Антитела в организме человека

Эпитопы (антигенные детерминанты)

Антигены – это любые вещества, содержащиеся в микроорганизмах и других клетках (или выделяемые ими), которые несут в себе признаки генетически чужеродной информации и которые потенциально могут быть распознаны иммунной системой организма. При введении во внутреннюю среду организма эти генетически чужеродные вещества способны вызывать иммунный ответ различных типов.

Каждый микроорганизм, как бы примитивно он ни был устроен, содержит несколько антигенов. Чем сложнее его структура, тем больше антигенов можно обнаружить в его составе. 

Антигенными свойствами обладают различные элементы микроорганизма — жгутики, капсула, клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, рибосомы и другие компоненты цитоплазмы, а также различные продукты белковой природы, выделяемые бактериями во внешнюю среду, в том числе токсины и ферменты. 

Различают экзогенные антигены (поступающие в организм извне) и эндогенные антигены (аутоантигены — продукты собственных клеток организма), а также антигены, вызывающие аллергические реакции, — аллергены.

В ответ на попадание антигенов в организм начинается целый комплекс реакций, направленный на освобождение внутренней среды организма от продуктов чужеродной генетической информации. Такая совокупность защитных реакций иммунной системы называется 

иммунным ответом

.

Иммуногенностью называется способность антигена вызывать иммунный ответ, то есть индуцировать специфическую защитную реакцию иммунной системы. Иммуногенность также можно описать, как способность создавать иммунитет. 

Иммуногенность в значительной степени зависит от природы антигена, его свойств (молекулярного веса, подвижности молекул антигена, формы, структуры, способности к изменению), от пути и режима попадания антигена в организм, а также дополнительных воздействий и генотипа реципиента.

Как упомянуто выше, одной из форм реагирования иммунной системы в ответ на внедрение в организм антигена является биосинтез антител. Антитела способны связывать антиген, вызвавший их образование, и тем самым защищать организм от возможного вредного действия чужеродных антигенов. В связи с этим, вводится понятие антигенности.

Антигенность – это способность антигена специфически взаимодействовать с факторами иммунитета, а именно вступать во взаимодействие с продуктами вызванного именно этим веществом иммунного ответа (антителами и Т- и В-антиген-распознающими рецепторами). 

Организм способен образовать антитела почти к любой части молекулы антигена, но при нормальном иммунном ответе этого обычно не происходит. Комплексные антигены (белки, полисахариды) имеют особые участки, на которые собственно и формируется специфический иммунный ответ. Такие участки получили название эпитопы (epitope), от греч. epi — на, над, сверх и topos — место, местность. Синоним — антигенная детерминанта.

Эти участки состоят из немногих аминокислот или углеводов, каждый участок — это группа аминокислотных остатков белкового антигена или участок полисахаридной цепи. Эпитопы способны взаимодействовать как со специфическими рецепторами лимфоцитов, индуцируя тем самым иммунный ответ, так и с антигенсвязывающими центрами специфических антител.

Антитела в организме человека

Эпитопы разнообразны по своей структуре. Антигенной детерминантой (эпитопом) может быть участок поверхности белка, образованный радикалами аминокислот, гаптен или простетическая группа белка (связанный с белком небелковый компонент), особенно часто — полисахаридные группы гликопротеинов. 

Антигенные детерминанты или эпитопы — это определенные участки трехмерной структуры антигенов. Существуют разные типы эпитопов — линейные и конформационные. 

Линейные эпитопы образованы линейной последовательностью аминокислотных остатков. 

В результате изучения строения белков было выяснено, что белковые молекулы имеют сложную пространственную структуру. При свертывании (в клубок) макромолекулы белка могут сближаться остатки, отдаленные друг от друга в линейной последовательности, образуя конформационную антигенную детерминанту. 

Кроме того, сушествуют кон­цевые эпитопы (расположенные на концевых участках молекулы антигена) и центральные. Определяют также «глубинные», или скрытые, антигенные детерминанты, которые проявляются при разрушении антигена.

Молекулы большинства антигенов имеют довольно большие размеры. Одна макромолекула белка (антиген), состоящая из нескольких сот аминокислот, может содержать много различных эпитопов. Некоторые белки могут иметь одну и ту же антигенную детерминанту в нескольких экземплярах (повторные антигенные детерминанты).

Антитела в организме человека

Против одного эпитопа образуется широкий спектр разных антител. Каждый из эпитопов способен стимулировать продукцию различных специфичных антител. К каждому из эпитопов могут вырабатываться специфические антитела.  

Существует явление иммунодоминантности, которое проявляется в том, что эпитопы различают­ся по способности индуцировать иммунный ответ. 

Не все эпитопы в составе белка характеризуются равной антигенностью. Как правило, некоторые эпитопы антигена обладают особой антигенностью, что проявляется в преимущественном образовании антител против этих эпитопов. Устанавливается иерархия в спектре эпитопов молекулы белка  — некоторые из эпитопов являются доминирующими и большинство антител образуется именно к ним. Такие эпитопы названы иммунодоминантными эпитопами.  Они почти всегда расположены на выдающихся частях молекулы антигена.

В Fab-фрагмент иммуноглобулина входят V-домены обеих цепей, CL и CH1-домены. Антигенсвязывающий участок Fab-фрагмента  получил несколько названий: активный или антигенсвязывающий центр антител, антидетерминанта или паратоп.  

В образовании активных центров участвуют вариабельные отрезки легких и тяжелых цепей . Активный центр представляет собой щель, расположенную между вариабельными доменами легкой и тяжелой цепей. В формировании активного центра участвуют оба этих домена.

Молекула иммуноглобулинаМолекула иммуноглобулина. L – лёгкие цепи; H – тяжёлые цепи; V – вариабельная область; С – константная область; N-концевые области L- и Н-цепей (V-область) образуют два антигенсвязывающих центра в составе Fab-фрагментов. 

Каждый Fab-фрагмент иммуноглобулинов IgG имеет один антигенсвязывающий центр. Активные центры антител других классов, способные взаимодействовать с антигеном, также расположены в Fab-фрагментах. Антитела IgG, IgA и IgE имеют по 2 активных центра, IgM — по 10 центров. 

Иммуноглобулины могут связывать антигены разной химической природы: пептиды, карбогидраты, сахара, полифосфаты, стероидные молекулы. 

Существенным и уникальным свойством антител является их способность вступать в связывание с цельными, нативными молекулами антигенов, непосредственно в том виде, в каком антиген проник во внутреннюю среду организма. Для этого не требуется никакая предварительная метаболическая обработка антигенов

Структура доменов в составе молекул иммуноглобулинов 

Вторичная структура полипептидных цепей молекулы иммуноглобулина обладает доменным строением. Отдельные участки тяжелых и легких цепей свернуты в глобулы (домены), которые соединены линейными фрагментами. Каждый домен имеет примерно цилиндрическую форму и представляет собой β-складчатую структуру, сформированную из антипараллельных β-складок. В рамках базовой структуры, между C- и V-доменами есть определенная разница, которую можно рассмотреть на примере легкой цепи. 

На рисунке схематически изображена укладка одиночной полипептидной цепи белка Бенс-Джонса, содержащей Vи CL домены. Схема построена по данным рентгеноструктурного анализа — метода, который позволяет устанавливать трехмерную структуру белков. На схеме можно видеть сходства и различия между V- и C-доменами. 

Домены молекулы иммуноглобулинов

В верхней части рисунка схематически показана пространственная укладка постоянного (C) и вариабельного (V) доменов легкой цепи молекулы белка. Каждый домен – это цилиндрическая “бочкообразная” (barrel-shaped) структура, в которой участки полипептидной цепи (β-тяжи), идущие в противоположных направлениях (т.е. антипареллельные) упакованы так, что формируют два β-листа, удерживаемых вместе дисульфидной связью. 

Каждый из доменов, V- и C-, состоит из двух β-листов (слоев с β-складчатой структурой). Каждый β-лист содержит несколько антипараллельных (идущих в противоположных направлениях) β-тяжей: в С-домене β-листы содержат четыре и три β-тяжа, в V-домене — оба слоя состоят из четырех β-тяжей. На рисунке β-тяжи показаны желтым и зеленым для C-домена и красным и синим для V-домена.

В нижней части рисунка иммуноглобулиновые домены рассмотрены подробнее. В этой половине картинки отображена схема взаимного расположения β-тяжей для V- и C-доменов легкой цепи. Можно яснее рассмотреть создающий итоговую структуру способ укладки их полипептидных цепей при формировании из них β-листов. Чтобы показать укладку,  β-тяжи обозначены буквами латинского алфавита, в соответствии с порядком их появления в последовательности аминокислот, составляющих домен. Порядок следования в каждом β-листе — это характеристика иммуноглобулиновых доменов.  

 β-листы (слои) в доменах связаны дисульфидным мостиком (связью) примерно в середине каждого домена. Эти связи отображены на рисунке: между слоями изображена дисульфидная связь, соединяющая складки В и F и стабилизирующая структуру домена.

Основная разница между V- и C-доменами состоит в том, что V-домен больше и содержит дополнительные β-тяжи, обозначенные, как Cʹ и Cʹʹ.  На рисунке β-тяжи Cʹ и Cʹʹ, имеющиеся у V-доменов, но отсутствующие у C-доменов выделены голубым прямоугольником. Можно видеть, что каждая полипептидная цепь формирует гибкие петли между последовательными β-тяжами при смене направления. В V-домене, гибкие петли, сформированные между некоторыми из β-тяжей, входят в структуру активного центра молекулы иммуноглобулина.  

Гипервариабельные области в составе V-доменов

Уровень вариабельности внутри вариабельных доменов распределен неравномерно. Не весь вариабельный домен изменчив по своему аминокислотному составу,  а лишь его малая часть — гипервариабельные области. На их долю приходится около 20 % аминокислотной последовательности V-доменов. 

В структуре цельной молекулы иммуноглобулина VH– и VL-домены объединены. Их гипервариабельные области примыкают друг к другу и создают единый гипервариабельный участок в виде кармана. Это участок, который специфически связывается с антигеном. Гипервариабельные области определяют комплементарность антитела антигену. 

Поскольку гипервариабельные участки играют ключевую роль в распознавании и связывании антигена, их еще называют участками, определяющими комплементарность — CDR (Сomplementarity determining regions). В вариабельных доменах тяжелой и легкой цепей выделяют по три CDR (VL CDR1–3, VH CDR1–3). 

Схематическое изображение антитела 

Между гипервариабельными областями расположены относительно постоянные участки аминокислотной последовательности, которые называются каркасными участками (framework region, FR). На их долю приходится около 80% аминокислотной последовательности V-доменов. Роль таких участков заключается в поддержании относительно однотипной трехмерной структуры V-доменов, которая необходима для обеспечения аффинного взаимодействия гипервариабельных участков с антигеном.

В последовательности вариабельного домена области 3 гипервариантные области чередуются с 4 относительно инвариантными «каркасными» участками FR1–FR4, 

Framework region 

H1–3 – CDR-петли, входящие в состав цепей.

Особый интерес представляет пространственное расположение гипервариабельных областей в трех отдельных петлях вариабельного домена. Эти гипервариабельные области, хотя и находятся на большом отдалении друг от друга в первичной структуре легкой цепи, но, при образовании трехмерной структуры, они оказываются расположенными в непосредственной близости друг к другу. 

В пространственной структуре V-доменов гипервариабельные последовательности расположены в зоне изгибов полипептидной цепи, направленной навстречу соответствующим участкам V-домена другой цепи (т.е. CDR легкой и тяжелой цепей направлены навстречу друг другу). В результате взаимодействия вариабельного домена  H- и L-цепей и формируется антигенсвязывающий участок (активный центр) иммуноглобулина. По данным электронной микроскопии, он представляет собой полость длиной 6 нм и шириной 1,2–1,5 нм.

Пространственная структура этой полости, обусловленная строением гипервариабельных участков, определяет способность антител распознавать и связывать конкретные молекулы на основе пространственного соответствия (специфичность антител). В формирование активного центра вносят вклад и пространственно разделенные участки Н- и L-цепей. Гипервариабельные участки V-доменов входят в состав активного центра не полностью — поверхность антигенсвязывающего участка захватывает только около 30% CDR. 

Гипервариабельные области тяжелой и лег­кой цепи определяют индивидуальные особенности строения антигенсвязывающего центра для каждого клона Ig и многообразие их специфичностей. 

Сверхвысокая вариабельность CDR и активных центров обеспечивает уникальность молекул иммуноглобулинов, синтезируемых В-лимфоцитами одного клона, не только по структуре, но и по способности связывать различные антигены. Несмотря на то, что структура иммуноглобулинов довольно хорошо известна и именно CDR отвечают за их особенности, до сих пор не ясно, какой именно домен отвечает за связывание антигена в наибольшей степени. 

Взаимодействие антител и антигенов (взаимодействие эпитопа и паратопа)

В основе реакции антиген—антитело лежит взаимодействие между эпитопом антигена и активным центром антитела, основанное на их пространственном соответствии (комплементарности). В результате связывания патогена с активным центром антитела происходит нейтрализация патогена и затрудняется его проникновение в клетки организма.  

В процессе взаимодействия с антигеном принимает участие не вся молекула иммуноглобулина, а лишь ее ограниченный участок — антигенсвязывающий центр, или паратоп, который локализован в Fab-фрагменте молекулы Ig. При этом антитело взаимодействует не со всей молекулой антигена сразу, а лишь с ее антигенной детерминантой (эпитопом). 

Активный центр антител является структурой, пространственно комплементарной (специфичной) детерминантой группе антигена. Активный центр антител обладает функциональной автономией, т.е. способен связывать антигенную детерминанту в изолированном виде. 

Взаимодействие антигена и антитела

Со стороны антигена, за взаимодействие с активными центрами антигенраспознающих молекул ответственны эпитопы, которые взаимодействуют со специфичными антителами. Эпитоп непосредственно вступает в ионные, водородные, ван-дер-ваальсовы и гидрофобные связи с активным центром антитела. 

Специфическое взаимодействие антител с молекулой антигена связано с относительно небольшим участком ее поверхности, соответствующим по размеру антиген-связывающему участку рецепторов и антител. 

Связь антигена с антителом осуществляется за счет слабых взаимодействий в пределах антигенсвязывающего центра. Все эти взаимодействия проявляются только при близком контакте молекул. Такое маленькое расстояние между молекулами может быть достигнуто только за счет комплементарности эпитопа и активного центра антитела.

Перекрестная реактивность

Антитела как показатель состояния иммунной системы

Одной из важнейших функций иммуноглобулинов является связывание антигена и образование иммунных комплексов. Белки-антитела специфически реагируют с антигенами, образуя иммунные комплексы — комплексы антител, связанных с антигенами.  Такая связь отли­чается неустойчивостью: образовавшийся иммунный комплекс (ИК) может легко распадаться на составляющие его компоненты.

К каждой молекуле антигена может присоединиться несколько молекул антител, поскольку на антигене есть несколько антигенных детерминант и к каждой из них могут образовываться антитела. В результате возникают сложные молекулярные комплексы.

Антитела

Образование иммунных комплексов является неотъемлемым компонентом нормального иммунного ответа. Формирование и биологическая активность иммунных комплексов зависят, в первую очередь, от природы антител и антигена, входящих в их состав, а также от их соотношения.  Особенности иммунных комплексов зависят от свойств антител (валентность, аффинность, скорость синтеза, способность связывать комплемент) и антигена (растворимость, размер, заряд, валентность, пространственное распределение и плотность эпитопов).

Взаимодействие антигенов и антител. Реакция антиген-антитело

Реакция антиген-антитело — образование комплекса между антигеном и направленными к нему антителами. Изучение таких реакций имеет большое значение для понимания механизма специфического взаимодействия биологических макромолекул и для выяснения механизма серологических реакций.

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.

Взаимодействие молекулы антигена с антителом или его активным Fab-фрагментом сопровождается изменениями пространственной структуры молекулы антигена. 

Поскольку при соединении антигена с антителом не возникает химических связей, прочность этого соединения определяется пространственной точностью (специфичностью) взаимодействующих участков двух молекул — активного центра иммуноглобулина и антигенной детерминанты. Мера прочности связи определяется афинностью антитела (величиной связи одного антигенсвязывающего центра с индивидуальным эпитопом антигена) и его авидностью (суммарной силой взаимодействия антитела с антигеном в случае взаимодействия поливалентного антитела с поливалентным антигеном). 

Все реакции антиген-антитело обратимы; комплекс “антиген-антитело” может диссоциировать с выделением антител. При этом обратная реакция антиген—антитело протекает значительно медленнее, чем прямая. 

Можно выделить два основных пути, с помощью которых может быть частично или полностью разделен уже сформировавшийся комплекс антиген — антитело. Первый состоит в вытеснении антител избытком антигена, а второй — в воздействии на иммунный комплекс внешних факторов, приводящих к разрыву связей (уменьшению сродства) между антигеном и антителом. Частичная диссоциация комплекса “антиген—антитело” может быть достигнута в общем случае при повышении температуры. 

При использовании 

серологических методов

 наиболее универсальным способом диссоциации иммунных комплексов, образованных самыми разнообразными антителами, служит их обработка разбавленными кислотами и щелочами, а также концентрированными растворами амидов (мочевины, солянокислого гуанидина).

Гетерогенность антител

Антитела, образовавшиеся при иммунном ответе организма, неоднородны и отличаются друг от друга, т.е. они гетерогенны. Антитела гетерогенны по своим физико-химическим, биологическим свойствам и прежде всего по своей специфичности. Главная основа гетерогенности (разнообразия специфичностей) антител — разнообразие их активных центров. Последняя связана с вариабельностью аминокислотного состава в V-областях молекулы антитела.  

Также антитела гете­рогенны по принадлежности к различным классам и подклассам. 

Гетерогенность антител связана также с тем, что иммуноглобулины содержат 3 вида антигенных детерминант: изотипические, характеризующие принадлежность иммуноглобулина к определенному классу; аллотипические, соответствующие аллельным вариантам иммуноглобулина; идиотипические, отражающие индивидуальные особенности иммуноглобулина. Система идиотип−антиидиотип составляет основу так называемой сетевой теории Ерне.

Изотипы, аллотипы, идиотипы антител

Иммуноглобулины содержат три вида антигенных детерминант: изотипические (одинаковые для каждого представителя данного вида), аллотипические (детерминанты, различные у представителей данного вида) и идиотипические (детерминанты, определяющие индивидуальность данного иммуноглобулина и являющиеся различными у антител одного класса, подкласса).  

У каж­дого биологического вида тяжелые и легкие цепи иммуноглобулинов имеют определенные антигенные осо­бенности, в соответствии с которыми тяжелые цепи разделены на 5 классов (γ, μ, α, δ, ε ), а легкие на 2 типа (κ и λ). Эти антигенные детерминанты называют изотипическими (изотипы), для каждой цепи они одинаковые у каждого представителя данного биологического вида. 

Вместе с тем имеются внутривидовые различия названных цепей иммуноглобулинов – аллотипы, обусловленные генетичес­кими особенностями организма-продуцента: их признаки генети­чески детерминированы. Например, у тяжелых цепей описано более 20 аллотипов. 

Даже тогда, когда антитела к конкретному антигену относятся к одному классу, подклассу и даже аллотипу, они характеризуются специфическими отличиями друг от друга. Эти различия названы идиотипами. Они характе­ризуют «индивидуальность» данного иммуноглобулина в зависи­мости от специфичности антигена-индуктора. Это зависит от особенностей строения V-доменов H- и L- цепей, множества различных вариантов их аминокислотных последовательностей. Все указанные антигенные различия определяются с помощью специфических сывороток.

Анализ крови на антитела. Антитела (или иммуноглобулины) — это особые белковые молекулы. Их производят В-лимфоциты (плазматические клетки). Иммуноглобулины могут как свободно находиться в крови, так и прикрепляться к поверхности «дефектных» клеток.

Антитела были открыты в 1890 году Э. Берингом и С. Кисато при изучении влияния дифтерийного токсина на кроликов. Так были названы вещества, которые образовывались в крови кроликов и могли не только нейтрализовать токсин, но и уничтожить дифтерийную инфекцию.

Распознав чужеродную субстанцию — антиген, антитело прикрепляется к ней с помощью так называемого белкового хвостика. Последний служит своеобразным сигнальным флажком для специализированных иммунных клеток, которые нейтрализуют «нарушителей».

В организме человека присутствует пять классов иммуноглобулинов: IgA, IgD, IgG, IgE, IgM. Они отличаются по массе, по составу, и, что самое главное, по свойствам.

IgE и IgD содержатся в сыворотке крови в малом количестве и не имеют диагностической ценности. Наиболее значимыми для анализа состояния иммунной системы и постановки диагноза являются IgM, IgA и IgG.

IgM — первый иммуноглобулин, который начинает вырабатывать организм в ответ на инфекцию. Он обладает высокой активностью, стимулирует различные звенья иммунитета. Составляет 10% от всех фракций иммуноглобулинов.

Примерно через пять суток после попадания антигена в организм начинает вырабатываться IgG (70–75% от всех иммуноглобулинов). Он обеспечивает основной иммунный ответ. Более половины всех выделяемых во время болезни иммуноглобулинов относятся именно к этому классу. Антитела класса G настолько малы, что могут проходить через плаценту. Именно антитела, переданные ребенку от матери во время беременности, защищают новорожденного в первые месяцы его жизни.

IgA в основном локализуется в слизистых оболочках дыхательных путей, желудка, кишечника и мочеполовой системы. То есть там, где болезнетворные микроорганизмы чаще всего проникают в наш организм. Этот класс иммуноглобулинов как бы связывает чужеродные вещества и не дает им прикрепиться к поверхности слизистых оболочек. Доля IgA 15–20% от всего числа присутствующих в организме иммуноглобулинов.

Типы тяжелых и легких цепей в составе молекул антител

Электрофорез

В конце 30-х годов XX века началось изучение молекулярной природы антител. Одним из способов исследования молекул являлся электрофорез, который был введен в практику в эти же годы. Электрофорез позволяет разделить белки по их электрическому заряду и молекулярной массе. При электрофорезе белков сыворотки обычно получается 5 основных полос, которые соответствуют  (от к -) фракциям альбумина, альфа1-, альфа2-, бета- и гамма-глобулинов. 

В 1939 году  шведский химик Арне Тиселиус и американский иммунохимик Элвин Кэбет (Tiselius, Kabat) использовали электрофорез, чтобы разделить на фракции сыворотку крови иммунизированных животных. Ученые показали, что антитела содержатся в определённой фракции белков сыворотки. А именно — антитела относятся, в основном, к гамма-глобулинам. Так как часть попадала также в область бета-глобулинов, то для антител был предложен лучший термин — иммуноглобулины.

В соответствии с международной классификацией, совокупность сывороточных белков, обладающих свойствами антител, называют иммуноглобулинами и обозначают символом Ig (от слова «Immunoglob­ulin»). 

Термин «иммуноглобулины» отражает химическую структуру молекул этих белков. Термин «антитело» определяет функциональные свойства молекулы и учитывает способность антитела реагировать только с определенным антигеном.

Раньше предполагалось, что иммуноглобулины и антитела – синонимы.  В настоящее время существует мнение, что все антитела являются иммуноглобулинами, но не все иммуноглобулиновые молекулы обладают функцией антител.

Антигены

Мы говорим об антителах только относительно антигена, т.е. если антиген известен. Если мы не знаем антиген, комплементарный некоему иммуноглобулину, который оказался у нас «в руках», то мы имеем только иммуноглобулин. В любой антисыворотке, кроме антител против данного антигена, имеется большое количество иммуноглобулинов, антительную активность которых не удалось обнаружить, однако это не означает, что данные иммуноглобулины не являются антителами к каким-либо другим антигенам. Вопрос о существовании молекул иммуноглобулинов, изначально не обладающих свойствами антител, пока остается открытым.

Антитела (АТ, иммуноглобулины, ИГ, Ig) являются центральной фигурой гуморального иммунитета. Основную роль в иммунной защите организма играют лимфоциты, которые подразделяются на две основные категории – Т-лимфоциты и В-лимфоциты. 

Антитела или иммуноглобулины (Ig) синтезируются В-лимфоцитами, а точнее антителообразующими клетками (АОК). Синтез антител начинается в ответ на попадание во внутреннюю среду организма антигенов. Для синтеза антител B-клеткам необходим контакт с антигеном и вызванное им созревание B-клеток в антителообразующие клетки. Значительное число антител вырабатывают образовавшиеся из В-лимфоцитов так называемые плазматические клетки — АОК, выявляемые в крови и тканях. Иммуноглобулины содержатся в большом количестве в сыворотке, в межклеточной жидкости и других секретах, обеспечивая гуморальный ответ.

Классы иммуноглобулинов

Иммуноглобулины

Иммуноглобулины (Ig) различаются по структуре и по выполняемым функциям. У человека обнаружены 5 различных классов иммуноглобулинов:  IgG, IgA, IgM, IgE, IgD, часть из которых ещё подразделяется на подклассы. Подклассы есть у иммуноглобулинов классов G (Gl, G2, G3, G4), А (А1, А2) и M (M1, M2). 

Классы и подклассы, вместе взятые, называют изотипами иммуноглобулинов. 

Антитела разных классов различаются по размерам молекул, заряду белковой молекулы, аминокислотному составу и содержанию углеводного компонента.  Наиболее изученным классом антител является IgG.

В сыворотке крови человека в норме преобладают иммуноглобулины класса IgG. Они составляют приблизительно 70–80% от общего количества сывороточных антител. Содержание IgA – 10-15%, IgM – 5-10%. Содержание иммуноглобулинов класса IgE и IgD очень мало  – около 0.1% для каждого из этих классов.

Не следует думать, что антитела против того или иного антигена принадлежат только к какому-то одному из пяти классов иммуноглобулинов. Наоборот, антитела против одного и того же антигена могут быть представлены разными классами Ig. 

Важнейшую диагностическую роль играет определение антител классов М и G, так как после инфицирования человека первыми появляются антитела класса М, затем класса G, и последними иммуноглобулины А и Е.

Иммуноглобулины (Ig) различаются по структуре и по выполняемым функциям. У человека обнаружены 5 различных классов иммуноглобулинов:  IgG, IgA, IgM, IgE, IgD, часть из которых ещё подразделяется на подклассы. Подклассы есть у иммуноглобулинов классов G (Gl, G2, G3, G4), А (А1, А2) и M (M1, M2). 

Классы и подклассы, вместе взятые, называют изотипами иммуноглобулинов. 

Антитела разных классов различаются по размерам молекул, заряду белковой молекулы, аминокислотному составу и содержанию углеводного компонента.  Наиболее изученным классом антител является IgG.

В сыворотке крови человека в норме преобладают иммуноглобулины класса IgG. Они составляют приблизительно 70–80% от общего количества сывороточных антител. Содержание IgA – 10-15%, IgM – 5-10%. Содержание иммуноглобулинов класса IgE и IgD очень мало  – около 0.1% для каждого из этих классов.

АнтителаИммуноглобулины IgG на основании экспериментальных данных. Каждый аминокислотный остаток молекулы белка изображен в виде маленького шарика. Визуализация построена с помощью программы RasMol.

В течение XX века биохимики стремились выяснить, какие варианты иммуноглобулинов существуют и какова структура молекул этих белков. Структура антител устанавливалась в ходе разнообразных экспериментов. В основном они заключались в том, что антитела обрабатывались протеолитическими ферментами (папаином, пепсином), 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 модель молекулы антител.

Более 100 лет исследований структуры и функций иммуноглобулинов только подчеркнули сложную природу этих белков. В настоящее время, строение молекул иммуноглобулинов человека не описано полностью. Большинство исследователей сконцентрировали свои усилия не на описании структуры этих белков, а на выяснении механизмов, посредством которых антитела взаимодействуют с антигенами.

Несмотря на предполагаемое раз­нообразие иммуноглобулинов, их молекулы удалось классифицировать по структурам, входящим в эти молекулы. Эта классификация основана на том, что иммуноглобулины всех классов построены по общему плану, имеют некое универсальное строение. 

Молекулы иммуноглобулинов – это сложные пространственные образования. Все без исключения антитела принадлежат к одному типу белковых молекул, имеющих глобулярную вторичную структуру, что соответствует их названию — «иммуноглобулины» (вторичная структура белка – это способ укладки в пространстве его полипептидной цепи). Они могут быть мономерами либо полимерами, построенными из нескольких субъединиц.

Пептидные цепи иммуноглобулиновПептидные цепи иммуноглобулинов. Схематическое изображение. Вариабельные области выделены пунктиром.

Структурная единица иммуноглобулина — мономер, молекула состоящая из полипептидных цепей, соединенных друг с другом дисульфидными связями (S—S мостиками). 

Если молекулу Ig обработать 2-меркаптоэтанолом (реактивом, разрушающим дисульфидные связи), то она распадется на пары полипептидных цепей. Полученные полипептидные цепи классифицируют по молекулярной массе: легкие и тяжелые. Лёгкие цепи имеют низкую молекулярную массу (около 23 кД) и обозначаются буквой L, от англ. Light —
 лёгкий. Тяжёлые цепи Н (от англ.
 Heavy — тяжёлый) имеют высокую молекулярную массу (варьирует в пределах 50 – 73 кД).

Так называемый мономерный иммуноглобулин содержит две L-цепи и две H-цепи. Легкие и тяжелые цепи удерживаются вместе дисульфидными мостиками. Дисульфидные связи соединяют легкие цепи с тяжелыми, а также тяжелые цепи между собой. 

Основной структурной субъединицей всех классов иммуноглобулинов является пара «легкая цепь – тяжелая цепь» (L-H). Структура иммуноглобулинов разных классов и подклассов различается по числу и расположению дисульфидных связей между тяжелыми цепями, а также по числу (L-H)-субъединиц в молекуле. Н-цепи скрепляются различным числом дисульфидных связей. Типы тяжелых и легких цепей, входящих в состав разных классов иммуноглобулинов, также различаются.

На рисунке представлена схема организации IgG в качестве типичного иммуноглобулина. Как и все иммуноглобулины, IgG содержит две одинаковые тяжелые (Н) цепи и две одинаковые легкие (L) цепи, которые объединены в четырехцепочечную молекулу посредством межцепьевых дисульфидных связей (-S-S-). Единственная дисульфидная связь, соединяющая Н- и L-цепи, локализуется недалеко от С-конца легкой цепи. Между двумя тяжелыми цепями также есть дисульфидная связь.

Легкие и тяжелые полипептидные цепи в составе молекулы Ig имеют определенную структуру. Каждая цепь условно разделена на специфические участки, называемые доменами.

Как легкие, так и тяжелые цепи не представляют собой прямолинейную нить. Внутри каждой цепи через регулярные и примерно равные промежутки по 100—110 аминокислот существуют дисульфидные мостики, которые формируют петли в структуре каждой цепи. Наличие дисульфидных мостиков означает, что каждая петля в пептидных цепях должна формировать компактно сложенный глобулярный домен.

Можно сказать, что молекулы иммуноглобулинов собраны из отдельных доменов, каждый из которых располагается вокруг дисульфидного мостика и гомологичен остальным. 

Схематическое изображение на плоском рисунке неточно отражает структуру Ig; в действительности вариабельные домены легкой и тяжелой цепей не располагаются параллельно, а тесно, крест-накрест переплетены друг с другом. 

Типичное строение иммуноглобулина удобно рассмотреть на примере молекулы антитела класса IgG. Всего в молекуле IgG 12 доменов — по 4 на тяжелых цепях и по 2 на легких цепях.

В состав каждой легкой цепи входит два домена – один вариабельный (VL , variable domain of the light chain) и один константный (CL, constant domain of the light chain). В состав каждой тяжелой цепи – один вариабельный (VH , variable domain of the heavy chain) и три константных домена (CH 1–3, constant domains of the heavy chain). Примерно четвертую часть тяжелой цепи, включающую N-конец, относят к вариабельной области Н-цепи (VH ), остальная часть ее – это константные области (СН1, СН2, СН3). 

IgG
Белок Бенс-ДжонсаБелок Бенс-Джонса. Пример молекулы такого иммуноглобулина, который представляет собой димер легких каппа-цепей

Как подготовиться к анализу

Анализ на антитела играет огромное, а в некоторых случаях даже решающее значение в постановке диагноза заболевания, так как он отражает протекающие в гуморальном звене иммунитета процессы.

Определение количества и подкласса антител позволяет судить о длительности и природе заболевания, а в некоторых случаях возможно определение конкретного возбудителя, вызвавшего болезнь, поэтому широко применяется в специализированных учреждениях при постановке таких диагнозов, как вирусный гепатит, ВИЧ и других.

Норма антител

В норме антитела можно обнаружить в кровотоке, на слизистых и, особенно, в лимфоидных органах, где в основном и происходит активация иммунного ответа. Это обусловлено постоянным контактом организма со внешней средой, состоящей из чужеродных агентов.

Для определения антител проводится ряд тестов, оценивающих количественные и качественные характеристики гуморального компонента иммунной системы. Также рекомендуется оценивать изменение их уровня в динамике.

Норма антител в сыворотке крови составляет:

  • У мужчин: IgM (0,55-1,41 г/л); IgG (6,64-14,0 г/л); IgA (1,03-4,04 г/л);
  • У женщин: IgM (0,37-1,95 г/л); IgG (5,87-16,3 г/л); IgA (0,54-3,43 г/л).

Степень повышения антител может быть выражена в разной степени. Для правильной интерпретации результата на антитела важно оценивать изменение их уровня в динамике.

Если не произошло активации В-лимфоцита из-за отсутствия контакта с подходящим ему чужеродным антигеном, то последующей его трансформации в плазматическую клетку, являющуюся фабрикой про производству иммуноглобулинов, не происходит, и такие клетки ждут своего часа. Если же В-лимфоцит проконтактировал с чужеродным агентом, то большую роль играет место встречи и тип чужеродного агента, вызвавшего иммунную реакцию.

Возможно три варианта развития событий:

  • В-лимфоциты в фолликулах селезенки после встречи с белковым антигеном и Т-хелпером активируются с последующим активным делением и дифференцировкой на длительно живущие плазматические клетки, синтезирующие Ig G, IgA и IgE;
  • Краевые В-лимфоциты в селезенке после контакта с антигенами, являющимися общими чужеродными структурами для большинства инородных агентов, активируются с последующим активным делением и дифференцировкой на короткоживущие плазматические клетки, синтезирующие IgM;
  • В-лимфоциты слизистых оболочек или брюшной полости после контакта с чужеродными агентами также активируются с последующим активным делением и дифференцировкой на короткоживущие плазматические клетки, синтезирующие IgM.

Виды антител и их функции в организме

Таким образом, после проведения анализа крови на антитела и определения спектра и уровня антител, можно судить о происходящих в организме процессах.

Повышены антитела могут быть также при заболеваниях, сопровождающихся нарушениями в системе иммунитета. К ним относятся парапротеинемии, проявляющиеся наличием антител с функциональными и структурными дефектами при миеломной и ряде других болезней.

Однако определение антител ранее определенного момента не имеет смысла в связи с особенностями функционирования иммунной системы. Эффективность анализа крови на антитела в большей степени зависит от того, в какой раз человек встречается с чужеродным агентом. Так, если человек встречается с возбудителем болезни повторно, гуморальный ответ не только развивается быстрее, но обладает большей эффективностью, что обусловлено большей степенью соответствия эпитопов антигенам.

Для первой встречи с чужеродным агентом наблюдается преимущественное повышение антител класса М, достигающее пика и, соответственно, наибольшей эффективности через 5-10 дней. Антитела G класса появляются еще позже.

Для повторной встречи с чужеродным агентом характерно более быстрое формирование иммунного ответа в течение 1-3 дней, которое характеризуется более эффективным приростом количества антител. Антитела G класса играют основную роль в развитии иммунной защиты. Кроме того, при определенной стимуляции, возникает дифференцировка плазматических клеток с производством антител класса А или Е.

Таким образом, брать анализ крови на антитела ранее, чем через 5 дней после инфицирования в большом количестве случаев не имеет смысла, что обусловлено слишком коротким сроком для активации иммунного ответа, хотя при повторной встрече с возбудителем, анализ определит положительные антитела уже на 1-2 сутки после инфицирования.

Виды антител и их функции в организме

Методом, позволяющим определить количественные характеристики антител каждого типа в организме, является электрофорез. Его действие основано на разнице в поведении белков на после их помещения в электрическое поле. Этот метод позволяет определить, повышены антитела или нет, но не дает возможности выяснить, против какого чужеродного агента они образованы и, таким образом, показывает лишь общую картину.

Серологические реакции позволяют определить отсутствие или наличие антител, обладающих специфичностью в отношении искомого антигена в биологических жидкостях.

К ним относят реакции:

  1. Агглютинации;
  2. Преципитации;
  3. Нейтрализации;
  4. С участием комплемента;
  5. С мечеными антителами или антигенами.

Агглютинацией называют связывание антигенов, связанных с крупными нерастворимыми частицами, такими как бактерии или эритроциты, при взаимодействии с антителами.

Агглютинация бывает следующих видов:

  • прямая агглютинация (позволяет выявить антитела в сыворотке больного и проводится путем смешивания взвеси убитых микробов с кровью, что приводит к появлению хлопьевидного осадка);
  • непрямая гемагглютинация (позволяет выявить антитела в изучаемом материале и проводится путем смешивания эритроцитов, на которых находятся фиксированные антигены, что приводит к появлению фестончатого осадка);
  • реакция торможения гемагглютинации (в результате связывания антител с рецепторами вирусов, обладающих гемаглютинирующей способностью, склеивания эритроцитов животных, не происходит);
  • реакция коагглютинации (антигены возбудителя определяются добавлением специально обработанных диагностической сывороткой стафилококков).

При реакции преципитации наблюдается выпадение в осадок комплексов антиген-антитело, где антигены должны быть растворимыми (не связанными с крупными, нерастворимыми частицами). После образования комплексов антиген-антитело выпадает осадок, называемый преципитатом. Положительным считается результат на антитела, при котором можно увидеть кольцо преципитата.

Реакцией нейтрализации называется блокирование повреждающего действия микробов или их токсинов после взаимодействия с иммунной сывороткой, что обусловлено их связыванием с антителами с образованием комплексов антиген-антитело.

Комплементом называют сложную систему врожденного гуморального ответа, которая после активации получает способность к опсонизации, облегчению фагоцитоза и цитолизу чужеродных агентов. При проведении реакции с участием комплемента используется его способность к взаимодействию с иммунными комплексами.

Поэтому сначала смешивается интересуемая сыворотки с известными антигенами. Затем, если образовались комплексы антиген-антитело, белки комплемента исчерпываются. Если же образования комплексов не произошло, то система комплемента остается способной к активации. Для того, чтобы это выяснить, добавляются эритроциты и антиэритроцитарные антитела, которые связываются с образованием иммунных комплексов, после чего наблюдается гемолиз эритроцитов, обусловленный действием комплемента, или наблюдается хлопьевидный осадок, если активации не произошло.

Реакция с мечеными антителами или антигенами, или реакция иммунофлюоресценции основана на обработке изучаемого материала сывороткой, содержащей антигены или антитела, помеченные флюорохромами, что в случае образования иммунных комплексов дает возможность наблюдать свечение при освещении ультрафиолетовой лампой при изучении через микроскоп.

При применении не флюорохромов, а ферментов (пероксидазы или щелочной фосфатазы), метод называют иммуноферментным анализом. Результат оценивается по изменению окраски.

Виды антител и их функции в организме

Радиоиммунологический метод позволяет определить наличие антител или антигенов, помеченных радионуклидами и их количество после взаимодействия с изучаемым материалом (антигенами или антителами в сыворотке пациента).

Анализ крови на антитела. Результаты могут указывать на протекание различных заболеваний, в том числе венерических. Например, хламидиоз, уреаплазмоз, сифилис и прочее.

Рекомендуется и при подозрении на глистную инвазию, заболевания щитовидной железы, столбняк, вирус иммунодефицита, а также в качестве профилактики резус-конфликта у беременных женщин.

Полезен еще и тем, что способен вовремя диагностировать снижение иммунитета, а значит предупредить осложнения.

Все антитела принято классифицировать на пять видов: IgA, IgE, IgM, IgG, IgD. Каждый из них противостоит своей группе антигенов.

Виды антител и их функции в организме

Иммуноглобулины класса IgM возникают обычно в самом начале инфицирования. Они призваны обеспечить первичную защиту от заболевания. Указывают на ранние признаки бактериальной и паразитарной инфекции. Во многих случаях уровень IgM уменьшается при нарастании класса A (IgA) и класса G (IgG).

Иммуноглобулины IgA руководят иммунитетом слизистых оболочек. Его основная функция – нейтрализация вируса. Они активизируются при вирусных, хронических инфекциях желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей, хронических заболеваниях печени, кожных и ревматологических заболеваниях и прочих.

Один из наиболее важных – иммуноглобулин G (IgG) – является преобладающим в сыворотке крови, особенно важен для долговременной защиты организма. Дефицит или отсутствие IgG сопровождается рецидивами заболевания. Врач назначает анализ на IgG чтобы понять, в какой стадии проходит заболевание, имеется ли «защита». Если эти антитела вырабатываются в недостаточном количестве, значит, сопротивляемость организма крайне низкая.

IgG – единственный, способный проходить через плаценту, обеспечивая внутриутробную защиту ребенка. После родов действие материнских иммуноглобулинов продолжается в течение первых трех месяцев жизни, в этот период ребенок начинает синтезировать свои собственные.

Эпитопы (антигенные детерминанты)

Липиды (от др.-греч. λίπος — жир) — обширная группа довольно разнообразных  природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Липиды содержатся во всех живых клетках и являются одним из основных компонентов биологических мембран. Они  нерастворимы в воде и хорошо растворимы в органических растворителях. Фосфолипиды — сложные липиды, содержащие в себе высшие жирные кислоты и остаток фосфорной кислоты.

Конформация молекул (от лат. conformatio — форма, построение, расположение) — геометрические формы, которые могут принимать молекулы органических соединений при вращении атомов или групп атомов (заместителей) вокруг простых связей при сохранении неизменными порядка химической связи атомов (химического строения), длины связей и валентных углов.

Аминокислоты — органические соединения (кислоты) особой структуры. В их молекулах одновременно содержатся аминогруппы (NH2) и карбоксильные группы (СООН). Все аминокислоты состоят всегоиз 5 химических элементов: С, H, O, N, S.

Пептиды (греч. πεπτος — питательный) — семейство веществ, молекулы которых построены из двух и более остатков аминокислот, соединённых в цепь пептидными (амидными) связями. Пептиды, последовательность которых длиннее примерно 10-20 аминокислотных остатков, называются полипептидами.

В полипептидной цепи различают N-конец, образованный свободной α-аминогруппой и С-конец, имеющий свободную α-карбоксильную группу. Пептиды пишутся и читаются с N-конца к С-концу— с N-концевой аминокислоты к С-концевой аминокислоте.

Виды антител и их функции в организме

Аминокислотные остатки — это мономеры аминокислот, входящих в состав пептидов. Аминокислотный остаток, имеющий свободную аминогруппу, называется N-концевым и пишется слева, а имеющий свободную α-карбоксильную группу – С-концевым и пишется справа. 

Белками обычно называют полипептиды, содержащие примерно от 50 аминокислотных остатков. В качестве синонима термина «белки» также используется термин «протеины» (от греч. protos – первый, важнейший). Молекула любого белка имеет четко определенную, достаточно сложную, трехмерную структуру. 

Аминокислотные остатки в белках принято обозначать с помощью трёх-буквенного или одно-буквенного кода. Трёх-буквенный код представляет собой аббревиатуру от английских названий аминокислот и часто используется в научной литературе.  Одно-буквенный код по большей части не имеет интуитивно понятной связи с названиями аминокислот и используется в биоинформатике для представления последовательности аминокислот в виде текста, удобного для компьютерного анализа.

Пептидный остов. В полипептидной цепи многократно повторяется последовательность атомов -NH-CH-CО-  .Эта последовательность и формирует пептидный остов. Полипептидная цепь состоит из полипептидного остова (скелета), имеющего регулярную, повторяющуюся структуру, и отдельных боковых групп (R-групп).

Пептидные связи соединяют аминокислоты в пептиды. Пептидные связи образуются при взаимодействии α-карбоксильной группы одной аминокислоты и α-аминогруппы от последующей аминокислоты. Пептидные связи очень прочны и самопроизвольно не разрываются при нормальных условиях, существующих в клетках. 

Многократно повторяющиеся в молекулах пептидов группы атомов —СО—NH—  называются пептидными группами. Пептидная группа обладает жесткой планарной (плоской) структурой. 

Конформация белков — расположение полипептидной цепи в пространстве. Пространственная структура, характерная для молекулы белка, образуется за счет внутримолекулярных взаимодействий. Линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счёт взаимодействия функциональных групп аминокислот приобретают определённую трёхмерную структуру, которая и называется «конформацией белков».

Процесс формирования функционально активной конформации белка носит название фолдинг. Жёсткость пептидной связи уменьшает количество степеней свободы полипептидной цепи, что играет большую роль в процессе фолдинга.

Анализ крови на антитела

Глобулярные и фибриллярные белки. Изученные к настоящему времени белки можно разделить на два больших класса по способности принимать в растворе определенную геометрическую форму: фибриллярные (вытянyтые в нить) и глобулярные (свернутые в клубок). Полипептидные цепи фибриллярных белков вытянуты, расположены параллельно друг другу и образуют длинные нити или слои. В глобулярных белках полипептидные цепи плотно свернyты в глобулы — компактные структуры сферической формы.

Следует отметить условность деления белков на фибриллярные и глобулярные, так как существует большое число белков с промежуточной структурой.

Первичная структура белка (primary structure of protein) — это линейная последовательность аминокислот, составляющих белок, в полипептидной цепи. Аминокислоты соединены между собой пептидными связями. Последовательность аминокислот записывают, начиная от С-конца молекулы, в направлении к N-концу полипептидной цепочки.

П.с.б — это простейший уровень структурной организации белковой молекулы. Первая П.с.б. была установлена Ф. Сенгером для инсулина (Нобелевская премия за 1958 г.).  

Вторичная структура белка (secondary structure of protein)— укладка полипептидной цепи белка в результате взаимодействия между близкорасположенными аминокислотами в составе одной и той же пептидной цепочки — между аминокислотами расположенными через считанные остатки друг от друга. 

Вторичная структура белков – это пространственная структура, которая образуется в результате взаимодействий между функциональными группами, входящими в состав пептидного остова. 

Вторичная структура белков обусловлена способностью групп пептидной связи к водородным взаимодействиям—между функциональными группами -С=О и – NH- пептидного остова. При этом пептид стремится принять конформацию с образованием максимального числа водородных связей. Однако возможность их образования ограничивается характером пептидной связи. Поэтому пептидная цепь приобретает не произвольную, а строго определенную конформацию.

Вторичная структура образуется из сегментов полипептидной цепи, которые участвуют в формировании регулярной сетки водородных связей.

Другими словами, под вторичной структурой полипептида понимают конформацию его основной цепи (остова) без учета конформации боковых групп. 

Полипептидная цепь белка, складываясь под действием водородных связей в компактную форму, может образовывать некоторое количество регулярных структур. Таких структур известно несколько: α (альфа)-спираль , β (бета)-структура (другое название — β-складчатый слой или β-складчатый лист), беспорядочный клубок и поворот.

α -спираль и β-структура являются энергетически наиболее выгодными конформациями, поскольку обе они стабилизированы водородными связями. Кроме того, и α-спираль, и β-структура дополнительно стабилизируются благодаря плотной упаковке атомов основной цепи, которые подогнаны друг к другу, как кусочки одной картинки-головоломки.

Эти фрагменты и их сочетание в некотором белке, если они имеются, также принято называть вторичной структурой этого белка.  

В структуре глобулярных белков могут встречаться фрагменты регулярного строения всех типов в любой комбинации, но может не быть и ни одного. В фибриллярных белках все остатки принадлежат какому-то одному типу: например, шерсть содержит α-спирали, а шелк — β-структуры.

Таким образом, чаще всего вторичная структура белка — это укладка полипептидной цепи белка в α-спиральные участки и β-структурные образования (слои) с участием водородных связей. Если водородные связи образуются между участками изгиба одной цепи, то их называют внутрицепочечными, если между цепями – межцепочечные. Водородные связи располагаются перпендикулярно полипептидной цепи.

α-спираль—образуется внутрицепочечными водородными связями между NH группой одного остатка аминокислоты и CO-группой четвертого от нее остатка. Средняя длина α-спиралей в белках – 10 аминокислотных остатков

В α-спирали водородные связи образуются между атомом кислорода карбонильной группы и водородом амидного азота 4-й от него аминокислоты. В образовании этих водородных связей вовлечены все группы C=O и N-H основной полипептидной цепи. Боковые цепи аминокислотных остатков располагаются по периферии спирали и не участвуют в образовании вторичной структуры.

 β-структуры формируются между линейными областями пептидного остова одной полипептидной цепи, образуя при этом складчатые структуры (несколько зигзагообразных полипептидных цепей). 

β-структура формируется за счет образования множества водородных связей между атомами пептидных групп линейных цепей. В β-структурах водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в α-спирали.

В некоторых белках β-структуры могут формироваться за счет образования водородных связей между атомами пептидного остова разных  полипептидных цепей.

Полипептилные цепи или их части могут формировать параллельные или антипараллельные β-структуры. Если связанные несколько цепей полипептида направлены противоположно, а N- и С-концы не совпадают, то возникает антипараллельная β–структура, если совпадают – параллельная β-структура.

Другое название β-структур — β-листы (β-складчатые слои, β-sheets). β-лист формируется из двух или более β-структурных участков полипептидной цепи, называемых β-тяжами (β-strands). Обычно β-листы встречаются в глобулярных белках и содержат не более, чем 6 β-тяжей.

 β-тяжи (β- strands)— это участки молекулы белка, в которых связи пептидного остова нескольких идущих подряд полипептидов организованы в плоской конформации. На иллюстрациях, β-тяжи белков иногда изображаются в виде плоских “лент со стрелками”, чтобы подчеркнуть направление полипептидной цепи. 

Основная часть β-тяжей расположена по соседству с другими тяжами и образует с ними обширную систему водородных связей между C=O и N-H группами основной белковой цепи (пептидного остова). β-тяжи могут быть упакованы {amp}lt;in a side-by-side manner{amp}gt;, будучи стабилизированными поперечно двумя или тремя водородными связями между последовательными тяжами. Такой способ укладки и называется β-листом.

Гаптены

Анализ крови на антитела

Гаптены – это «неполноценные антигены» (термин предложен иммунологом К. Ландштейнером). При введении в организм в нормальных условиях гаптены не способны индуцировать в организме иммунный ответ, так как обладают крайне низкой иммуногенностью. 

Чаще всего гаптенами являются низкомолекулярные соединения (молекулярная масса меньше 10 кДа). Они распознаются организмом реципиента как генетически чужеродные (т.е. обладают специфичностью), но в силу низкой молекулярной массы сами по себе не вызывают иммунных реакций. Однако свойство антигенности они не утратили, что позволяет им специфически взаимодействовать с уже готовыми факторами иммунитета (антителами, лимфоцитами).

При определенных условиях удается за­ ставить иммунную систему макроорганизма специфически реагировав на гаптен как на полноценный антиген. Для этого необходимо ис­кусственно укрупнить молекулу гаптена — соединить ее прочной связью с достаточно большой белковой молекулой или другим полимером-носителем. Синтезированный таким образом конъюгат будет обладать всеми свойствами полноценного антигена и вызы­вать иммунный ответ при введении в организм.

Антитела (иммуноглобулины)

Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура иммуноглобулинов

Строение молекулы иммуноглобулина (как и других белков) определяется первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурой. Первичная структура -— это последовательность аминокислот, составляющих легкие и тяжелые цепи иммуноглобулинов.  Рентгеноструктурный анализ показал, что легкие и тяжелые цепи иммуноглобулинов состоят из компактных глобулярных доменов (так называемых иммуноглобулиновых доменов). Домены  уложены в характерную третичную структуру, названную иммуноглобулиновой укладкой (immunoglobulin fold). 

Иммуноглобулиновые домены — это области в третичной структуре молекулы Ig, которым свойственна определенная автономия структурной организации. Домены формируются различными отрезками одной и той же полипептидной цепи, свернутыми в «клубки» (глобулы). В глобулу включается примерно 110 аминокислотных остатков.

Домены имеют сходную с друг другом общую структуру и определенные функции. Внутри доменов пептидные фрагменты, входящие в состав домена, образуют компактно уложенную антипараллельную β-складчатую структуру, стабилизированную водородными связями (вторичная структура белка). Участков с α-спиральной конформацией в структуре доменов практически не содержится. 

Вторичная структура каждого из доменов сформирована посредством укладки протяженной полипептидной цепи back and forth upon itself в два антипараллельных β-слоя (β-листа), содержащих несколько β-складок. Каждый β-лист имеет плоскую форму — полипептидные цепи в β-складках почти полностью вытянуты. 

Два β-листа, из которых состоит иммуноглобулиновый домен, уложены в структуру, названную β-сэндвичем (“словно два куска хлеба друг на друга”). Структура каждого иммуноглобулинового домена стабилизирована за счет внутридоменной дисульфидной связи — β-листы ковалентно связаны дисульфидной связью между цистеиновыми остатками каждого β-листа. Каждый β-лист состоит из антипараллельных β-тяжей, соединенных петлями различной длины.  

Домены, в свою очередь, связаны между собой продолжением полипептидной цепи, которая продолжается за пределы β-складчатых листов. Имеющиеся между глобулами открытые участки полипептидной цепи особенно чувствительные к протеолитическим ферментам.  

Легкие и тяжелые цепи IgG 

Глобулярные домены пары из легкой и тяжелой цепи взаимодействуют между собой, образуя четвертичную структуру. Благодаря этому формируются функциональные фрагменты, которые позволяют полекуле антитела специфически связывать антиген и, в то же время, выполнять ряд биологических эффекторных функций.

Иммуноглобулиновые домены — это области в третичной структуре молекулы Ig, которым свойственна определенная автономия структурной организации. Домены формируются различными отрезками одной и той же полипептидной цепи, свернутыми в «клубки» (глобулы). В глобулу включается примерно 110 аминокислотных остатков.

Домены имеют сходную с друг другом общую структуру и определенные функции. Внутри доменов пептидные фрагменты, входящие в состав домена, образуют компактно уложенную антипараллельную β-складчатую структуру, стабилизированную водородными связями (вторичная структура белка). Участков с α-спиральной конформацией в структуре доменов практически не содержится.

Вторичная структура каждого из доменов сформирована посредством укладки протяженной полипептидной цепи back and forth upon itself в два антипараллельных β-слоя (β-листа), содержащих несколько β-складок. Каждый β-лист имеет плоскую форму — полипептидные цепи в β-складках почти полностью вытянуты. 

Два β-листа, из которых состоит иммуноглобулиновый домен, уложены в структуру, названную β-сэндвичем (“словно два куска хлеба друг на друга”). Структура каждого иммуноглобулинового домена стабилизирована за счет внутридоменной дисульфидной связи — β-листы ковалентно связаны дисульфидной связью между цистеиновыми остатками каждого β-листа. Каждый β-лист состоит из антипараллельных β-тяжей, соединенных петлями различной длины.

Домены, в свою очередь, связаны между собой продолжением полипептидной цепи, которая продолжается за пределы β-складчатых листов. Имеющиеся между глобулами открытые участки полипептидной цепи особенно чувствительные к протеолитическим ферментам.  

Глобулярные домены пары из легкой и тяжелой цепи взаимодействуют между собой, образуя четвертичную структуру. Благодаря этому формируются функциональные фрагменты, которые позволяют полекуле антитела специфически связывать антиген и, в то же время, выполнять ряд биологических эффекторных функций.

Анализ крови на антитела

Домены в пептидных цепях отличаются по постоянству аминокислотного состава. Различают вариабельные и постоянные домены (области). Вариабельные домены обозначаются буквой V, от англ. variable – «изменчивый» и называются V-доменами. Постоянные (константные) домены обозначают буквой C, от англ constant – «постоянный» и называют С-доменами.

Иммуноглобулины, продуцируемые разными клонами плазматических клеток, имеют разные по аминокислотной последовательности вариабельные домены. Константные домены сходны или очень близки для каждого изотипа иммуноглобулина. 

Каждый домен обозначают буквой, означающей его принадлежность к легкой или тяжелой цепи, и числом, указывающим его положение. 

Первый домен на легкой и тяжелой цепях всех антител крайне вариабелен по последовательности аминокислот; он обозначается как VL и VH соответственно.

Второй и последующие домены на обеих тяжелых цепях гораздо более постоянны по последовательности аминокислот. Они обозначаются CH или СH1, СH2 и СH3. Иммуноглобулины IgM и IgЕ имеют дополнительный СH4-домен на тяжелой цепи, расположенный за доменом СH3.

Половину легкой цепи, включающую карбоксильный конец, называют константной областью CL, a N-концевую половину легкой цепи – вариабельной областью VL.

Анализ крови на антитела

С доменом СН2 также связаны цепочки углеводов.  Иммуноглобулины разных классов сильно отличаются по количеству и расположению углеводных групп. Углеводные компоненты иммуноглобулинов имеют сходное строение. Они состоят из постоянного ядра и вариабельной наружной части. Углеводные компоненты влияют на биологические свойства антител.

Остальную часть, представленную C-концевыми константными доменами тяжелых цепей, обозначают как Fc-фрагмент (fragment, crystallizable). Fc-фрагмент включает остальные CH -домены, скрепленные дисульфидными связями. В месте соединения Fab- и Fc-фрагментов расположена шарнирная область, позволяющая антиген-связывающим фрагментам разворачиваться для более тесного контакта с антигеном.

Сами Н-цепи обозначены греческой буквой, соответствующей большой латинской букве названия одного из иммуноглобулинов. У IgA тяжелые цепи α (альфа), IgM – μ (мю), IgG – γ (гамма), IgE – ε (эпсилон), IgD – δ (дельта).  

У иммуноглобулинов IgG, IgM и IgA имеется ряд подклассов. Разделение на подклассы (субтипы) также происходит в зависимости от особенностей Н-цепей. У человека существует 4 подкласса IgG: IgG1, IgG2, IgG3 и IgG4, содержащие тяжелые цепи γ1, γ2, γ3 и γ4 соответственно. Эти H-цепи отличаются небольшими деталями Fc-фрагмента. Для μ-цепи известны 2 подтипа— μ1- и μ2-.  IgA имеет 2 подкласса: IgA1 и IgA2 с α1- и α2-подтипами α-цепей.

В каждой молекуле иммуноrлобулина все тяжелые цепи относяrся к одинаковому типу, в соответствии с классом или подклассом.

Все 5 классов иммуноглобулинов состоят из тяжелых и легких цепей.

Легкие цепи (L-цепи) у иммуноглобулинов разных классов одни и те же. У всех иммуноглобулинов легкие цепи могут быть или обе κ (каппа) или обе λ (лямбда). Иммуноглобулины всех классов разделяют на К- и L-типы, в зависимости от присутствия в составе их молекул легких цепей κ- или λ-типов, соответственно.  У человека соотношение K- и L-типов составляет 3:2.

Классы и подклассы, вместе взятые, называют изотипами иммуноглобулинов. Изотип антител (класс, подкласс иммуноглобулинов – IgM1, IgM2, IgG1, IgG2, IgG3, IgG4, IgA1, IgA2, IgD, IgE) определяется C-доменами тяжелых цепей.

Каждый класс включает огромное множество индивидуальных иммуноглобулинов, различающихся по первичной структуре вариабельных областей; общее число иммуноглобулинов всех классов равно ≈ 10^7.

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.  

На рисунке схематически изображена укладка одиночной полипептидной цепи белка Бенс-Джонса, содержащей VL и CL домены. Схема построена по данным рентгеноструктурного анализа — метода, который позволяет устанавливать трехмерную структуру белков. На схеме можно видеть сходства и различия между V- и C-доменами.

В верхней части рисунка схематически показана пространственная укладка постоянного (C) и вариабельного (V) доменов легкой цепи молекулы белка. Каждый домен – это цилиндрическая “бочкообразная” (barrel-shaped) структура, в которой участки полипептидной цепи (β-тяжи), идущие в противоположных направлениях (т.е. антипареллельные) упакованы так, что формируют два β-листа, удерживаемых вместе дисульфидной связью.

Анализ крови на антитела

Каждый из доменов, V- и C-, состоит из двух β-листов (слоев с β-складчатой структурой). Каждый β-лист содержит несколько антипараллельных (идущих в противоположных направлениях) β-тяжей: в С-домене β-листы содержат четыре и три β-тяжа, в V-домене — оба слоя состоят из четырех β-тяжей. На рисунке β-тяжи показаны желтым и зеленым для C-домена и красным и синим для V-домена.

В нижней части рисунка иммуноглобулиновые домены рассмотрены подробнее. В этой половине картинки отображена схема взаимного расположения β-тяжей для V- и C-доменов легкой цепи. Можно яснее рассмотреть создающий итоговую структуру способ укладки их полипептидных цепей при формировании из них β-листов.

 β-листы (слои) в доменах связаны дисульфидным мостиком (связью) примерно в середине каждого домена. Эти связи отображены на рисунке: между слоями изображена дисульфидная связь, соединяющая складки В и F и стабилизирующая структуру домена.

Гипервариабельные области в составе V-доменов

На границе Fab- и Fc-фрагментов располагается т.наз. «шарнирная область», имеющая гибкую структуру. Она обеспечивает подвижность между двумя Fab-фрагментами Y-образной молекулы антитела. Подвижность фрагментов молекулы антитела друг относительно друга — это  важная структурная характеристика иммуноглобулинов.

Шарнирная область — это участок тяжелой цепи. Шарнирная область содержит дисульфидные связи, соединяющие тяжелые цепи между собой.  У каждого класса иммуноглобулинов шарнирная область имеет свое строение. 

У иммуноглобулинов (возможно, за исключением IgM и IgE) шарнирная область состоит из короткого сегмента аминокислот и обнаруживается между участками СH1 и СH2 тяжелых цепей. 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.

Поскольку гипервариабельные участки играют ключевую роль в распознавании и связывании антигена, их еще называют участками, определяющими комплементарность — CDR (Сomplementarity determining regions). В вариабельных доменах тяжелой и легкой цепей выделяют по три CDR (VL CDR1–3, VH CDR1–3). 

Между гипервариабельными областями расположены относительно постоянные участки аминокислотной последовательности, которые называются каркасными участками (framework region, FR). На их долю приходится около 80% аминокислотной последовательности V-доменов. Роль таких участков заключается в поддержании относительно однотипной трехмерной структуры V-доменов, которая необходима для обеспечения аффинного взаимодействия гипервариабельных участков с антигеном.

В последовательности вариабельного домена области 3 гипервариантные области чередуются с 4 относительно инвариантными «каркасными» участками FR1–FR4, 

H1–3 – CDR-петли, входящие в состав цепей.

Оцените статью
UfaProNet.ru