Иммуноглобулины [международная аббревиатура — Ig (Immunoglobulin)] — класс структурно связанных белков, содержащих 2 вида парных полипептидных цепей: лёгкие (L, от англ. Light — лёгкий), с низкой молекулярной массой, и тяжёлые (H, от англ. Heavy — тяжёлый), с высокой молекулярной массой. Все 4 цепи соединены вместе дисульфидными
Рис. 5-2. Молекула иммуноглобулина. Обозначения: L — лёгкие цепи; H — тяжёлые цепи; V — вариабельная область; С — константная область. N-концевые области L- и Н-цепей (V-область) образуют 2 антигенсвязывающих центра — (Fab)2-фрагмент. Fc-фрагмент молекулы взаимодействует со своим рецептором на мембране различных типов клеток (макрофаги, нейтрофилы, тучные клетки)
связями. Принципиальная схема строения молекулы иммуноглобулина (мономер) приведена на рис. 5-2.
Классы иммуноглобулинов
На основании структурных и антигенных признаков Н-цепей иммуноглобулины подразделяют (в порядке относительного содержания в сыворотке крови) на 5 классов: IgG (80\%), IgA (15\%), IgM (10\%), IgD (менее 0,1\%), IgE (менее 0,01\%). Заглавная латинская буква справа от «Ig» обозначает класс иммуноглобулина — М, G, А, Е или D. Молекулы IgG, IgD и IgE — мономеры, IgM — пентамер; молекулы IgA в сыворотке крови — мономеры, а в экскретируемых жидкостях (слёзная, слюна, секреты слизистых оболочек) — димеры (рис. 5-3).
Рис. 5-3. Мономеры и полимеры иммуноглобулинов. J-цепь (от англ. joining — связывающая) связывает остатки цистеина на C-концах тяжёлых цепей IgM и IgA
• Подклассы. У человека иммуноглобулины классов G (IgG) и A (IgA)
имеют несколько подклассов: IgG1, IgG2, IgG3, IgG4 и IgA1, IgA2.
• Изотипы. Классы и подклассы иммуноглобулинов иначе называют изотипами (приставка «изо» означает то, что у всех представителей данного вида они одинаковы).
• Аллотипы. Индивидуальные аллельные варианты иммуноглобулинов в пределах одного изотипа называются аллотипами.
• Идиотипы. Идиотипические детерминанты находятся в активных центрах (антигенсвязывающих участках) антител, т.е. соединены с V-доменами, и служат маркёрами индивидуальньгх антител.
Данные о классах и подклассах иммуноглобулинов суммированы в табл. 5-1.
Структура иммуноглобулинов
• Фрагменты молекулы иммуноглобулина (см. рис. 5-2). Путём протеолитического расщепления папаином молекулы иммуноглобулина с последующей ионообменной хроматографией можно получить 3 фрагмента: 1 Fс-фрагмент и 2 Fab-фрагмента.
— Fab-фрагменты (Fragment, antigen binding — антигенсвязывающие фрагменты) — 2 одинаковых фрагмента, сохраняющих способность связывать антиген.
— Fc-фрагмент (Fragment crystallizable — кристаллизующийся фрагмент) — непарный, легко кристаллизуется. Fс-фрагменты иммуноглобулинов в пределах одного изотипа строго идентичны (независимо от специфичности антител). Они обеспечивают взаимодействие самих антител и комплексов антиген-антитело с системой комплемента, фагоцитами, эозинофилами, базофилами, тучными клетками. При этом каждый класс иммуноглобулинов взаимодействует только с определёнными эффекторными клетками или молекулами.
• Тяжёлые цепи определяют различия между классами иммуноглобулинов, поэтому разные типы тяжёлых цепей обозначают греческими буквами соответственно латинской аббревиатуре класса: для IgM — μ, для IgG — γ, для IgA — α, для IgE — ε, для IgD — δ. Каждая из H-цепей молекул IgG, IgD и IgA состоит из 4 доменов (см. рис. 5-2): вариабельного — VH и константных (CH1, CH2, CH3). H-цепи молекул IgM и IgE содержат дополнительный домен — СН4.
• Лёгкие цепи примыкают к N-концу тяжёлых цепей. Каждая L-цепь состоит из двух доменов — VL и CL. Известно 2 типа лёгких цепей иммуноглобулинов — κ и λ. Функциональные различия между иммуноглобулинами с лёгкими κ- или λ-цепями не выявлены.
• Домены. Вторичная структура полипептидных цепей представлена доменами (см. рис. 5-1), каждый из которых включает около 110 аминокислотных остатков.
— V-домены обеих цепей имеют сильно варьирующий аминокислотный состав (отсюда и их обозначение — Variable), что позволяет им связывать разные антигены.
◊ Гипервариабельные участки. Внутри V-доменов выделяют несколько гипервариабельных участков: CDR1, CDR2, CDR3 (CDR — от Complementarity Determining Region), т.е. области молекулы иммуноглобулина, определяющие её комплементарность антигену.
◊ Каркасные области. Промежутки между гипервариабельными участками обозначают как FWR (FrameWork Regions), т.е. каркасные области: FWR1, FWR2, FWR3 и FWR4. Помимо чисто «скелетной» для них характерны и другие функции, не связанные с распознаванием антигенов: FWR-участки V-области молекул иммуноглобулинов могут обладать ферментативной (протеазной и нуклеазной) активностью, связывать ионы металлов и суперантигены.
— C-домены. Остальные домены имеют строго инвариантный для каждого изотипа иммуноглобулинов аминокислотный состав и называются C-доменами (от Constant).
◊ В C-доменах и в FWR-участках V-доменов содержатся одинаковые аминокислотные последовательности, что рассматривают как молекулярное свидетельство их генетической общности.
◊ Гомологичные последовательности аминокислот присутствуют (помимо иммуноглобулинов) и в молекулах других белков, объединяемых с иммуноглобулинами в одно молекулярное суперсемейство иммуноглобулинов (см. выше и рис. 5-1).
Большое число возможных комбинаций L- и H-цепей создаёт многообразие антител каждого индивидуума.
• Формы иммуноглобулинов. Молекулы иммуноглобулинов одной и
той же специфичности присутствуют в организме в трёх формах:
растворимой, трансмембранной и связанной.
— Растворимая. В крови и других биологических жидкостях — секретируемый клеткой иммуноглобулин.
— Трансмембранная. На мембране B-лимфоцита в составе антигенраспознающего рецептора — BCR (B-Cell Receptor). Трансмембранные формы всех классов иммуноглобулинов (включая IgM и IgA) — мономеры.
— Связанная. Иммуноглобулины, за Fc-конец связанные с рецепторами клеток (макрофагами, нейтрофилами, эозинофилами и тучными). Все антитела, кроме IgE, могут фиксироваться рецепторами FcR клеток только в комплексе с антигеном.
Связывание антигена
Гипервариабельные участки V-области антитела (как и TCR) непосредственно и комплементарно связывают антиген с помощью ионных,
ван-дер-ваальсовых, водородных и гидрофобных взаимодействий (сил, связей).
• Эпитоп (антигенная детерминанта — см. выше) — участок молекулы антигена, непосредственно участвующий в образовании ионных, водородных, ван-дер-ваальсовых и гидрофобных связей с активным центром Fab-фрагмента.
• Сродство между антигеном и антителом количественно характеризуют понятиями «аффинность» и «авидность».
• Аффинность. Силу химической связи одного антигенного эпитопа с одним из активных центров молекулы иммуноглобулина называют аффинностью связи антитела с антигеном. Аффинность количественно принято оценивать по константе диссоциации (в моль-1) одного антигенного эпитопа с одним активным центром.
Так как у цельных молекул мономерных иммуноглобулинов присутствует по 2 потенциально равнозначных симметрично расположенных активных центра для связывания антигена, у димерного IgA — 4, а у пентамерного IgM — 10 (10 для гаптенов, а для большинства антигенов всего лишь 5), скорость диссоциации целой молекулы иммуноглобулина со всеми связанными эпитопами меньше, чем скорость диссоциации одного из активных центров.
• Авидность. Силу связи целой молекулы антитела со всеми антигенными эпитопами, которые ей удалось связать, называют авидностью связи антитела с антигеном.