Главная


Иммуноглобулины: строение и функции

Основная функция молекул иммуноглобулинов сводится к специфическому связыванию с чужеродными молекулами (антигенами), обусловливающими инактивацию и (или) удаление токсина, микроорганизма, паразита или каких-либо веществ из организма. Обеспечивается это способностью микроорганизма индуцировать образование множества сходных по структуре, но индивидуально отличных молекул иммуноглобулинов. Одним из самых выдающихся достижений молекулярной биологии за последние 25 лет было выяснение строения иммуноглобулинов. Это в свою очередь обеспечило значительные успехи в изучении зависимости между структурой и функцией белков и организации генов иммуноглобулинов. В этой главе обобщены современные представления о строении иммуноглобулинов. В качестве примера в большинстве случаев используются данные о молекулах иммуноглобулинов человека, поскольку именно соединения этого класса изучены наиболее полно. Однако обсуждаются также данные об иммуноглобулинах мыши и других видов животных.

Мономерные антитела представляют собой макромолекулы, построенные из четырех цепей: двух идентичных тяжелых и двух идентичных легких (на одну молекулу). Схема строения такой молекулы показана на рисунке.

Строение молекулы IgG

Показана локализация участков, ответственных за различные функции

Эти четыре цепи ковалентно соединены дисульфидными связями. Каждая из цепей состоит из вариабельной (V) и константной (С) областей. Ферменты, например папаин, способны расщеплять молекулу на три фрагмента. Два из них, обозначаемые как Fab, имеют в своем составе вариабельные области и сохраняют способность реагировать с антигеном. Третий фрагмент, обозначаемый Fc, состоит из части константной области тяжелых цепей и способен к таким эффекторным функциям, как связывание комплемента и реакция с рецепторами лейкоцитов.

На рисунке показана трехмерная структура интактного иммуноглобулина.

Трехмерная структура IgG Dob человека

Этот белок в шарнирной области имеет на 15 аминокислотных остатков меньше, чем нормальные IgG.
Две тяжелые цепи представлены незакрашенными и темно-серыми, легкие цепи — светло-серыми. Углеводы изображены черными кружками.

Эта молекула состоит из компактных глобул. Дж. М. Эделман (Edelman) высказал предположение о существовании таких глобул еще до того, как они были обнаружены методом рентгеноструктурного анализа. Он подметил, что аминокислотную последовательность тяжелых цепей иммуноглобулинов можно разделить на гомологичные участки длиной в 110 аминокислот, и предположил, что каждый из этих участков, или доменов, появился в эволюции для выполнения определенной специфической функции. Со временем эта гипотеза получила серьезные экспериментальные подтверждения, что будет обсуждено ниже при описании функций иммуноглобулинов.

В легких цепях имеются два домена (один вариабельный и один константный), а в тяжелых — четыре или пять в зависимости от класса тяжелых цепей. Каждый из доменов имеет особую третичную структуру, характерную для иммуноглобулинов укладку цепи (immunoglobulin fold). Домен состоит из двух слоев с бета-складчатой структурой, один из которых построен из четырех антипараллельных сегментов цепи, а другой — из трех сегментов.

Схематическое изображение V- и С-доменов легких цепей

Заштрихованные и незаштрихованные стрелки — участки с антипараллельной бета-структурой трехсегментного и четырехсегментного слоев соответственно.
Цифрами обозначены некоторые аминокислотные остатки. Дисульфидные мостики внутри домена обозначены черными прямоугольниками.

Вся эта глобула, напоминающая сэндвич, имеет гидрофобное внутреннее ядро. Слои ковалентно связаны дисульфидным мостиком примерно в середине домена. Образующие эту связь цистеины эволюционно стабильны; они имеются в молекуле каждого иммуноглобулина, а также родственных им белков, в том числе и бета-2- микроглобулина, а также в некоторых участках антигенов гистосовместимости. В иммуноглобулиновых доменах на расстоянии в 14 остатков от первого полуцистинового остатка расположен остаток триптофана, также инвариантный и играющий, по-видимому, важную роль в укладке пептидной цепи домена. Каждый из сегментов цепи обозначают таким образом, что первая цифра указывает на слой, содержащий три либо четыре отрезка (3-1, 3-2, 3-3 и 4-1, 4-2, 4-3, 4-4). В шпилькообразных сгибах цепи между сегментами находятся остатки глицина. Угол между главными осями доменов У и С в легких цепях больше 90° (обычно 100— 110°), тогда как угол между осями У-домена и первого С-домена тяжелой цепи меньше 90° (обычно 80—85°). У V-доменов имеется одна добавочная петля, отсутствующая у С-доменов. Альфа-спиралей в молекулах иммуноглобулинов очень мало или вообще нет.

Биологические функции белка находятся в зависимости от четвертичной структуры; в связи с этим следует отметить, что такие рассмотренные домены с цилиндрической структурой также взаимодействуют между собой. В Fab- фрагментах и белках Бене-Джонса (димеры L-L), пространственное строение- которых было установлено методом рентгеноструктурного анализа, С-домены контактируют между собой слоями, построенными из четырех сегментов.

Ход полипептидной цепи димера легких цепей.

У мономера 1 (светлая линия) конформация сходна с таковой Fab-субъединицы тяжелой цепи.
Мономер 2 (зачерненная линия) напоминает по строению легкую цепь. Межцепьевая дисульфидная связь расположена слева.
V-домены образуют пару за счет контакта между трехсегментными слоями, а С-домены контактируют четырехсегментными слоями.
Следует отметить, что пространственные взаимоотношения между V- и С-доменами мономера 1 отличны от таковых мономера 2.

Таким путем достигается гидрофобное взаимодействие доменов, образующих границу раздела, свободную от растворителя. Наружную поверхность С-области формирует слой из трех сегментов. Образование пар V-доменов идет по противоположному принципу — за счет слоев из трех сегментов. При взаимодействии последних формируется гидрофильный канал, который, собственно говоря, и образует реагирующий с антигеном участок. Слой из четырех сегментов в этом случае находится на наружной поверхности. Чтобы знать, какие именно остатки образуют контакты между взаимодействующими цепями и какие из них доступны растворителю, необходимо определить положение аминокислотных остатков в трехмерной структуре молекулы с помощью рентгеноструктурного анализа или на основе сходства с уже изученными молекулами. Остатки, доступные растворителю, могут участвовать в контакте с антигеном или же входить в состав антигенных детерминант, которые используются для серологического исследования антител.

Антитела представляют собой сложные гликопротеиновые молекулы и сами по себе могут служить антигенами. Можно получить антисыворотки, с помощью которых удается выявлять серологические варианты антител. Различают по крайней мере три типа детерминант, используемых при классификации антител — изотипические, аллотипические и идиотипические детерминанты. Структура некоторых из них была установлена на основе данных о первичной структуре цепей антител, а также современных представлений о строении генов иммуноглобулинов.

Изотипы характеризуются антигенными детерминантами константных областей цепей; с помощью этих детерминант можно отличать друг от друга продукты каждого из генов константных областей тяжелых и легких цепей. Всего идентифицировано пять классов тяжелых цепей; их обозначают греческими буквами: альфа (α), гамма (γ), мю (μ), эпсилон (ε) и дельта (δ). Два из них подразделяются на подклассы. Так, у человека имеются четыре подкласса гамма-цепей (γ1, γ2, γЗ и γ4), так же как и у мыши (γ1, γ2а, γ2b, γЗ). У человека найдено также два подкласса альфа-цепей (α1 и α2). Соответственно тяжелой цепи обозначается и сам класс молекул иммуноглобулинов. Например, если в составе молекул данного иммуноглобулина есть мю-цепи, то он относится к классу IgM. В гаплоидном геноме имеются отдельные гены для константных областей каждой из тяжелых цепей, или изотипов. В норме все эти гены экспрессируются, поэтому у здоровых индивидуумов в сыворотке крови имеются все перечисленные изотипы.

Для полного описания молекулы антител следует еще сказать о двух типах легких цепей: каппа (Κ) и лямбда (Λ). В гаплоидном геноме человека и мыши имеется по одному гену константных областей каппа-цепей; эти же области лямбда-цепей кодируются несколькими генами, и, следовательно, существует несколько изотипов лямбда-цепей. Гены тяжелых цепей, каппа-цепей и лямбда- цепей локализуются в разных хромосомах. Так, у человека гены тяжелых цепей расположены в хромосоме 14, каппа-цепей — в хромосоме 2 и лямбда-цепей — в хромосоме 22, тогда как у мыши эти гены расположены соответственно в хромосомах 12, 6 и 16. Чтобы получить специфическую антисыворотку к одной из изотипических детерминант, обычно иммунизируют животных другого вида (т. е. получают ксеноантисыворотку), поскольку для здоровых особей одного вида изотипические детерминанты не являются чуждыми.

Детерминанты, кодируемые аллелями данного иммуноглобулинового гена, называются аллотипическими. В отличие от изотипов, имеющихся у всех особей данного вида, аллотипы присутствуют лишь у некоторых из них. Очевидно, что не все особи имеют полный набор аллотипических вариантов, и поэтому антисыворотки к ним получают, вводя белок определенного аллотипического варианта другой особи того же вида, у которой, однако, белки обладают иной аллотипической характеристикой. Удается также получить гетеро- и ксено-антисыворотки со специфичностью к определенному аллотипу. Более подробно проблема аллотипов обсуждается ниже.

В вариабельных областях молекул антител локализуются идиотипические детерминанты. Они характеризуют собой индивидуальные свойства данной молекулы. Для получения антиидиотипической антисыворотки иммунизацию проводят гомогенной популяцией молекул иммуноглобулинов, например каким-либо миеломным белком. Получаемые антитела затем тщательно адсорбируют нормальным иммуноглобулином, пока антисыворотка не станет специфической только для белка, использованного при иммунизации. Такая антисыворотка будет распознавать то, что мы называем «индивидуальной антигенной специфичностью» или идиотипом. С помощью техники гибридом можно получить моноклональные антиидиотипические антитела. В некоторых случаях при иммунизации двух разных особей одним и тем же антигеном получаются антитела с одинаковыми идиотипическими детерминантами. Такие идиотипы называют перекрестно-реагирующими или общими (public). Как правило, эти идиотипы ассоциированы со способностью антитела реагировать с определенным антигеном, что указывает на связь между идиотипическими детерминантами и антигенсвязывающей областью. В генетической основе идиотипии еще много неясного, однако экспрессия идиотипов некоторыми исследователями связывается с локусами тяжелых и легких цепей или с генами главного комплекса гистосовместимости.