Антитела (иммуноглобулины)

Антитела - это особый вид белков, называемых имму­ноглобулинами (Ig), который вырабатывается под влия­нием антигенов и обладает способностью специфически реагировать с ними. При этом антитела могут нейтрализо­вать токсины бактерий и вирусы (антитоксины и вирус-нейтрализующие антитела), склеивать корпускулярные антигены (агглютинины), осаждать растворимые антиге­ны (преципитины), повышать фагоцитарную активность лейкоцитов (опсонины), совместно с комплементом лизировать бактерии и другие клетки, например эритроциты (лизины), связывать антигены, не вызывая каких-либо видимых невооруженным глазом реакций (блокирующие антитела).

Структура мономерного иммуноглобулина. Электронно-микроскопические исследования показали, что молекула мономерного Ig имеет форму буквы игрек с меняющимися углами между двумя ее верхними отрезками. Его структуру в 70-х гг. XX в. определили Р. Портер и Г. Эдельман. Он состоит, как оказалось, из четырех полипептидных цепей, связанных друг с другом дисульфидными мостиками (рис. 61). Две из них - длинные и в верхней трети изогнутые, как хоккейные клюшки, а две другие - короткие и прямые - прилегают к верхним отрезкам длинных цепей. Молекулярная масса длинных це­пей - 50-70 кД, коротких -около 24 кД. Длинные поли­пептидные цепи иммуногло­булина называют тяжелыми или Н-цепями {heavy - тяже­лый), а короткие - легкими или L-цепями (light - легкий). Длинная цепь содержит 4-5 доменов, а короткая - всего лишь два. Структура верхних доменов Н- и L-цепей у раз­ных иммуноглобулинов сильно варьирует, а у остальных - константна (постоянна), поэтому первые называются V-доменами, а вторые - С-доменами.

По строению С-доменов в составе L-цепей выделяют два изотипа - к (каппа) и λ (лямбда), а у Н-цепей - пять изотипов – μ (мю), γ (гамма), α (альфа), δ (дельта), ε (эпсилон). В за­висимости от разновидностей Н-цепей различают пять основ­ных классов иммуноглобулинов: IgM, IgG, IgA, IgD, IgE. На основе более тонких различий аминокислотной последо­вательности Н-цепей среди IgG выделяют подклассы IgGl, IgG2, IgG3, IgG4, а среди IgA - IgA и секреторные IgAS. Разные типы тяжелых цепей друг с другом не рекомбинируют ввиду существенных различий химической структуры. Для определенного класса иммуноглобулинов они строго специфичны. Легкие цепи способны рекомбинировать с любым изотипом тяжелых цепей, и в молекуле иммуноглобулинов различных классов могут быть по два к- или Л-изотипа, но никогда - по одному каждого.

V-домены L- и Н-цепей имеют прямое отношение к рас­познаванию антигенов. В результате их комбинирования в молекуле мономерного иммуноглобулина формируются два антигенсвязывающих участка (центра) с индивидуаль­ной, сильно варьирующей от молекулы к молекуле специ­фичностью или, как их по механизму взаимодействия с ан­тигеном называют, антидетерминантами или паратопами.

Под влиянием папаина игрек-молекулу иммуноглобу­лина удалось расщепить на три фрагмента: два верхних, так называемых Fab-фрагмента (Fragment antigen bin­ding), содержащих по одному антигенсвязывающему цент­ру, и нижний, константный Fc-фрагмент (Fragment crys-tallizable), неспособный к взаимодействию с антигеном и представляющий собой константные домены тяжелых це­пей. Иммуноглобулины Fc-фрагментом адсорбируются на рецепторах иммунокомпетентных клеток. У антител, свя­завших антиген, на Fc-фрагменте по классическому пути активируется комплемент.

Структурные особенности различных классов Ig. Сре­ди пяти классов иммуноглобулинов различают три моно­мера и два полимера (рис. 62). Мономерами являются IgG, I& E, IgD и сывороточный IgA, у которых имеется два антигенсвязывающих центра, а полимерами - IgM и IgAS, который секретируется на слизистых оболочках и не обна­руживается в кровотоке. В состав IgM входит пять мономерных молекул, полимеризованных (связанных) в облас­ти Fc-фрагментов J-цепями. Секреторный IgAS - димер. Он состоит из двух мономерных молекул, защищенный от воздействия протеолитических ферментов особым гликопептидом (секреторным компонентом), который продуци­руется эпителиальными клетками.

Механизм взаимодействия антител с антигеном. Антигенсвязывающие центры у разных иммуноглобулинов имеют различную конфигурацию, комплементарную детерминантной группе (гаптену, эпитопу) того антигена, под воздействием которого выработались. Вследствие это­го распознавание антигена соответствующим антителом происходит не по химической структуре, а, главным обра­зом, по трехмерной форме наружного электронного обла­ка, иными словами, по общей конфигурации гаптена бла­годаря взаимной комплементарности с антигенсвязывающим центром. Таким образом, антитела связываются с ан­тигенами нековалентно за счет пространственной комплементарности, которая обеспечивается межмолекулярны­ми силами и водородными связями. При этом прочность взаимодействия между антигеном и антигенсвязывающи-ми центрами называется аффинностью (сродством).

Виды антител. Среди иммуноглобулинов-мономеров по функциональной активности различают два вида антител (Ат) - полные и неполные. Полные Ig взаимодействуют с антигенами (Аг) двумя паратопами, неполные — только одним. Вследствие этого полные (двухвалентные) антите­ла в реакции агглютинации образуют крупные иммунные комплексы, оседающие в виде зерен-хлопьев на дно про­бирки, а неполные (одновалентные) - видимой реакции не вызывают. Если реакции взаимодействия неполных сво­бодноплавающих Ат с Аг происходят в крови, не вызывая каких-либо болезненных проявлений в организме, их на­зывают антителами-свидетелями, блокирующими или комплементсвязывающими, так как образуемые ими им­мунные комплексы одновременно связывают компле­мент. Реагирование неполных цитофильных IgE и IgG с антигенами может приводить к развитию аллергии. При незначительных, бесследно исчезающих ее проявлениях на кожных покровах человека их называют реагинами, а при ярко выраженных повреждениях кожи - агрессинами или кожно-сенсибилизирующими антителами.

Свойства иммуноглобулинов

Физико-химические особенности. По физико-химичес­ким свойствам различные иммуноглобулины представля­ют собой белки с относительно высокой молекулярной массой (150-350 кД), обозначаемые по константе седимен­тации как 7S - IgG, IgD, IgA; 7, 7-8, 0 S - IgE; 9-12 S -IgAS. Макроиммуноглобулин M имеет молекулярную массу 900 кД(19Э).

Биологические особенности. Рассматривая биологичес­кие свойства иммуноглобулинов, нужно отметить, что содер­жание их в крови непостоянно и колеблется от 0-450 нг/мл (IgD и IgE) до 0, 5-4 мг/мл (IgM и IgA) и 8-16 мг/мл (IgG).

В ответ на первичное введение в организм антигена вы­рабатываются IgM. Они отличаются выраженной авидностью (жадностью); обладая 10 антигенсвязывающими центрами, образуют прочные соединения с антигенами, несущими множественные эпитопы; вызывают агглюти­нацию; обеспечивают устойчивость к бактериальным инфекциям. Однако IgM сохраняются недолго, и период их полувыведения не превышает 5 дней.

При повторном попадании антигена в организм происхо­дит бурная выработка IgG, обеспечивающих нейтрализа­цию бактериальных токсинов и вирусов. Связываясь с микроорганизмами, IgG активируют комплемент, вызывают хемотаксис нейтрофилов. Микрофаги быстро поглощают бактерии, обработанные IgG и комплементом, так как име­ют рецепторы к Fc-фрагменту антител и СЗb-субфракции комплемента. IgG легко проникают через барьеры, в част­ности сквозь плаценту, попадая в кровь плода. В последую­щем их титр пополняется при кормлении ребенка грудным молоком, что обеспечивает ему иммунитет в первые недели жизни. Период полувыведения IgG равен 24 дням.

IgA, IgAS/IgE продуцируются как на первичное, так и на вторичное воздействие антигена. При этом сывороточ­ные IgA накапливаются в крови. Биологическая роль их до конца не изучена. Секреторные IgAS продуцируются в слизистых оболочках кишечника, верхних дыхательных и мочевыводящих путей, содержатся в глазной жидкости, слюне, молоке и обеспечивают местный иммунитет тка­ней. Период полувыведения равен 6 дням.

IgE - цитофильный иммуноглобулин. Он, в частности, связывается с тучными клетками и базофилами крови. В случаях взаимодействия цитофильных IgE с антигенами на этих клетках образуются иммунные комплексы, инду­цирующие выработку ими медиаторов воспалительной ре­акции. Активирует эозинофилы и является основным им­муноглобулином специфической защиты организма при паразитарных инфекциях.

Функция сывороточного IgD в иммунологических про­цессах при различных инфекционных процессах не впол­не ясна. Он является одним из основных типов мембран­ных иммуноглобулинов.

Антигенная структура. Как все белки, иммуноглобули­ны являются антигенами, и по отношению к ним выраба­тываются антииммуноглобулины, т. е. антитела против антител. В молекулах иммуноглобулинов различают три вида детерминант: изотипические, аллотипические и идиотипические.

Изотипические и аллотипические детерминанты ло­кализованы в С-областях иммуноглобулинов и специфич­ны для Н- и L-цепей того или иного типа. Изотипические детерминанты разных классов иммуноглобулинов иден­тичны для всех особей определенного вида; аллотипичес­кие - кодируются аллельными генами и у одних особей имеются, а у других - отсутствуют.

Идиотипические детерминанты, ассоциированные с гипервариабельными участками иммуноглобулинов, уни­кальны для структуры антигенсвязывающих центров ан­тител. Суммарное число вариантов этих детерминант мо­жет составлять 10¹⁷. Обнаруживаются они лишь у отдель­ных индивидуумов популяции с помощью антиидиотипических антител. Такое разнообразие антигенраспознающих молекул у В-лимфоцитов, как установил С. Тонегава, детерминировано многочисленными «зрелыми» генами, которые в геноме зародышевых клеток, однако, отсутству­ют. У них имеются лишь их фрагменты: V - зародышевые гены, J -соединительный сегмент, С-гены и D-сегмент, расположенный между V-геном и С-сегментом. «Зрелые» гены, кодирующие антигенраспознающие молекулы, фор­мируются при созревании лимфоцитов в процессе так на­зываемой реаранжировки (перестройки) зародышевых ге­нов, суть которой состоит в изъятии разъединяющего их генетического материала с последующим объединением, в котором участвуют ферменты-рекомбиназы, кодируемые генами RAG-1 и RAG-2. Процесс реаранжировки в В-лимфоцитах сначала осуществляется в генах Н-цепей, а затем -в генах L-цепей. Так, в кластере Н-генов реаранжировка V-генов начинается со случайно избранных элементов D и J путем формирования ДНК петли на участке между ними, затем по тому же механизму сближаются V- и DJ-сегмен-ты, а в кластерах генов L-цепей - V и J. Большое количест­во V-генов в кластерах, тем не менее, не обеспечивает су­ществующего многообразия антигенсвязывающих участ­ков в молекулах иммуноглобулинов. Ввиду этого в про­цесс умножения «зрелых» генов включаются несколько дополнительных механизмов. Один из них состоит в не­матричном приращивании (достройке) коротких олигонуклеотидов в области соединения V- и DJ-участков, кото­рое активируется терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой. При этом перестройка «зародышевых» генов всегда происходит только в одной хромосоме, чем и дости­гается аллельное исключение иммуноглобулиновых ре­цепторов. Таким же путем достигается вариабельность антигенраспознающих доменов у Т-лимфоцитов.