первоначально активировал B-клетки, проявляя, таким образом, строгую специфичность. В организме антитела выполняют две основные функции:

- распознавание и специфическое связывание антигена;

- индукция важнейших физиологических процессов, направленных на уничтожение антигена.

Антитела или иммуноглобулины в химическом отношении являются гликопротеидами, состоящими из аминокислот и олигосахаридов. По своим эффекторным свойствам и структурным особенностям иммуноглобулины подразделяются на пять основных классов: IgA, IgD, IgG, IgМ, IgE (рис. 1). При этом, все антитела имеют общий план строения. Молекула иммуноглобулина состоит из двух одинаковых тяжелых (Н-цепь) и двух одинаковых легких (L-цепь) полипептидных цепей. Наличие дисульфидных связей в молекуле обеспечивает прочное соединение легких цепей с Nh3-концевыми участками тяжелых цепей и взаимодействие свободных участков тяжелых цепей между собой. В целом структура такого комплекса схожа с латинской буквой “Y” и характерна для иммуноглобулинов классов IgD, IgG, IgМ (рис2).

Рисунок 1. Классы антител

 

При действии на молекулу IgG протеолитического фермента папаина образуется три фрагмента. Два идентичных фрагмента, за способность связывать антиген получивших название Fab-фрагмент (от английского fragment antigen binding), и третий, за способность к кристаллизации названный Fc-фрагмент (от английского fragment cristalline).

Рисунок 2. Строение молекулы антитела

 

Fab-фрагмент молекулы антитела ответственен за специфическое распознавание антигена, Fc-фрагмент ответственен за биологические функции антител – связывание с компонентами системы комплимента, взаимодействие с мембранными рецепторами и т.д.

Структурной особенностью, как легких, так и тяжелых цепей является наличие в их составе различных областей (доменов) – вариабельной (V) и константной (С). Легкие цепи образуют по два домена ( VL-домен и CL-домен), тяжелые - четыре или пять в зависимости от класса Ig (один VH-домен и три или четыре CH-домена, соответственно).

Специфичность антител определяется изменениями в последовательности аминокислотных остатков VH-домена и VL-домена цепей иммуноглобулина, взаимодействие между которыми формирует антигенсвязывающие участки этой молекулы. В аминокислотной последовательности V-области любой легкой или тяжелой цепи имеются положения, характеризующиеся частой заменой аминокислот – гипервариабельные участки.

Гетерогенность аминокислот в гипервариабельных последовательностях, как легких, так и тяжелых цепей обеспечивает огромное разнообразие специфических антител благодаря тому, что форма и размер поверхности, образуемой каждой гипервариабельной последовательностью, различны.

Антитела распознают не отдельные химические группы, а пространственную форму антигенов. Методом рентгеноструктурного анализа V-домена было установлено, что каркасные участки Fab-фрагмента молекул антител, обычно не принимающие участие в связывании антигена, имеют существенное значение для укладки домена, которая обеспечивает адекватную конформацию (комплементарность) антигенсвязывающего центра антитела (паратопа) с антигенной детерминантой (эпитопом). А множество нековалентных связей с антигеном образуют отдельные аминокислотные остатки гипервариабельных участков, сосредоточенных на концах Fab-ветвей. Эти взаимодействия (водородные связи, электростатические, ван-дер-ваальсовы и гидрофобные) весьма слабы, однако при большом их числе суммарная энергия связывания получается значительной. Именно действием этих сил обусловлена специфичность антител к данному антигену (т.е. способность различать антигены).

В каждой молекуле иммуноглобулина существует, по крайней мере, два идентичных антигенсвязывающих центра. Эта бивалентность позволяет антителам перекрестно связывать антигены с двумя или более антигенными детерминантами, при этом, подвижность плеч молекулы антител позволяет ей связываться одновременно с антигенными детерминантами, находящимися на разных расстояниях. Наличие шарнирной области в тяжелой цепи обеспечивает конформационную гибкость молекулы иммуноглобулина, позволяя обоим антигенсвязывающим центрам, действовать независимо друг от друга при взаимодействии с антигенными детерминантами. Конформационную гибкость молекулы обеспечивает повышенное содержание пролина в шарнирной области тяжелой цепи.

megaobuchalka.ru


Смотрите также