Структура и специфичность гаптенов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Антиген - макромолекулярные компоненты всех живых организмов, несущее признаки генетически чужеродной информации, которые при введении в организм животных и человека вызывают образование специфических реагирующих с ними антител.

В иммунологии термин "антиген" несет двойную смысловую нагрузку: как индуктор иммунного ответа и как биологический маркер.

В определении антигена как индуктора иммунного ответа скрыты две его основные характеристики: антигенная специфичность (антигенность), определяемая его структурными особенностями, и иммуногенность - способность инициировать иммунную систему к формированию эффекторов, нейтрализующих антигенную чужеродность.

Некоторые вещества (простые химические группировки) - гаптены - не в состоянии обеспечить развитие иммунного ответа, демонстрируя тем самым отсутствие свойства иммуногенности. Однако они обладают вполне конкретной специфичностью - способностью вступать в реакции взаимодействия с предсуществующими к ним антителами.

В то же время высокомолекулярные соединения (белки, полисахариды) обладают как антигенной специфичностью, так и иммуногенностью.

В качестве биологических маркеров антигены широко используются в сравнительных исследованиях при решении вопросов филогении, систематики, популяционной генетики, морфо- и тканегенеза, клеточной дифференцировки.

Глава 1. Гаптены

Гаптены - низкомолекулярные вещества, не обладающие иммуногенностью и приобретающие их при увеличении молекулярного веса (например за счет прикрепления к специальному белку-носителю - «шлепперу»). В иммунологию понятие «гаптены» ввел Ландштайнер в 1923 г. Они отличаются очень высоким уровнем специфичности (очень часто в определении специфичности участвует всего один радикал).

Соединения с молекулярной массой менее 10000, например лекарственные средства, сами по себе не иммуногенны. Такие соединения принято называть гаптенами. Они приобретают иммуногенность лишь после соединения с высокомолекулярным белком-носителем. Гаптены не могут стимулировать выработку антител, но могут связываться с ними. Это простые химические соединения, в основном ароматического ряда, не в состоянии запускать иммунный процесс, демонстрируя тем самым отсутствие иммуногенных свойств. В то же время они обладают вполне конкретной специфичностью, то есть способностью вступать в реакции взаимодействия с предсуществующими к ним антителами.

Обычно гаптены - небольшая функциональная группа, представляющая собой одну детерминанту. Это могут быть органические соединения, фениларсонат, моно- и олигосахариды, а также олигопептиды. Наиболее часто используемый гаптен - динитрофенил (ДНФ).

Они могут связываться с уже имеющимся антителом или поверхностным рецептором на специфической B-клетке, но не способны вызвать образование антител, поскольку гаптены не иммуногенны. Однако приобретают иммуногенность при соединении с подходящим белком-носителем. В настоящее время установлено, что функция носителя заключается в стимуляции T-хелперов, помогающих B-клеткам реагировать на гаптен.

Существует ряд методов получения антител in vitro к небольшим гаптенам.

1.1 Структура и специфичность гаптенов

Гаптены - это вещества, которые сами не вызывают иммунного ответа, но, будучи конъюгированы с носителями, обладают способностью стимулировать синтез против них антитела. Обычно принято считать, что гаптены - это низкомолекулярные соединения, однако это не совсем верно. Например, нуклеиновые кислоты, полипептиды D-аминокислот имеют высокую молекулярную массу, но антитела против них возникают только после конъюгирования их с белками. В этом случае гаптены в конъюгатах с белком выступают в роли иммунодоминантной группы и поэтому в дальнейшем могут взаимодействовать с антителами независимо от белка носителя.

Структура и антигенная специфичность гаптенов определяется целым рядом факторов. В качестве гаптенов могут выступать самые разнообразные органические вещества с Мг>100. С практической точки зрения важными являются стероидные и пептидные гормоны, широкий круг лекарственных соединений, пестициды, различные продукты промышленного органического синтеза, обладающие аллергенным действием.

Антигенная специфичность гаптенов сильно зависит от их химической структуры. Так, введение дополнительных групп может сильно исказить «антигенный портрет» того или иного соединения. Например, тироксин и трийодтиронин отличаются только одним остатком I, чего вполне достаточно, чтобы антитела против этих гормонов сильно различались перекрестной реактивностью. Классическими примерами стали исследования с пара-, орто- и мета-аминобензойной кислотами, которые практически не дают перекрестных реакций при сопоставимых концентрациях.

Важным моментом является стереоспецифичность гаптенов; антитела против олигопептидов из D-аминокислот не реагируют с олигопептидами из L-аминокислот.

На антигенную специфичность сильное влияние оказывают аминокислотный остаток белка носителя, к которому пришит гаптен, а также молекулярные размеры гаптена. Так, в длинных олигопептидных гаптенах замена аминокислотных остатков, которые расположены близко к белку-носителю, оказывает меньшее влияние, чем в коротких. Напротив, замены в удаленных от носителя аминокислотных остатках оказываются драматическими для антигенной структуры независимо от размеров гаптена. Аналогичны закономерности для олигосахаридов.

Антигенная специфичность гаптенов зависит не только от их химической структуры, но и от способа пришивки к белку-носителю, в частности от того, какая функциональная группа гаптена была использована для конъюгирования. Часто, при получении конъюгатов для иммунизации гаптены пришивают не непосредственно к молекуле белка-носителя, а через пространственную «ножку», содержащую обычно 4 - 6 углеродных атомов. В этом случае сама «ножка» в комплексе с гаптеном выступает в качестве составной антигенной детерминанты и образующиеся антитела могут обладать меньшей эффективностью связывания с нативным гаптеном, чем с таким связанным через «ножку» гаптеном.

В некоторых видах иммуноферментного анализа в качестве одного из реагентов используют гаптен, меченный ферментом. Если связывание в таком конъюгате аналогично способу пришивки в конъюгате гаптена с белком-носителем для получения антител, то говорят, что в анализе используют гомологичные антитела. Если же структура «ножки» и способ пришивки гаптена в обоих случаях различны, то говорят о гетерологичных антителах. Применение того или иного вида антител или конъюгатов в иммуноферментном анализе может весьма сильно сказываться на его чувствительности и некоторых других характеристиках.

Весьма существенным фактором для специфичности является химическая структура «ножки», в частности ее длина и ближайшее окружение гаптена. Все эти моменты крайне важно учитывать при разработке методов иммунохимического анализа гаптенов.

Сильное влияние различных факторов на антигенную структуру и специфичность гаптенов, по-видимому, объясняется их ограниченными размерами и особенностями структуры активных центров антител.

Знание антигенной структуры и специфичности гаптенов имеет важное значение для создания методов иммунохимического определения различных физиологически активных соединений, так как многие из них претерпевают различные биохимические превращения, в результате чего образуется группа близкородственных метаболитов.

1.2 Гаптенная детерминанта

Гаптенная детерминанта - участок на поверхности макромолекулы, с которым специфично связываются молекулы малого размера (гаптены). Образовавшийся комплекс способен вызвать синтез специфических антител (иммуноглобулинов). В отсутствие акцептирующей макромолекулы гаптен не способен сам активизировать иммунные реакции.

Они обладают антигенностью, что обусловливает их специфичность, способность избирательно взаимодействовать с антителами или рецепторами лимфоцитов, определяться иммунологическими реакциями. Гаптены могут стать иммуногенными при связывании с иммуногенным носителем (например, белком), то есть становятся полными.

За специфичность антигена отвечает гаптенная часть, за иммуногенность -- носитель (чаще белок).

Чем меньше молекула гаптена, тем большую роль в построении антигенной детерминанты играет белок-носитель. В связи с этим в данной ситуации чаще наблюдаются перекрестные аллергические реакции со сходными гаптенами -- антигенными детерминантами.

Глава 2. Использование гаптен для изучения специфичности антигенных детерминант

При реакции с антигеном не всегда связывающие центры антитела охватывают весь антиген. Часть последнего, непосредственно взаимодействующая с антителом, называется антигенной детерминантой. Одна молекула может содержать одну и более антигенных детерминант. Для изучения специфичности антител необходимо иметь антитела, направленные против индивидуальных антигенных детерминант. Небольшая функциональная группа, представляющая собой одну антигенную детерминанту, называется гаптеном. Гаптенами могут быть различные органические соединения, например ТНФ (тринитрофенильная группа), фениларсонат, моно- и олигосахариды, такие как глюкоза и лактоза, а также олигопептиды, например пентализин. Хотя эти гаптены способны связываться с антителами, тем не менее они обычно не являются иммуногенами, т. е. иммунизация ими не приводит к образованию антител.

В то же время иммунный ответ часто можно вызвать с помощью гаптена, ковалентно присоединенного к большой молекуле, называемой носителем. Этот носитель иммуногенен сам по себе, и иммунизация конъюгатами гаптен-носитель вызывает появление антител как против носителя, так и против гаптена. Полученные таким образом специфичные к гаптену антитела можно изучать методом равновесного диализа в присутствии свободного (не связанного с носителем) гаптена с помощью иммунопреципитации, используя для этого гаптен, пришитый к другому носителю, или же применяя метод торможения преципитации свободным гаптеном.

Описанный способ получения и исследования антигаптеновых антител, впервые примененный Ландштейнером, помог выяснить, какие элементы тонкой структуры антигенной детерминанты определяют ее специфичность.

Сравнительное изучение связывания антител с различными гаптенами показало, что узнавание антителами «своего» гаптена оказывается специфичным, даже несмотря на гетерогенность полученной популяции антител. В отличие от антител, направленных против полидетерминантных антигенов, популяция антител, специфичных к одной детерминанте (гаптену), относительно ограничена. Это обусловлено тем, что связывание гаптена с антигенсвязывающим центром антитела требует определенных структурных ограничений для точного соответствия их друг другу. В то же время специфичность антисыворотки зависит от специфичностей всех входящих в нее антител, что в свою очередь определяется структурами их антигенсвязывающих центров.

При изучении перекрестных реакций с аналогами гаптена оказалось, что некоторые аналоги образуют комплексы со всеми имеющимися в сыворотке антителами, тогда как связывание других аналогов быстро достигает насыщения, поскольку их структура хорошо соответствует структуре антигенсвязывающего центра лишь некоторых антител. Антитела, полученные от разных животных, могут проявлять разную способность к иммунологическому перекресту при взаимодействии с тем же самым набором родственных гаптенов. Даже у одного и того же животного, как известно, в определенных условиях аффинность и специфичность антител с увеличением времени, прошедшего с начала иммунизации, могут возрастать.

Таким образом, наличие или отсутствие иммунологического перекреста любых двух гаптенов отражает как структурные различия между ними, определяющие возможность или невозможность антигена и антитела связаться друг с другом, так и разнообразие антигенсвязывающих центров, имеющихся в данной антисыворотке.

Глава 3. Работы Карла Ландштайнера

Антиген как первопричина развития иммунного процесса интересовал иммунологов с тех давних пор, когда зародилась иммунология. Однако только благодаря исследованиям К.Ландштейнера в 20 - 30-х годах XX в. сложились условия для изучения тонкой природы специфичности антигена. В качестве объекта исследования ученый взял простые органические соединения - гаптены. Как уже отмечалось, сами по себе эти соединения не способны вызвать иммунологической реакции. Наличие чужеродности при низкой молекулярной массе лишает их иммуногенности. При этом комплекс гаптена с белком-носителем иммуногенен. Исследования Ландштейнера выявили по крайней мере два существенных момента: крайне высокий уровень специфичности (подчас в определении специфичности принимает участие всего один радикал - карбоксильная или аминогруппа); специфичность высокомолекулярного антигена представлена отдельными участками (эпитопами) - местами связывания антител или антигенраспознающих рецепторов, при этом чем больше молекулярная масса антигена, тем больше мест связывания.

Схема постановки опытов, разработанная Ландштейнером, включала иммунизацию кроликов гаптен-белковым комплексом и последующий анализ антисывороток от иммунизированных животных с тем же самым или иным гаптеном, но конъюгированным с другим неродственным белком. Подобный прием позволял работать только с антителами к гаптену, взятому для иммунизации, и исключал те антитела, которые образовывались кэпитопам белка. В результате удалось показать решающую роль тонкой конфигурации гаптена в определении специфичности.

Заключение

Изучение гаптенов имеет не только теоретическое значение для понимания явления антигенной специфичности, но и практическое приложение. Многие биологически важные соединения, включая пептидные и стероидные гормоны, циклические АМФ и ГМФ, лекарства и т.д., являются низкомолекулярными, неиммуногенными соединениями. Их конъюгация с иммуногенным белком позволяет получать антигаптеновые антитела. Такие антитела затем используются в тест-системах для определения уровня анализируемых соединений в биологических жидкостях организма. Один из примеров в этом отношении - определение беременности у женщин по выявлению с помощью соответствующих антител хорионического гонадотропина в моче.

гаптены иммуногенность антигенный

Список использованных источников

1. Теория и практика иммуноферментного анализа: учеб. пособие / Егоров А.М. [и др.]; под общ. ред. Егорова А.М. - Москва: Высшая школа, 1991. - 288 с.

2. Микробиология: учеб. пособие / Воробьев А.В. [и др.]; под общ. ред. Ворбьёва А.В. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Медицина, 2003. - 336 с.

3. Ленхофф Г. Иммуноферментный анализ / Г. Ленхофф. - Москва: Мир, 1998. - 446 с.

Размещено на Allbest.ru