Структура и свойства антигенов и антител

Генетически чужеродные вещества, попадая в организм высших животных и человека, способны вызывать в них ряд специфических процессов, направленных на их удаление из организма. Система организма, выполняющая эту функцию, называется иммунной системой, а сами процессы — иммунологическими. К важнейшим из них следует отнести образование специфических белков крови — антител (иммуноглобулинов). Вещества, способные вызывать специфические иммунологические реакции в организме, получили название антигенов. Способность антигенов вызывать иммунный ответ называется иммуногенностью, а способность образовывать комплексы с антителами — антигенностью. К антигенам относятся белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты как в очищенном виде, так и в виде компонентов различных биологических структур (клеток, тканей, вирусов и т. д.).

На поверхности молекулы сложного антигена можно выявить функциональные группы или остатки, обуславливающие антигенную специфичность, называемые антигенными детерминантами или эпитопами. Число эпитопов на поверхности сложной молекулы определяет валентность антигена. Понятие антигенная детерминанта включает в себя последовательность образующих ее химических функциональных групп и их пространственное расположение. В молекулах белков антигенная детерминанта образуется совокупностью аминокислотных остатков (может варьировать от 5 до 20). Антигенные детериминанты белков бывают двух типов — секвенциальные, т. е. представляющие собой последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи, и конформационные, образованные аминокислотными остатками из различных частей белковой глобулы. Во многих случаях единичная замена аминокислоты в структуре антигенной детерминанты или изменение конформации белковой глобулы являются достаточными для изменений антигенной специфичности макромолекулы. Если два антигена имеют только часть одинаковых антигенных детерминант, их называют перекрестно реагирующими антигенами.

Низкомолекулярные вещества, не способные сами вызывать образование антител, но приобретающие иммуногенные свойства после конъюгирования с высокомолекулярными носителями, например, бычьим сывороточным альбумином, называются гаптенами. К гаптенам относится широкий круг природных соединений: пептидные и стероидные гормоны, различные лекарственные препараты, антибиотики, витамины, олигосахариды и т. д.

Биологическая функция антител заключается в защите организма от проникновения чужеродных веществ путем образования прочных специфических иммунных комплексов с соответствующими антигенами и последующего удаления их из организма. Способность антител образовывать высокоспецифичные прочные иммунокомплексы с различными веществами и возможность получения антител в необходимых количествах являются основой иммунохимических методов анализа.

В организме антитела вырабатываются специфическими клетками крови — В-лимфоцитами, каждый из которых имеет на своей поверхности до 100 000 рецепторов одинаковой специфичности, способных узнавать любой чужеродный антиген. Антиген, встречаясь в кровотоке с комплементарным ему рецептором, проводит отбор (селекцию) соответствующего В-лимфоцита, который затем, трансформируясь в плазматическую клетку и многократно делясь, образует клон клеток. Каждый клон плазматических клеток секретирует гомогенные по своей структуре антитела. Однако так как антиген активирует в крови сразу большое количество типов В-лимфоцитов, которые содержат рецепторы различной степени специфичности по отношению к исходному антигену, такой иммунный ответ и антитела называются поликлональными. Сыворотку животного, содержащую специфические к данному антигену антитела, называют антисывороткой, при этом обычно указывают против какого антигена и каким животным она выработана (например, антисыворотка кролика против эритроцитов человека). Принципиально важным является то, что поликлональные антитела даже против одной-единственной антигенной детерминанты гетерогенны как по структуре активного центра, так и по физико-химическим свойствам. В том случае, если антиген поливалентен, например, белок, то в сыворотке крови образуются антитела, направленные против каждой индивидуальной антигенной детерминанты, что еще более усложняет состав антител.

В середине 70-х годов был разработан принципиально новый путь получения антител, основанный на слиянии (гибридизации) лимфоцитов иммунизированного животного с миеломными клетками с образованием новых клеток — гибридом. Особенностью таких клеток является их способность размножаться и продуцировать антитела в искусственных условиях вне организма. С помощью специальных методов клонирования можно выделить одну гибридную клетку, которая, размножаясь, будет секретировать в неограниченных количествах антитела только одного вида — моноклональные антитела, которые являются гомогенными как по специфичности, так и по физико-химическим свойствам.

Структура антител. Иммуноглобулины по своей химической структуре относятся к большому классу природных соединений — гликопротеидам, т. е. белкам, содержащим в своей структуре олигосахариды. Несмотря на огромное разнообразие антител и их гетерогенность, все они обладают некоторыми общими структурными элементами, обеспечивающими выполнение их основных функций.

По своим антигенным, эффекторным сфвойствам и структурным особенностям иммуноглобулины подразделяются на пять основных классов: IgA, IgD, IgE, IgG и IgM (Ig обозначает иммуноглобулин).

Общей структурной единицей всех иммуноглобулинов является комплекс из четырех полипептидных цепей — двух идентичных между собой легких цепей с молекулярной массой 23 кД каждая (L-цепи, от английского слова lightлегкий) и тяжелых с молекулярной массой по 53 000 (Н-цепи, от английского heavyтяжелый). Каждая из легких цепей прочно соединена с NH₂-концевыми участками тяжелых цепей благодаря наличию межцепочечных дисульфидных связей и множеству слабых гидрофобных, электростатических и других межатомных взаимодействий. Аналогичные связи существуют и между свободными участками тяжелых цепей. В целом структура такого комплекса напоминает латинскую букву Y (или Т) и характерна для иммуноглобулинов классов IgG, IgD, и IgE (рис.1).

Рис. 1. Пространственная структура молекулы IgG

При действии протеолитического фермента папаина молекула IgG распадается на три фрагмента, два из которых идентичны и сохраняют способность связывать антигены (так называемые Fab-фрагменты) и третий, способный к кристаллизации (Fc-фрагмент), отвечающий за эффекторную функцию антител (Рис.2). Другой протеолитический фермент пепсин разрывает пептидную связь, расположенную ближе к СООН-концу цепи от S-S связи между Н-цепями в Fc-фрагменте. В результате образуются так называемый рFc'-фрагмент, представляющий остатки тяжелых цепей и соединенные дисульфидными связями два Fab-фрагмента, обозначаемые как F (ab')₂-фрагмент.

Рис. 2. Схематическое изображение структуры молекулы IgG.

Антигенсвязывающий центр расположен в NH₂-концевых частях Ни L-цепей. Таким образом каждая молекула IgG, а также F (ab')₂-фрагменты содержат по два одинаковых антигенсвязывающих центра, а Fab-фрагмент — один.

Молекулы антител имеют большое число S-Sсвязей, которые можно разделить на 3 категории — межцепочечные, внутрицепочечные и связи между Н-цепями отдельных четырехцепочечных комплексов, обусловливающих образование полимерных молекул — IgM и IgА. Структура иммуноглобулинов различных классов обусловлена числом и расположение S-S связей в молекулах, а также количеством четырехцепочечных элементов. IgМ присутствует в сыворотке в виде пентамера четырехцепочечных комплексов, соединенных S-S связями между Н-цепями. Некоторое количество IgА сыворотки также присутствует в виде димерной и тетрамерной формы (Рис. 3).

Рис. 3. Схематическое изображение структуры молекул иммуноглобулинов различных классов

Легкие цепи иммуноглобулинов бывают только двух типов — или, и являются общими для всех пяти классов, в то время как тяжелые цепи обладают структурными, иммунологическими и химическими особенностями, характерными для каждого класса иммуноглобулинов. При исследовании аминокислотной последовательности было обнаружено, что все легкие и тяжелые цепи имеют одну принципиальную структурную особенность: они состоят из двух частей — вариабельной (V) и константной (С) (Рис.4).

Рис. 4. Схематическое изображение расположения константых и вариабельных участков в молекуле IgG.

Постоянная или константная часть легких цепей (С_L) включает 107 аминокислотных остатков СООН-концевого участка, константная часть тяжелой цепи приблизительно в три раза (или в четыре в случае IgM и IgA) длиннее вариабельной. Оставшиеся последовательности аминокислотных остатков в NH₂-концевой половине легких и тяжелых цепей образует так называемые вариабельные области (V_C и V_H). В каждой из легких цепей молекул антител существуют две внутрицепочечные дисульфидные связи, число такх связей в тяжелых цепях различно (4−6). Каждый из внутрицепочченых дисульфидных мостиков образует петлю из 55−70 аминокислотных остатков.

По данным рентгеноструктурного анализа, участки пептидных цепей вблизи петли образуют глобулярную структуру, в которую включается около 110 аминокислотных остатков (Рис.5). Такие глобулы в структуре молекул антител получили название доменов. NH₂— концевой домен тяжелой цепи обозначают как V_H, а три последующих в константной области тяжелой цепи — как С_H1, С_H2 и С_H3 (для легкой цепи, соответственно V_L и C_L).

Рис. 5. Схематическое изображение локализации доменных участков в легкой и тяжелых цепях иммуноглобулинов.

Связывание антигена происходит в доступной растворителю щели активного центра, образованной вариабельными доменами в NH₂-концевой части легкой и тяжелой цепей. Способность связывать антигены с той же эффективностью, что и нативные молекулы антител, обладают Fab и F (ab')₂-фрагменты иммуноглобулинов. Основным принципом организации антигенсвязывающих центров иммуноглобулинов является полицентровая структура. Малые антигенные детерминанты связываются на ограниченном участке активного центра, комплементарном данной детерминанте. Большие детерминанты могут занимать практически всю область связывания.