医学免疫学免疫球蛋白分子的结构与功能.docx
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医学免疫学免疫球蛋白分子的结构与功能
医学免疫学
第二节免疫球蛋白分子的构造与功能
一、免疫球蛋白分子的基本构造
Porter等对血清IgG抗体的研究证明,Ig分子的基本构造是由四肽链构成的。
即由二条同样的分
子量较小的肽链称为轻链和二条同样的分子量较大的肽链称为重链构成的。
轻链与重链是由二硫键连结形成一个四肽链分子称为Ig分子的单体,是构成免疫球蛋白分子的基本构造。
Ig单体中四条肽链两头游离的氨基或羧基的方向是一致的,分别命名为氨基端(N端)和羧基端(C端)。
图
2-3
免疫球蛋白分子的基本构造表示图
(一)轻链和重链
因为骨髓瘤蛋白(M蛋白)是均一性球蛋白分子,并证明本周蛋白(BJ)是Ig分子的
从患者血液和尿液中分别纯化这类蛋白,并可对来自不一样患者的标本进行比较剖析,进而为
基酸序列剖析供给了优秀的资料。
L链,很简单
Ig分子氨
1.轻链(lightchain,L)轻链大概由214个氨基酸残基构成,往常不含碳水化合物,分子量约
为24kD。
每条轻链含有两个由链内二硫键内二硫所构成的环肽。
L链共有两型:
kappa(κ)与lambda(λ),
同一个天然Ig分子上L链的型老是同样的。
正常人血清中的κ:
λ约为2:
1。
2.重链(heavychain,H链)重链大小约为轻链的2倍,含450~550个氨基酸残基,分子量约为55或75kD。
每条H链含有4~5个链内二硫键所构成的环肽。
不一样的H链因为氨基酸构成的摆列次序、二硫键的数目和们置、含的种类和数目不一样,其抗原性也不同样,依据H链抗原性的差异可将其分为
5
类:
μ链、γ链、α链、δ链和ε链,不一样H链与L链(κ或λ链)构成完好Ig的分子分别称之
为IgM、IgG、IgA、IgD和IgE。
γ、α和δ链上含有4个肽,μ和ε链含有5个环肽。
(二)可变区和恒定区
经过对不一样骨髓蛋白或本周蛋白H链或L链的氨基酸序列比较剖析,发现其氨基端(N-尾端)氨基酸序列变化很大,称此区为可变区(V),而羧基尾端(C-尾端)则相对稳固,变化很小,称此区为恒定区。
1.可变区(variableregion,V区)位于L链凑近N端的1/2(约含108~111个氨基酸残基)和H链凑近N端的1/5或1/4(约含118个氨基酸残基)。
每个V区中均有一个由链内二硫键连结形成的肽环,每个肽环约含67~75个氨基酸残基。
V区氨基酸的构成和摆列随抗体联合抗原的特异性不一样有较大的变异。
因为V区中氨基酸的种类为摆列次序变化多端,故可形成很多种拥有不一样联合抗原特异性的
抗体。
L链和H链的V划分别称为VL和VH。
在VL和VH中某些局部地区的氨基酸构成和摆列次序拥有更高的变休程度,这些地区称为高变区(hypervariableregion,HVR)。
在V区中非HVR部位的氨基酸组面和摆列相对照较守旧,称为骨架区(fuameworkrugion)。
VL中的高变区有三个,往常分别位于第
24~34、50~65、95~102位氨基酸。
VL和VH的这三个HVR分别称为HVR1、HVR2和HVR3。
经X线结晶衍射的研究剖析证明,高变区的确为抗体与抗原联合的地点,因此称为决定簇互补区
(complementarity-determiningregi-on,CDR)。
VL和VH的HVR1、HVR2和HVR3又可分别称为CDR1、
CDR2和CDR3,一般的CDR3拥有更高的高变程度。
高变区也是Ig分子独到型决定簇(idiotypicdeterminants)主要存在的部位。
在大部分状况下H链在与抗原联合中起更重要的作用。
图2-4与表位联合高变区表示图(G表示相对守旧的甘氨酸)
2.恒定区(constantregion,C区)位于L链凑近C端的1/2(约含105个氨基酸残基)和H链凑近C端的3/4地区或4/5地区(约从119位氨基酸至C尾端)。
H链每个功能区约含110多个氨基酸残基,含有一个由二锍键连结的50~60个氨基酸残基构成的肽环。
这个地区氨基酸的构成和摆列在同
一种属动物Ig同型L链和同一类H链中都比较恒定,如人抗白喉外毒素IgG与人抗破伤风外毒素的抗毒素IgG,它们的V区不同样,只好与相应的抗原发生特异性的联合,但其C区的构造是同样的,即拥有同样的抗原性,应用马抗人IgG第二体(或称抗抗体)均能与这两种抗不一样外毒素的抗体(IgG)发生联合反响。
这是制备第二抗体,应用荧光、酶、同位毒等标记抗体的重要基础。
(三)功能区
Ig
分子的
H链与
L链可经过链内二硫键折叠成若干球形功能区,每一功能区(
domain)约由
110个
氨基酸构成。
在功能区中氨基酸序列有高度同源性。
1.L链功能区
分为
L链可变区(
VL)和
L链恒定区(
CL)两功能区。
2.H链功能区
IgG、IgA
和
IgD的
H链各有一个可变区(VH)和三个恒定区(CH1、CH2和
CH3)
共四个功能区。
IgM和IgE的H链各有一个可变区(VH)和四个恒定区(CH1、CH2、CH3和CH4)共五个功能区。
如要表示某一类免疫蛋白H链恒定区,可在C(表示恒定区)后加上相应重链名称(希腊字母)和恒定区的地点(阿拉伯数字),比如IgG重链CH1、CH2和CH3可分别用Cγ1、Cγ2和Cγ3来表示。
IgL链和H链中V区或C区每个功能区各形成一个免疫球蛋白折叠(immunoglobulinfold,Igfold),
每个构由
Ig折叠含有两个大概平行、由二硫连结的β片层构造(betapleatedsheets),每个β片层结
3至5股反平行的多肽链构成。
可变区中的高变区在Ig折叠的一侧形成高变区环(hypervariable
loops),是与抗原联合的地点。
3.功能区的作用
(1)VL和VH是与抗原联合的部位,此中HVR(CDR)是V区中与抗原决定簇(或表位)互补联合
的部位。
VH和VL经过非共价互相作用,构成一个FV区。
单位Ig分子拥有2个抗原联合位点
(antigen-bindingsite),二聚体分泌型IgA拥有4个抗原联合位点,五聚体IgM可有10个抗原结
合位点。
(2)CL和
CH上拥有部分同种异型的遗传标记。
(3)CH2:
IgGCH拥有补体
Clq
联合点,能活化补体的经典活化门路。
母体
IgG
借助
CH2部分可通
过胎盘主动传达到胎体内。
(4)CH3:
IgGCH3拥有联合单核细胞、巨噬细胞、粒细胞、B细胞和NK细胞Fc段受体的功能。
IgMCH3(或CH3因部分CH4)拥有补体联合位点。
IgE的Cε2和Cε3功能区与联合肥大细胞和嗜碱性粒细胞FCεRI有关。
4.铰链区(hingeregion)铰链区不是一个独立的功能区,但它与其客观存在功能区有关。
铰链
区位于CH1和CH2之间。
不一样H链铰链区含氨基酸数目不等,α1、α2、γ1、γ2和γ4链的铰链区较短,只有10多个氨基酸残基;γ3和δ链的铰链区较长,约含60多个氨基酸残基,此中γ3铰链区含
有14个半胱氨酸残基。
铰链区包含H链间二硫键,该区富含脯氨酸,不形成α-螺旋,易发生伸展及必定程度的转动,当VL、VH与抗原联合时此氏发生歪曲,使抗体分子上两个抗原联合点更好地与两个抗
原决定簇发生互补。
因为CH2和CH3构型变化,显示出活化补体、联合组织细胞等生物学活性。
铰链区
对木瓜蛋白酶、胃蛋白酶敏感,当用这些蛋白酶水解免疫球蛋白分子经常此区发生裂解。
IgM和IgE缺
乏铰链区。
(四)J
链和分泌成分
1.J链(joiningchain)存在于二聚体分泌型IgA和五聚体IgM中。
J链分子量约为15kD,因为
124个氨基酸构成的酸性糖蛋白,含有8个半胱氨酸残基,经过二硫键连结到μ链或α链的羧基端的
半胱氨酸。
J链可能在Ig二聚体、五聚体或多聚体的构成以及在体内转运中的拥有必定的作用。
2.分泌成分(secretorycomponent,SC)又称分泌片(secretorypiece
一个协助成分,分子量约为75kD,糖蛋白,由上皮细胞合成,以共价形式联合到
),是分泌型IgA上的
Ig分子,并一同被分
泌到粘膜表面。
SC的存在关于抵挡外分泌液中蛋白水解酶的降解拥有重要作用。
(五)单体、双体和五聚体
1.单体由一对
L链和一对
H链构成的基本构造,如
IgG、IgD、IgE
血清型
IgA。
2.双体由J链连结的两个单体,如分泌型
合抗原的亲协力(avidity)要比单体IgA高。
IgA(secretory
IgA,SIgA)
二聚体(或多聚体)
IgA
结
图
2-5
分泌型
IgA
构造表示图
关于
3.五聚体由J链和二硫键连结五个单体,如IgM。
μ链Cys414(Cμ3)和Cys575(C端的尾部)IgM的多聚化极为重要。
在J链存在下,经过两个周边单体IgMμ链Cys之间以及J链与邻μ链
Cys575之间形成二硫键构成五聚体。
由粘膜下浆细胞所合成和分泌的IgM五聚体,与粘膜上皮细胞表面
pIgR(poly-Igreceptor,pIgR)联合,穿过粘膜上皮细胞到粘膜表面成为分泌型IgM(secretoryIgM)。
(六)酶解片段
1.本瓜蛋白酶的水解片段Porter等最早用木瓜蛋白酶(papain)水解兔IgG,进而区划获知了Ig四肽链的基本构造和功能。
(1)裂解部位:
IgG铰链区H链链间二硫键近N端侧切断。
(2)裂解片段:
共裂解为三个片段:
①两个Fab段(抗原联合段,fragmentofantigenbinding),
每个Fab段由一条完好的L链和一合约为1/2的H链构成,Fab段分子量为54kD。
一个完好的Fab段可与抗原联合,表现为单价,但不可以形成凝集或积淀反响。
Fab中约1/2H链部分称为Fd段,约含225个氨基酸残基,包含VH、CH1和部分铰链区。
②一个Fc段(可结晶段,fragmentcrystallizable),由
连结H链二硫键和近羧基端两合约1/2的H链所构成,分子量约50kD。
Ig在异种间免疫所拥有的抗原性主要存在于Fc段。
图2-6人分泌型IgA和分泌型IgM的局部产生表示图
图2-7IgM构造表示图
2.胃蛋白酶的水解片段Nisonoff等最早用胃蛋白酶(pepsin)裂解免疫球蛋白。
(1)裂解部位:
铰链区H链链间二硫键近C端切断。
(2)裂解片段:
1)F(ab')2:
包含一对完好的L链和由链间二硫键相连一对略大于Fab中Fd的H链,称为Fd',约含235个氨基酸残基,包含VH、VH1和铰链区。
F(ab')2拥有双价抗体活性,与抗原联合可发生凝集和积淀反响。
双价的F(ab')2与抗原联合的亲协力要大于单价的Fab。
因为应用F(ab')2时保持了联合相应抗原的生物学活性,又减少或防止了Fc段抗原性可能惹起的副作用,因此在生物制品中有
较大的实质应用价值。
固然F(ab')2与抗原联合特征方面同完好的Ig分子同样,但因为缺少Ig中部
分,所以不具备固定补体以及与细胞膜表面Fc受体联合的功能。
F(ab')2经复原等办理后,H链间的
二硫可发生断裂而形成两个同样的Fab'片段。
2)Fc'可持续被胃蛋白酶水解成更小的片段,失掉其生物学活性。
图2-8Ig酶水解片段表示图
二、免疫球蛋白分子的功能
Ig是体液免疫应答中发挥免疫功能最主要的免疫分子,免疫球蛋白所拥有的功能是由其分子中不一样功能区的特色所决定的。
(一)特异性联合抗原
Ig最明显的生物学特色是可以特异性地与相应的抗原联合,如细菌、病毒、寄生虫、某些药物或侵
入机体的其余异物。
Ig的这类特异性联合抗原特征是由其V区(特别是V区中的高变区)的空间构成所
决定的。
Ig的抗原联合点由L链和H链超变区构成,与相应抗原上的表位互补,借助静电力、氢键以及
范德华力等次级键相联合,这类联合是可逆的,并遇到pH、温度和电解浓度的影响。
在某些状况下,由
于不一样抗原分子上有同样的抗原决定簇,或有相像的抗原决定簇,一种抗体可与两种以上的抗原发生反
应,此称为交错反响(crossreaction)。
抗体分子可有单体、双体和五聚体,所以联合抗原决定簇的数目(联合价)也不同样。
Fab段为单价,不可以产生凝集反响和积淀反响。
F(ab')2和单体Ig(如IgG、IgD、IgE)为双价。
双体分泌型IgA有
4价。
五聚体IgM理论上应为10价,但实质上因为立体构型的空间位阻,一般只有5个联合点可联合抗原。
B细胞表面
Ig(SmIg)
是特异性辨别抗原的受体,成熟
B细胞主要表达
SmIgM和
SmIgD,同一
B细胞
克隆表达不一样类
SmIg其辨别抗原的特异性是同样的。
(二)活化补体
1.IgM、IgG1、IgG2和IgG3可经过经典门路活化补体。
当抗体与相应抗原联合后,IgG的CH2和IgM的CH3裸露出联合Clq的补体联合点,开始活化补体。
因为Clq6个亚单位中一般需要2个C端的球与补体联合点联合后才能挨次活化Clr和Cls,所以IgG活化补体需要必定的浓度,以保证两个相邻
的IgG单体同时与1个Clq分子的两个亚单位联合。
当Clq一个C端球部联合IgG时亲和力则很低,Kd
为10-4M,当Clq两个或两个以上球部联合两个或多个IgG分时,亲协力增高Kd为10-8M。
IgG与Clq
联合点位于CH2功能区中最后一个β折叠股318~322位氨基酸残基(Glu-x-Lys-x-Lys)。
IgM倍以上。
人类天然的抗A和抗B血型抗体为IgM,血型不切合引韦的输血反响发生快并且严重。
2.凝集的IgA、IgG4和IgE等可经过代替门路活化补体。
(三)联合Fc受体
不一样细胞表面拥有不一样Ig的Fc受体,分别用FcγR、FcεR、FcαR等来表示。
当Ig与相应抗原联合后,因为构型的改变,其Fc段可与拥有相应受体的细胞联合。
IgE抗体因为其Fc段构造特色,可
在游离状况下与有相应受体的细胞(如嗜碱性粒细胞、肥大细胞)联合,称为亲细胞抗体(cytophilicantibody)。
抗体与Fc受体联合可发挥不一样的生物学作用。
1.介导I型变态反响变应原刺激机体产生的IgE可与嗜碱性粒细胞、肥大细胞表面IgE高亲力受
体细胞脱颗粒,开释组胺,合成由细胞FcεRI联合。
当同样的变应原再次进入机体时,可与已固定在细胞膜上的IgE联合,刺激细胞脱颗粒,开释组受,合成由细胞脂质根源的介质如白三烯、前列腺素、血小板活化因子等,惹起Ⅰ型变态反响。
2.调治吞噬作用调治作用(opsonization)是指抗体、补体C3b、C4b等调治素(opsonin)促使吞
噬细菌等颗粒性抗原。
因为补体对热不稳固,所以又称为热不稳固调治素(heat-labileopsonin)。
抗体又称热稳固调治素(heat-stableopsonin)。
补体与抗体同时发挥调治吞噬作用,称为联合调治
作用。
中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞拥有高亲和力或低亲和力的FcγRI(CD64)和FcγRⅡ(CD32),IgG特别是人IgG1和IgG3亚类关于调治吞噬起主要作用。
嗜酸性粒细胞拥有亲和力FcγRⅡ,IgE与相应抗原联合后可促使嗜酸性粒细胞的吞噬作用。
抗体的调治体制一般以为是:
①抗体在抗原颗粒和吞噬
细胞之间“搭桥”,进而增强了吞噬细胞的吞噬作用;②抗体与相应颗粒性抗原联合后,改变抗原表面电荷,降低吞噬细胞与抗原之间的静电斥力;③抗体可中和某些细菌表面的抗吞噬物质如肺炎双球菌的荚膜,使吞噬细胞易于吞噬;④吞噬细胞FcR联合抗原抗体复合物,吞噬细胞可被活化。
图
2-9
抗体的调治吞噬作用
3.发挥抗体依靠的细胞介导的细胞毒作用当IgG抗体与带有相应抗原的靶细胞联合后,可与有
FcγR的中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞、NK细胞等效应细胞联合,发挥抗体依靠的细胞介导的细胞
毒作用(antibodydependentcell-mediatedcytotoxicity,ADCC)。
当前已知。
NK细胞发挥ADCC效应
主假如经过其膜表面低亲和力FcγRⅢ(CD16)所介导的,IgG不单起到连结靶细胞和效应细胞的作用,
同时还刺激NK细胞合成和分泌肿瘤坏死因子和γ扰乱素等细胞因子,并开释颗粒,溶解靶细胞。
嗜酸
性粒细胞发挥ADCC作用是经过其FcεRⅡ和FcαR介导的,嗜酸性粒细胞可脱颗粒开释碱性蛋白等,在
杀伤寄生虫如蠕虫中发挥重要作用。
图
2-10
抗体依靠的细胞介导的细胞毒作用(
ADCC)
纯化
其余,人IgGFc段能非特异地与葡萄菌A蛋白(staphylococcus
IgG等抗体,或取代第二抗体用于标记技术。
proteinA,SPA)
联合,应用
SPA可
(四)经过胎盘
在人类,IgG是独一可经过胎盘从母体转移给胎儿的Ig。
IgG能选择性地与胎盘母体一侧的滋润层
细胞联合,转移到滋润层细胞的吞饮泡内,并主动外排到胎儿血循环中。
IgG的这类功能与IgGFc片段构造有关,如切除Fc段后所节余的Fab其实不可以经过胎盘。
IgG经过胎盘的作用是一种重要的自然被动免疫,关于重生儿抗感染有重要作用。
三、免疫球蛋白分子的抗原性
Ig自己拥有抗原性,将Ig作为免疫原免疫异种动物、同种异体或在自己体内可惹起不一样程度的免疫性。
依据IgI不一样抗原决定簇存在的不一样部位以及在异种、同种异体或自体中产生免疫反响的差异,可把Ig的抗原性分为同种型、同种异型和独到型第三种不一样抗原决定簇。
(一)同种型
同种型(isotype)是指同一种属内全部个体共有的Ig抗原特异性的标记,要异种体内可引诱产生
相应的抗体,换句话说,同种型抗原特异性因种属(specics)而异。
同种型的抗原性位于CH和CLH,
同种型主要包含Ig的类、亚类,型和亚型。
1.免疫球蛋的类和亚类(
classesandsubclasses
)
(1)类:
决定Ig不一样类的抗原性差异存在于H链的恒定区(CH)。
依据CH抗原性的差异(即氨基酸构成、摆列、构型、二硫键等不一样)H链可分为μ、γ、α、δ和ε五类,不一样H链与L链构成完好Ig的分子别为IgM、IgA、IgD和IgE。
在基因水平上,不一样类的H链恒定区的是由不一样的恒定区基因片段所编码。
不一样类Ig在理化性质及生物学功能上可有较大差异。
(2)亚类:
同一类Ig中因为铰链区氨基酸构成和二硫键数目的差异,可分为不一样的亚类,亚类间
抗原性的差异要小于不一样类之间的差异。
当前已发现人的α重链有α1和α2两个亚类,分别与L链构成IgA1和IgA2。
γ重链有4个亚类,但命名为IgG1、IgG2a、IgG2b和IgG3。
IgM、IgD和IgG,当前还没有发现存在不一样的亚类。
Ig不一样亚类也是由不一样的恒定区基因片段编码。
2.免疫球蛋白的型和亚型(typesandsubtypes)
(1)型:
决定Ig型的抗原性差异存在于L链的恒定区(CL),依据CL抗原性的差异(氨基酸的构成、摆列和构型的不一样)分为κ和λ轻链之比约为2:
1;而在小鼠,97%轻链为κ型,λ型只占3%左右。
(2)亚型:
依据λ轻链恒定区(C2)个别氨基酸的差异又可分λ1、λ2、λ3和λ4四个亚型。
λ1和λ2在λ轻链190位氨基酸的分别为亮氨酸和精氨酸,λ3和λ4在第154氨基酸分别为某氨酸和丝氨酸。
(二)同种异型
同种异型(allotype)是指同一种属不一样个体间的Ig分子抗原性的不一样,在同种异体间免疫可诱
导免疫反响。
同种异型抗原性的差异常常只有一个或几个氨基酸残基的不一样,可能是因为编码Ig的结
构基因发生点突变所致,并被稳固地遗传下来,所以Ig同种异型可作为一种遗传标记(genetic
markers),这类标记主要散布在CH和CL上。
1.γ链上的同种异型γ1、γ2γ3和λ4重链上均存在有同种异型标记,当前已发现:
Glma、x、
f、z;G2mn;G3mgl、g5、b0、b1、b3、b4、b5、c3、c5、s、t、u、v;G4m4a、4b。
共20种左右。
此中
G表示λ链,1、2、3或4表示亚类λ1、λ2、λ3和λ4,m代表标记(marker)。
除Glmf和z位于IgG1分子的Cγ1区外,其余的Gm均位于Fc部位。
一条γ链可能同时拥有一个以上的Gm标记,如白种人经常在γ1H链Cγ1区有
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