Иммуноглобулины (международная аббревиатура — Ig) — класс структурно связанных белков, содержащих два вида парных полипептидных цепей: лёгкие (L, от Light — лёгкий), с низкой молекулярной массой, и тяжёлые (H, от Heavy — тяжёлый), с высокой молекулярной массой. Все четыре цепи соединены вместе дисульфидными связями. Принципиальная схема строения молекулы иммуноглобулина (мономер) приведена на рис. 5.2.
Классы иммуноглобулинов
На основании структурных и антигенных признаков H-цепей Ig подразделяют (в порядке относительного содержания в крови) на 5 классов АТ: IgG (80\%), IgA (15\%), IgM (10\%), IgD (менее 0,1\%), IgE (менее 0,01\%). Заглавная латинская буква справа от Ig обозначает
Рис. 5.1. Структура белков надсемейства иммуноглобулинов. А. Молекула MHC I класса состоит из α-цепи, внемембранная её часть связана с короткой цепью β2- микроглобулина. Б. Молекула MHC II класса состоит из двух субъединиц: более длинной α-цепи и β-цепи. Часть каждой цепи выступает над поверхностью клеточной мембраны, цепь содержит трансмембранный участок и небольшой фрагмент в цитоплазме. В. Аг-связывающая область молекулы TCR состоит из двух цепей: α и β. Каждая цепь представлена двумя внеклеточными Ig-подобными доменами, стабилизированными при помощи S-S связей, вариабельным внеклеточным NH-концом и цитоплазматическим стабильным COOH-концом. SH-группа, присутствующая в цитоплазматическом фрагменте α-цепи, может взаимодействовать с мембранными или цитоплазматическими белками. Г. Мономер молекулы IgM встраивается в плазматическую мембрану B-лимфоцитов, это рецептор для Аг. Молекулярная структура TCR весьма сходна со структурой молекул MHC и Ig. Разнообразие структуры TCR и Ig обеспечивается возможностью сайт-специфической рекомбинации множества различных генных сегментов, кодирующих отдельные фрагменты молекулы.
Рис. 5.2. Молекула иммуноглобулина. L — лёгкие цепи; H — тяжёлые цепи; V — вариабельная область; С — константная область; N-концевые области L- и H-цепей (V-область) образуют два Аг-связывающих центра: (Fab)2-фрагмент. Fc-фрагмент молекулы взаимодействует со своим рецептором в мембране различных типов клеток (макрофаг, нейтрофил, тучная клетка).
класс иммуноглобулина — М, G, А, Е или D. Молекулы IgG, IgD и IgE представлены мономерами, IgM — пентамерами; молекулы IgA в сыворотке крови — мономеры, а в экскретируемых жидкостях (слёз- ная, слюна, секреты слизистых оболочек) — димеры (рис. 5.3).
• Подклассы. У иммуноглобулинов классов G (IgG) и A (IgA) имеется несколько подклассов: G1, G2, G3, G4 и A1, A2.
• Изотипы. Классы и подклассы иммуноглобулинов иначе называют изотипами, они одинаковы у всех особей данного вида.
Рис. 5.3. Мономеры и полимеры иммуноглобулинов. J-цепь (от англ. Joint — связь) связывает остатки цистеина на C-концах тяжёлых цепей IgM и IgA.
• Аллотипы. Индивидуальные аллельные варианты иммуноглобулинов в пределах одного изотипа называются аллотипами.
• Идиотипы. По антигенной специфичности АТ относят к различным идиотипам.
Структура иммуноглобулинов
• Фрагменты молекулы Ig (рис. 5.2). Путём протеолитического расщепления молекулы Ig с последующей ионообменной хроматографией можно получить 3 фрагмента: Fc-фрагмент и 2 Fab- фрагмента.
♦ Fab-фрагменты (Fragment, antigen binding — Аг-связывающие фрагменты) — два одинаковых фрагмента, сохраняющие способность связывать Аг.
♦ Fc-фрагмент (Fragment, constant or crystallizable — константный фрагмент) — непарный, легко кристаллизуется. Fc-фрагменты иммуноглобулинов в пределах одного изотипа строго идентичны (независимо от специфичности АТ по Аг). Они обеспечивают взаимодействие комплексов Аг-АТ с системой комплемента, фагоцитами, эозинофилами, базофилами, тучными клетками. При этом каждый класс иммуноглобулинов взаимодействует только с определёнными «исполнителями» элиминации Аг.
• Тяжёлые цепи определяют различия между классами Ig, 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 два типа лёгких цепей Ig — κ (каппа) и λ (лямбда). Функциональные различия между Ig 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 остатков АК.
♦ V-домены обеих цепей имеют сильно варьирующий АК-состав (отсюда и их обозначение — Variable), что позволяет им связывать разные Аг.
— Гипервариабельные участки. Внутри V-доменов выделяют несколько (3-4) гипервариабельных участков: HV1, HV2, HV3, HV4 (HV — от Hypervariable). Другое обозначение — CDR (Complementarity Determining Regions), т.е. области молекулы Ig, определяющие её комплементарность Аг.
— Каркасные области. Промежутки между гипервариабельными участками HV или CDR обозначают как FR (Framework Regions), т.е. каркасные области. Их также 4: FR1, FR2, FR3 и FR4. Помимо чисто «скелетной», им случается выполнять и другие функции, отличные от связывания с Аг: FR-участки V-области молекул Ig могут обладать ферментативной (протеазной и нуклеазной) активностью, связывать ионы металлов и суперантигены.
• C-домены. Остальные домены имеют строго инвариантный для каждого изотипа иммуноглобулинов АК-состав и называются C-доменами (от Constant).
— В C-доменах и в FR-участках V-доменов содержатся одинаковые АК-последовательности, что рассматривают как молекулярное свидетельство генетической общности. — Гомологичные последовательности АК присутствуют (помимо Ig) и в молекулах других белков, которые объединяют с Ig в одно молекулярное надсемейство — надсемейство иммуноглобулинов (см. выше и рис. 5.1). Большое количество возможных комбинаций L- и H-цепей со- здаёт многообразие АТ каждого индивидуума.
• Формы иммуноглобулинов. Молекулы Ig одной и той же специфичности по Аг присутствуют в организме в 3 формах: растворимой, трансмембранной и связанной.
• Растворимая. В крови и других биологических жидкостях (секретируемый клеткой Ig).
• Трансмембранная. На мембране В-лимфоцита в составе Рц В- лимфоцитов для Аг — BCR (B-Cell Receptor). Трансмембранные формы всех классов Ig (включая IgM и IgA) — мономеры.
• Связанная, т.е. в связи с клетками (макрофагами, нейтрофилами, эозинофилами), но не в трансмембранном варианте, а связанные FCR клетки за Fc-конец. Все АТ, кроме IgE, могут фиксироваться FcR клеток только в комплексе с Аг.
Связывание антигена
Гипервариабельные участки V-области АТ (как и TCR) непосредственно и комплементарно связывают Аг с помощью ионных, ван-дер-ваальсовых, водородных и гидрофобных взаимодействий (сил, связей).
• Эпитоп (антигенная детерминанта — см. выше) — участок молекулы Аг, который непосредственно вступает в ионные, водородные, ван-дер-ваальсовы и гидрофобные связи с активным центром Fab-фрагмента.
• Сродство между Аг и АТ количественно характеризуют понятиями «аффинность» и «авидность».
• Аффинность. Силу химической связи одного антигенного эпитопа с одним из активных центров молекулы Ig называют аффинностью связи АТ с Аг. Аффинность количественно принято оценивать по константе диссоциации (в моль-1) одного антигенного эпитопа
с одним активным центром.
Так как у цельных молекул мономерных Ig имеется по два потенциально равнодееспособных симметрично расположенных активных центра для связывания Аг, у димерного IgA — 4, а у пентамерного IgM — 10, скорость диссоциации цельной молекулы Ig со всеми связанными эпитопами меньше, чем скорость диссоциации одного из активных центров.
• Авидность. Силу связи цельной молекулы АТ со всеми антигенными эпитопами, которые ей удалось связать, называют авидностью связи АТ с Аг.