Семейство иммуноглобулинов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Семейство иммуноглобулинов

иммуноглобулин белок антитело

В работе иммунной системы огромную роль играют белки суперсемейства иммуноглобулинов, которое включает в себя три семейства белков:

* антитела (иммуноглобулины);

* рецепторы Т-лимфоцитов;

* белки главного комплекса гистосовместимости - МНС 1-го и 2-го классов (Major Histocompatibility Complex).

Все эти белки имеют доменное строение, состоят из гомологичных иммуноподобных доменов и выполняют сходные функции: взаимодействуют с чужеродными структурами, либо растворенными в крови, лимфе или межклеточной жидкости (антитела), либо находящимися на поверхности клеток (собственных или чужеродных).

Антитела - специфические белки, вырабатываемые В-лимфоцитами в ответ на попадание в организм чужеродной структуры, называемой антигеном.

Особенности строения антител

Простейшие молекулы антител состоят из четырех полипептидных цепей: двух идентичных легких - L, содержащих около 220 аминокислот, и двух идентичных тяжелых - Н, состоящих из 440-700 аминокислот. Все четыре цепи в молекуле антитела соединены множеством нековалентных связей и четырьмя дисульфидными связями (рис. 1).

Легкие цепи антитела состоят из двух доменов: вариабельного (VL), находящегося в N-концевой области полипептидной цепи, и константного (CL), расположенного на С-конце. Тяжелые цепи обычно имеют четыре домена: один вариабельный (VH), находящийся на N-конце, и три константных (CH1, CH2, СНЗ) (см. рис. 1). Каждый домен иммуноглобулина имеет в-складчатую суперструктуру, в которой два остатка цистеина соединены дисульфидной связью.

Между двумя константными доменами СН1 и СН2 имеется участок, содержащий большое число остатков пролина, которые препятствуют формированию вторичной структуры и взаимодействию соседних Н-цепей на этом отрезке. Эта шарнирная область придает молекуле антитела гибкость. Между вариабельными доменами тяжелых и легких цепей находятся два идентичных антигенсвязывающих участка (активные центры для связывания антигенов), поэтому такие антитела часто называют бивалентами. В связывании антигена с антителом участвует не вся аминокислотная последовательность вариабельных участков обеих цепей, а всего лишь 20-30 аминокислот, расположенных в гипервариабельных областях каждой цепи. Именно эти области определяют уникальную способность каждого вида антитела взаимодействовать с соответствующим комплементарным антигеном.

Антитела - одна из линий защиты организма против внедрившихся чужеродных организмов. Их функционирование можно разделить на два этапа: первый этап - узнавание и связывание антигена на поверхности чужеродных организмов, что возможно благодаря наличию в структуре антитела антигенсвязывающих участков; второй этап - инициация процесса инактивации и разрушения антигена. Специфичность второго этапа зависит от класса антител. Существует пять классов тяжелых цепей, отличающихся друг от друга по строению константных доменов: б, д, е, г и м, в соответствии с которыми различают пять классов иммуноглобулинов: A, D, Е, G и М.

Особенности строения тяжелых цепей придают шарнирным участкам и С-концевым областям тяжелых цепей характерную для каждого класса конформацию. После связывания антигена с антителом конформационные изменения константных доменов определяют путь удаления антигена.

Рис. 1 Доменное строение IgG

Иммуноглобулины М

Иммуноглобулины М имеют две формы.

Мономерная форма - 1-й класс антител, продуцируемый развивающимся В-лимфоцитом. Впоследствии многие В-клетки переключаются на выработку других классов антител, но с тем же антигенсвязывающим участком. IgM встраивается в мембрану и выполняет роль антигенраспознающего рецептора. Встраивание IgM в мембрану клеток возможно благодаря наличию в хвостовой части участка 25 гидрофобных аминокислотных остатков.

Секреторная форма IgM содержит пять мономерных субъединиц, связанных друг с другом дисульфидными связями и дополнительной полипептидной J-цепью (рис. 2). Тяжелые цепи мономеров этой формы не содержат гидрофобной хвостовой части. Пентамер имеет 10 центров связывания с антигеном и поэтому эффективен в распознавании и удалении впервые попавшего в организм антигена. Секреторная форма IgM - основной класс антител, секретируемых в кровь при первичном иммунном ответе. Связывание IgM с антигеном изменяет конформацию IgM и индуцирует связывание его с первым белковым компонентом системы комплемента (система комплемента - набор белков, участвующих в уничтожении антигена) и активацию этой системы. Если антиген расположен на поверхности микроорганизма, система комплемента вызывает нарушение целостности клеточной мембраны и гибель бактериальной клетки.

Иммуноглобулины G

В количественном отношении этот класс иммуноглобулинов преобладает в крови (75% от всех Ig). IgG - мономеры, основной класс антител, секретируемый в кровь при вторичном иммунном ответе. После взаимодействия IgG с поверхностными антигенами микроорганизмов комплекс антиген-антитело способен связывать и активировать белки системы комплемента или может взаимодействовать со специфическими рецепторами макрофагов и нейтрофилов. Взаимодействие с фагоцитами приводит к поглощению комплексов антиген-антитело и разрушению их в фагосомах клеток. IgG - единственный класс антител, которые способны проникать через плацентарный барьер и обеспечивать внутриутробную защиту плода от инфекций.

Рис. 2 Строение секреторной формы IgM

Иммуноглобулины А

Основной класс антител, присутствующий в секретах (молоке, слюне, секретах дыхательных путей и кишечного тракта). IgA секретируются в основном в димерной форме, где мономеры связаны друг с другом через дополнительную J-цепь (рис. 2). IgA не взаимодействуют с системой комплемента и фагоцитирующими клетками, но, связываясь с микроорганизмами, антитела препятствуют их присоединению к эпителиальным клеткам и проникновению в организм.

Иммуноглобулины Е

Иммуноглобулины Е представлены мономерами, в которых тяжелые е-цепи содержат, так же как и м-цепи иммуноглобулинов М, один вариабельный и четыре константных домена. IgE после секреции связываются своими С-концевыми участками с соответствующими рецепторами на поверхности тучных клеток и базофилов. В результате они становятся рецепторами для антигенов на поверхности данных клеток (рис).

Рис. 3 Строение IgA

После того как происходит присоединение антигена к соответствующим антигенсвязывающим участкам IgE, клетки получают сигнал к секреции биологически активных веществ (гистамина, серотонина), которые в большой мере ответственны за развитие воспалительной реакции и за проявление таких аллергических реакций, как астма, крапивница, сенная лихорадка.

Иммуноглобулины D

Иммуноглобулины D обнаружены в сыворотке в очень небольшом количестве, они являются мономерами. В тяжелых д-цепях имеются один вариабельный и три константных домена. IgD выполняют роль рецепторов В-лимфоцитов, другие функции пока неизвестны. Взаимодействие специфических антигенов с рецепторами на поверхности В-лимфоцитов (IgD) приводит к передаче этих сигналов в клетку и включению механизмов, обеспечивающих размножение данного клона лимфоцитов.

У млекопитающих известно пять классов иммуноглобулинов: IgM, IgG, IgA, IgE и IgD, которые имеют общий план строения, но отличаются структурными особенностями тяжелых (Н) цепей.

Первый шаг к пониманию строения иммуноглобулинов был сделан английским исследователем Р. Портером в 1959 г. Он продемонстрировал, что обработка кроличьих антител IgG-класса ферментом папаином расщепляет молекулу на два основных фрагмента с молекулярной массой 45 и 50 кДа. Один из этих фрагментов сохранял способность связывать антиген и в силу этого получил название Fab-фрагмента (от англ. -- antigen binding). Второй фрагмент не взаимодействовал с антигеном. Его удалось легко кристаллизовать, что и послужило основанием для его обозначения как Fc-фрагмент (от англ. -- crystallizable). В молярных величинах Fab-фрагментов содержалось в два раза больше, чем Fc-фрагментов. Естественно было предположить, что молекула IgG имеет два участка, которые взаимодействуют с антигеном, и один участок -- антигенноинертный. Выяснено, что папаин разрушает иммуноглобулин в шарнирной области, выше межцепьевых, дисульфидных связей, что и приводит к образованию двух идентичных и одного отличающегося участков.

Опыты Ниссонова подтвердили это предположение. При работе с пепсином выделен один двухвалентный антигенсвязующий фрагмент.

Часть молекулы IgG, соответствующая Fc-фрагменту, полностью разрушается. Получение двухвалентного фрагмента иммуноглобулина обеспечено действием пепсина на дистальный конец шарнирной области. В результате N-концевая половина молекулы остается нетронутой. Такой двухвалентный фрагмент обозначают как F(ab)2. И наконец, исследования Дж. Эдельмана, выполненные с использованием меркаптоэтанола и некоторых других соединений, которые разрушают межцепьевые связи --S-S--, показали наличие в молекуле иммуноглобулина двух тяжелых (Н) цепей с молекулярной массой каждой из них около 50 кДа и двух легких (L) с молекулярной массой 25 кДа.

Для получения информации о строении и молекулярных основах специфичности антител необходимо было иметь значительное количество полностью идентичных иммуноглобулинов.

Исследования с сывороточными антителами от нормальных доноров не давали такой возможности, поскольку подобные антитела, являясь производными нескольких клеточных клонов, могли варьировать по тонкой специфичности антигенсвязующего центра и относиться к различным классам иммуноглобулинов.

Необходима была экспериментальная модель, позволяющая работать с иммуноглобулинами, продуцируемыми одним клоном клеток и в силу этого представляющими собой полностью идентичные молекулы. Такой моделью являются злокачественно трансформированные плазматические клетки больных миеломой. Больные данной формой рака имеют около 95 % иммуноглобулинов сыворотки крови, относящихся к одному клону -- потомству одной исходной клетки. К клональным белкам относятся и белки Бенс-Джонса, названные по имени первооткрывателя. Эти белки представляют собой димеры легких цепей иммуноглобулинов L (L-цепи). Они обнаруживаются в большом количестве в моче больных миеломой и также являются удобным объектом для секвенирования. У мышей можно индуцировать миелому минеральными маслами. Существует большой набор клонированных плазмоцитов, продуцирующих соответствующие миеломные белки -- иммуноглобулины. Эти линии клеток получили название MOPC's (от англ. -- mineral oil induction plasmacytome cells).

Изучение полной аминокислотной последовательности различных миеломных белков выявило принципиальные особенности в строении иммуноглобулинов. Иммуноглобулины разных классов характеризуются общим планом строения.

Иммуноглобулин содержит две тяжелые (Н) цепи и две легкие (L) цепи, которые объединены в четырехцепочечную молекулу посредством ковалентных, межцепьевых, дисульфидных связей (--S-S--). Каждая цепь включает вариабельную область (VL и VH для L- и Н-цепей соответственно), от которой зависит специфичность иммуноглобулинов как антител, и константную (С), подразделяющуюся на гомологичные участки: Сн1, Сн2, Сн3. L-цепь имеет один константный участок (Cl).

Между СН1 и Сн2 расположена так называемая шарнирная область, обогащенная пролиновыми остатками. Повышенное содержание пролина в данной области обеспечивает конформационную гибкость молекулы, что необходимо для более успешного взаимодействия с антигенными детерминантами, представленными на поверхности чужеродных клеток, включая бактериальные частицы.

Впервые в 1969 г., еще до получения рентгеноструктурных данных, Дж. Эдельман предположил, что каждый гомологичный участок организован в замкнутую сферу -- домен -- за счет внутрицепьевых дисульфидных связей, образующихся полуцистеиновыми остатками.

Дисульфидная связь замыкает в петлю около 60 аминокислот. Приблизительно по 20 аминокислот, не входящих в замкнутую часть участка, служат для взаимодействия с соседними доменами. Рентгеноструктурный анализ подтвердил общий принцип доменной организации полипептидных цепей иммуноглобулинов и вскрыл ряд тонких деталей строения. На рис. 2.6 представлено схематическое изображение пространственной организации V- и С-доменов легкой цепи.

Домен состоит из двух слоев с р-складчатой структурой, один из которых построен из четырех антипараллельных сегментов, а второй -- из трех сегментов. Слои ковалентно связаны дисульфидным мостиком примерно в середине домена. Общая пространственная организация IgG человека представлена на рис. 2.7. Видно, что тяжелые и легкие цепи, взаимодействуя друг с другом, образуют плотно упакованную структуру с тремя частями: два Fab-фрагмента и один Fc-фрагмент.

Размещено на Allbest.ru