Антитела

- Что же это за клетки?

- Это лимфоциты.

Если не учитывать эритроциты, которые переносят кислород, то все остальные клетки крови имеют белый цвет . Их называют лейкоцитами, то есть белыми клетка ми. Из всех белых клеток 30 процентов относятся к лимфоцитам. Лимфоцит в переводе на русский язык означает «клетка лимфы».

Во всех тканях нашего тела, помимо крови, циркулирует лимфа. По лимфатическим сосудам она поступает в лимфатические узлы , а оттуда собирается в один большой сосуд - грудной проток, который впадает в кровяное русло около самого сердца. В лимфе нет эритроцитов. Только лимфоциты.

Осмотр

Многие считали, что из лимфоцитов возникают всевозможные другие клетки - соединительнотканные, печеночные, легочные и т. д. «Старая литература, - пишет Гоуэнс, - наполнена противоречивыми доказательствами того, что малые лимфоциты могут превращаться в эритроциты, гранулоциты, моноциты, фибробласты, плазматические клетки и т. д. Один циник как–то заметил, что все клетки, за исключением клеток нервной системы , в то или иное время рассматривались как производные лимфоцитов!»

Второе исследование. Гоуэнс облучает крысу рентгеновскими лучами. Многие системы страдают после облучения, иммунная система тоже. Животное не вырабатывает антител. Облученной крысе введены эритроциты барана, антител нет. Другой облученной крысе эритроциты барана введены вместе с лимфоцитами от здоровой крысы, антитела есть.

В крови плавают десятки тысяч различных антител, но они имеют общий план строения.

- Как устроены молекулы антител? Это, наверное, белки, которые циркулируют в крови.

Да, это самые крупные белковые молекулы кровяной сыворотки - гамма–глобулины. Поскольку все гамма–глобулины - антитела, их теперь называют иммуноглобулинами.

- Сколько же разных иммуноглобулинов плавает в крови?

Много. По приблизительным подсчетам, около десяти тысяч. Около одного процента массы крови приходится на иммуноглобулины. Иначе говоря, в литре крови 10 граммов антител.

- Сколько же это молекул?

- Очень много. Цифра астрономическая. Что–то вроде 5x10 20 (500 000 000 000 000 000 000), и каждая из них может соединиться с каким–то чужеродным веществом и обезвредить его.

Расшифровать устройство молекулы иммуноглобулина удалось благодаря работам двух исследователей - Роднея Портера в Оксфорде и Джералда Эдельмана в Нью–Йорке. Первые результаты были опубликованы в 1959 году. К 1965 году в общих чертах структура молекулы была расшифрована. К 1970–му иммунологи знали не только план строения, но и последовательность укладки «кирпичей» (аминокислот, из которых построена любая белковая молекула). В 1972 году Портер и Эдельман были удостоены Нобелевской премии.

Работа в поте лица

Примерный ход событий таков. В 1958 году Портер обработал выделенный из крови чистый иммуноглобулин папаином. Его получают из растений. Папаин относится к ферментам, разрушающим белки. Он способен разрезать белковые молекулы поперек.

В это же самое время на другом берегу Атлантического океана, как говорят в науке, «одновременно и независимо» Эдельман обработал выделенные из крови молекулы иммуноглобулинов 6–меркаптоэтанолом. Этот химический реагент обладает способностью разрезать молекулы белков вдоль. (Папаин пилит белковые стволы на дрова, а 6–меркаптоэтанол - на доски.)

Здесь следует немного отвлечься от антител, чтобы вспомнить, как вообще построены белки, что лежит в их основе.

Основой строения всех белков служат пептидные цепи. Белок может быть составлен из нескольких цепей, расположенных последовательно или параллельно друг другу. Каждая цепь, как из звеньев, образована из аминокислот. Вот, например, кусочек пептидной цепи инсулина - одного из хорошо изученных белков, при недостатке которого развивается тяжелая болезнь диабет: цистеин-аланин-серин-валин-цистеин. Полипептидные цепи, составленные из разных сочетаний 20 аминокислот, образуют все многообразие белков на нашей планете.

Аминокислоты соединены в цепи пептидов через атомы углерода и азота. Эти связи носят название пептидных. Именно их разрывает папаин. Конечно, не все сразу. В первую очередь в наиболее доступных участках белковой молекулы.

Если пептидные цепи, составляющие молекулу белка, расположены в виде двух нитей параллельно друг другу, то они соединяются между собой через два атома серы. Эти связи называются дисульфидными. Их разрушает 6–меркаптоэтанол. В результате этого белковая молекула, если она составлена из параллельных пептидных цепей, разрезается вдоль.

Итак, Портер рассек молекулу антитела поперек, а Эдельман вдоль.

Молекулярный вес целой молекулы был чуть больше 150 тысяч. После поперечного разрезания возникли три фрагмента с молекулярным весом около 50 тысяч каждый. Портер получил три фрагмента примерно равной величины. Он обозначил их I, II и III. Величина их была почти равна, но свойства…

Фрагменты I и II оказались тождественными друг другу. Каждый из них обладал главным качеством антитела - мог соединяться с антигеном, с той чужеродной субстанцией, против которой направлено данное антитело. Фрагмент III этим качеством не обладал.

Эдельман получил четыре фрагмента, вернее, четыре цепи, так как он разделил белковую молекулу на пептидные цепи. Две цепи, тождественные между собой, имели молекулярный вес примерно 25 тысяч. Он их назвал L–цепи (от слова light - легкий). Две другие, тоже тождественные между собой, имели вес 50 тысяч. Он их назвал Н–цепи (от слова heavy - тяжелый). (Следует заметить, если одна пептидная цепь в два раза тяжелее другой, это значит, что она в два раза длиннее.) Ни одна из этих цепей основным качеством антитела - способностью связывать антиген - не обладала. Однако если воссоединить вновь L–цепь и Н–цепь, то у образовавшейся структуры, представляющей половину молекулы, это качество восстанавливалось.

Вот так перед исследователями возникла задачка на сообразительность.

Дано: если разрезать молекулу поперек, возникает три части. Обозначим молекулярный вес в тысячах внизу символа, а антительную активность - звездочкой вверху символа. Получим формулу строения антитела: АТ 150 = I 50 * + II 50 * + III 50 .

Если разрезать вдоль, возникает четыре части со своей формулой: АТ 150 = 2L 25 +2Н 50 = (L 25 + Н 50) * + (L 25 + Н 50)*.

Требуется: определить пространственную структуру расположения пептидных цепей в молекуле и локализацию активных центров, то есть участков, определяющих главное качество - способность соединяться с антигеном.

Еще упрощаем задачу: из двух длинных и двух коротких цепочек сложить фигуру, которая бы при поперечном разрезе давала три равновеликих фрагмента. Два из них несут специфические антигенсвязывающие участки, составленные из длинной и короткой цепей.

Получится конструкция, похожая на заглавную букву «игрек» латинского шрифта?, что–то вроде нашей мальчишеской рогатки. Места, к которым привязывается резинка, и есть активные центры. Две стороны «рогатины» - это и есть портеровские фрагменты I и II. «Рукоятка» - фрагмент III. Папаин рассекает конструкцию на три фрагмента как раз в месте разветвления.

Две длинные цепи, располагаясь рядом друг с другом, формируют «рукоятку», а в месте разветвления расходятся, образуя внутренние стороны «рогатины». Короткие цепи примыкают к длинным после развилки, формируя наружные стороны «рогатины». Концы ее, состоящие из окончаний обоих типов цепей, определяют специфичность молекулы. В итоге каждое антитело имеет два активных центра. Как двумя руками связывает оно чужеродные антигенные частицы, делая их неактивными, нерастворимыми, неспособными оказывать вредное организму действие.

Такая конструкция построена не только на основе логических рассуждений. Она подтверждена специальными физико–химическими методами. Наконец, ее увидели в электронном микроскопе. Молекула антитела действительно выглядит так:

Молекула антитела

Некоторые молекулы антител соединяются своими «рукоятками» по две. Тогда они называются димерами. Они имеют, таким образом, сразу четыре активных центра для связывания антигена. Так ведут себя иммуноглобулины класса А. Другие молекулы объединяются по пять (пентамеры), образуя картину звезды с десятью активными центрами, смотрящими наружу. Это иммуноглобулины класса М. Но большинство антител относятся к обычному, мономерному («моно» - значит «один») типу. Их называют иммуноглобулинами класса Г.

К 1970 году структура антител была понята не только в общих чертах. Было выяснено, сколько аминокислот в каждой из четырех пептидных цепей.

В основе повышенной чувствительности организма лежат его иммунные реакции на антиген. Обычно такая чувствительность проявляется при повторной встрече организма с аллергеном, не вызывающим у здоровых людей реакции. Однако с первой встречи с аллергеном начинается образование аллергических антител, которые после повторной встречи с тем же аллергеном дают бурную цепную реакцию. Механизм этой реакции недостаточно ясен; одной из главных ее особенностей являются распад тучных клеток и выход из их гранул гистамина. Гистамин вызывает расширение сосудов и отек тканей.

К типичным аллергенам относятся различные виды пыльцы трав и цветов, перья некоторых видов птиц, шерсть домашних животных, различные красители. Аллерген проникает в организм чаще всего через слизистую оболочку дыхательных путей или кожу.

Анафилаксией называют реакцию повышенной чувствительности к повторному введению чужеродного белка. Анафилаксия может проявляться реакцией организма различной степени вплоть до крайне тяжелой- анафилактического шока.

Экспериментально анафилактический шок легко продемонстрировать на морских свинках, очень чувствительных к чужеродным белкам. Если морской свинке подкожно ввести небольшую дозу (0,01 - 0,001 мл) чужеродного белка, например лошадиной сыворотки, то свинка легко переносит это без всяких видимых последствий. К 8 - 12-му дню у морской свинки развивается состояние сенсибилизации по отношению к введенному белку. Если в период сенсибилизации морской свинке ввести в кровь тот же белок, развивается анафилактический шок. Для развития анафилаксии необходимо введение в кровь большой дозы этого же антигена. Это так называемая разрешающая инъекция. А. М. Безредка ярко описал картину анафилактического шока у морской свинки: "Как только кончено пробное вспрыскивание, сенсибилизированная морская свинка начинает волноваться. Она начинает царапать мордочку. Ее волнение растет с минуты на минуту. Вдруг она начинает вращаться вокруг своей оси. Эти вращательные движения прерываются судорожными вздрагиваниями, все более частыми и сильными. В определенный момент - 3 - 4 мин спустя после вспрыскивания - судорожные движения становятся реже. Животное кажется истощенным... Ложится на бок. Сфинктеры мочевого пузыря и заднего прохода расслабляются; происходит выделение мочи и кала. Дыхание, очень короткое и прерывистое сначала, становится все медленнее. К концу короткого промежутка, редко превышающего 5 - 6 мин, животное умирает от удушья".

Если анафилаксия проявляется в слабой форме, то обычно наблюдаются зуд, учащенное дыхание, сердцебиение, понижение артериального давления и понос.

В отдельных случаях животные при анафилактическом шоке выживают. В дальнейшем они на некоторое время становятся нечувствительными к данному аллергену. Наступает так называемая десенсибилизация. Десенсибилизацию можно вызвать искусственно, вводя перед инъекцией разрешающей дозы небольшую дозу аллергена.

Анафилаксию разной степени тяжести можно наблюдать у людей, например при повторном введении различных лечебных сывороток-противостолбнячной, противодифтерийной и др. Описаны случаи анафилактического шока при повторном введении антибиотиков, анестетиков или витаминов. Для предупреждения анафилактических реакций в практике используют метод десенсибилизации, предложенный А. М. Безредкой: за 2 - 4 ч перед введением необходимого количества сыворотки вводят небольшую ее дозу (0,5 - 1 мл). Этот метод обычно делает введение сыворотки безопасным. Однако у особо чувствительных людей даже применение этого метода не всегда предупреждает развитие анафилаксии.

К анафилаксии относится сывороточная болезнь, развивающаяся у некоторых людей через 8 - 14 сут после введения лечебных сывороток. Она характеризуется появлением зуда, сыпи, повышением температуры, отеком лица. Обычно через несколько дней наступает выздоровление.

Развитие сывороточной болезни можно ослабить или иногда предупредить, если вводить сыворотку не сразу, а постепенно возрастающими дозами. Хорошо очищенная сыворотка реже вызывает сывороточную болезнь.

К аллергическим реакциям относят повышенную чувствительность к аллергенам бактериальной природы. Это реакции гиперчувствительности замедленного типа. Возникновение реакции такого типа связано с предшествующей сенсибилизацией организма микробным аллергеном, вирусом, токсином. В ответ на эти аллергены могут развиваться реакции клеточного иммунитета без образования гуморальных антител. Этим объясняется то, что при реакции замедленного типа обычно отмечаются значительные местные повреждения тканей.

Аллергические реакции играют важную роль в патогенезе многих заболеваний, особенно туберкулеза, скарлатины, ревматизма. Так, например, при туберкулезе организм больного постоянно сенсибилизирован по отношению к туберкулезному токсину - туберкулину. Организм здорового человека не реагирует на внутрикожное введение туберкулина или отвечает легкой воспалительной реакцией. Введение же туберкулина больным туберкулезом вызывает бурную кожную воспалительную реакцию. Эта проба используется с диагностической целью.

Аллергические проявления часто определяют характер течения болезни. Разрешающими факторами могут быть самые разнообразные воздействия, иногда даже случайные. Так, например, обострение ревматизма может начаться после гриппа, ангины, охлаждения или перегревания, а также после введения лечебной сыворотки (например, противостолбнячной). Обострение хронически текущего туберкулезного процесса иногда происходит после различных воздействий, изменяющих реактивность организма и играющих роль разрешающих факторов.

Лекарственная аллергия развивается вследствие повышенной чувствительности некоторых лиц к определенным лекарственным препаратам или в результате сенсибилизации этими препаратами. Роль антигена в таких случаях может выполнять как сам препарат, например некоторые антибиотики, так и продукты, образующиеся в результате взаимодействия данного препарата с белками организма. Чаще всего аллергические реакции вызывают антибиотики, но эти реакции могут быть обусловлены и другими лекарственными средствами , даже амидопирином.

Клинические проявления аллергических реакций на лекарственные препараты разнообразны-от крапивницы или приступа бронхиальной астмы до анафилактического шока. В связи с этим для предупреждения аллергических реакций лекарственные препараты следует применять только при определенных показаниях по правильным схемам и после выяснения переносимости их данным больным.

Подобно лекарственным аллергиям, могут развиваться аллергии в ответ на раздражение некоторыми химическими веществами, например лаками, красителями, клеями. В таких случаях чаще всего приходится встречаться с аллергическими поражениями кожи-дерматитами.

К аллергии относится и идиосинкразия - сверхчувствительность к некоторым пищевым продуктам, лекарственным препаратам, вдыхаемой пыльце цветов, косметическим средствам и т. п.

Антитела выполняют две функции: антиген -связывающую и эффекторную (вызывают тот или иной иммунный ответ, например, запускают классическую схему активации комплемента).

Антитела синтезируются плазматическими клетками, которыми становятся некоторые В-лимфоциты, в ответ на присутствие антигенов. Для каждого антигена формируются соответствующие ему специализировавшиеся плазматические клетки, вырабатывающие специфичные для этого антигена антитела. Антитела распознают антигены, связываясь с определённым эпитопом - характерным фрагментом поверхности или линейной аминокислотной цепи антигена.

Антитела состоят из двух лёгких и двух тяжёлых цепей. У млекопитающих выделяют пять классов антител (иммуноглобулинов) - IgG, IgA, IgM, IgD, IgE, различающихся между собой по строению и аминокислотному составу тяжёлых цепей и по выполняемым эффекторным функциям.

История изучения

Самое первое антитело было обнаружено Берингом и Китазато в 1890 году, однако в то время о природе обнаруженного столбнячного антитоксина, кроме его специфичности и его присутствия в сыворотке иммунного животного, ничего определенного сказать было нельзя. Только с 1937 года - исследований Тиселиуса и Кабата, началось изучение молекулярной природы антител. Авторы использовали метод электрофореза белков и продемонстрировали увеличение гамма-глобулиновой фракции сыворотки крови иммунизированных животных. Адсорбция сыворотки антигеном, который был взят для иммунизации, снижала количество белка в данной фракции до уровня интактных животных.

Строение антител

Антитела являются относительно крупными (~150 кДа - IgG) гликопротеинами, имеющими сложное строение. Состоят из двух идентичных тяжелых цепей (H-цепи, в свою очередь состоящие из V H , C Н 1, шарнира, C H 2- и C H 3-доменов) и из двух идентичных лёгких цепей (L-цепей, состоящих из V L - и C L - доменов). К тяжелым цепям ковалентно присоединены олигосахариды. При помощи протеазы папаина антитела можно расщепить на два Fab (англ. fragment antigen binding - антиген-связывающий фрагмент) и один (англ. fragment crystallizable - фрагмент, способный к кристаллизации). В зависимости от класса и исполняемых функций антитела могут существовать как в мономерной форме (IgG, IgD, IgE, сывороточный IgA), так и в олигомерной форме (димер-секреторный IgA, пентамер - IgM). Всего различают пять типов тяжелых цепей (α-, γ-, δ-, ε- и μ-цепи) и два типа легких цепей (κ-цепь и λ-цепь).

Классификация по тяжелым цепям

Различают пять классов (изотипов ) иммуноглобулинов, различающихся:

• последовательностью аминокислот
• молекулярной массой
• зарядом

Класс IgG классифицируют на четыре подкласса (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4), класс IgA - на два подкласса (IgA1, IgA2). Все классы и подклассы составляют девять изотипов, которые присутствуют в норме у всех индивидов. Каждый изотип определяется последовательностью аминокислот константной области тяжелой цепи.

Функции антител

Иммуноглобулины всех изотипов бифункциональны. Это означает, что иммуноглобулин любого типа

• распознает и связывает антиген, а затем
• усиливает уничтожение и/или удаление иммунных комплексов, сформированных в результате активации эффекторных механизмов.

Одна область молекулы антител (Fab) определяет её антигенную специфичность, а другая (Fc) осуществляет эффекторные функции: связывание с рецепторами, которые экспрессированы на клетках организма (например, фагоцитах); связывание с первым компонентом (C1q) системы комплемента для инициации классического пути каскада комплемента.

Специфичность антител

Имеет в виду то, что каждый лимфоцит синтезирует антитела только одной определенной специфичности. И эти антитела располагаются на поверхности этого лимфоцита в качестве рецепторов.

Как показывают опыты, все поверхностные иммуноглобулины клетки имеют одинаковый идиотип: когда растворимый антиген, похожий на полимеризованный флагеллин, связывается со специфической клеткой, то все иммуноглобулины клеточной поверхности связываются с данным антигеном и они имеют одинаковую специфичность то есть одинаковый идиотип.

Антиген связывается с рецепторами, затем избирательно активирует клетку с образованием большого количества антител. И так как клетка синтезирует антитела только одной специфичности, то эта специфичность должна совпадать со специфичностью начального поверхностного рецептора.

Специфичность взаимодействия антител с антигенами не абсолютна, они могут в разной степени перекрестно реагировать с другими антигенами. Антисыворотка, полученная к одному антигену, может реагировать с родственным антигеном, несущим одну или несколько одинаковых или похожих детерминант. Поэтому каждое антитело может реагировать не только с антигеном, который вызвал его образование, но и с другими, иногда совершенно неродственными молекулами. Специфичность антител определяется аминокислотной последовательностью их вариабельных областей.

Клонально-селекционная теория :

1. Антитела и лимфоциты с нужной специфичностью уже существуют в организме до первого контакта с антигеном.
2. Лимфоциты, которые участвуют в иммунном ответе, имеют антигенспецифические рецепторы на поверхности своей мембраны. У B-лимфоцитов рецепторы- молекулы той же специфичности, что и антитела, которые лимфоциты впоследствии продуцируют и секретируют.
3. Любой лимфоцит несет на своей поверхности рецепторы только одной специфичности.
4. Лимфоциты, имеющие антиген, проходят стадию пролиферации и формируют большой клон плазматических клеток. Плазматические клетки синтезируют антитела только той специфичности, на которую был запрограммирован лимфоцит-предшественник. Сигналами к пролиферации служат цитокины, которые выделяются другими клетками. Лимфоциты могут сами выделять цитокины.

Вариабельность антител

Антитела являются чрезвычайно вариабельными (в организме одного человека может существовать до 10 8 вариантов антител). Все разнообразие антител проистекает из вариабельности как тяжёлых цепей, так и лёгких цепей. У антител, вырабатываемых тем или иным организмом в ответ на те или иные антигены, выделяют:

• Изотипическая вариабельность - проявляется в наличии классов антител (изотипов), различающихся по строению тяжёлых цепей и олигомерностью, вырабатываемых всеми организмами данного вида;
• Аллотипическая вариабельность - проявляется на индивидуальном уровне в пределах данного вида в виде вариабельности аллелей иммуноглобулинов - является генетически детерминированным отличием данного организма от другого;
• Идиотипическая вариабельность - проявляется в различии аминокислотного состава антиген-связывающего участка. Это касается вариабельных и гипервариабельных доменов тяжёлой и лёгкой цепей, непосредственно контактирующих с антигеном.

Контроль пролиферации

Наиболее эффективный контролирующий механизм заключается в том, что продукт реакции одновременно служит её ингибитором. Этот тип отрицательной обратной связи имеет место при образовании антител. Действие антител нельзя объяснить просто нейтрализацией антигена, потому что целые молекулы IgG подавляют синтез антител намного эффективнее, чем F(ab")2 -фрагменты. Предполагают, что блокада продуктивной фазы T-зависимого B-клеточного ответа возникает в результате образования перекрестных связей между антигеном, IgG и Fc - рецепторами на поверхности B-клеток. Инъекция IgM усиливает иммунный ответ. Так как антитела именно этого изотипа появляются первыми после введения антигена, то на ранней стадии иммунного ответа им приписывается усиливающая роль.

Что это за плазматические клетки, вырабатывающие антитела, и можно ли плазматическую клетку считать самой главной клеткой иммунной системы?

Что это за плазматические клетки, вырабатывающие антитела? О них уже знали во времена Мечникова или это более позднее открытие?

Антитела

Конечно, более позднее. Это достижения новой иммунологии. Шведская исследовательница Астрид Фагреус в 1948 году предположила, что антитела вырабатываются плазматическими клетками. Окончательно это было доказано известным американским иммунологом Альбертом Кунсом всего 20 лет назад, в 1956 году.

- Нет, нельзя. Главные клетки распознаны еще позже.

- Что же это за клетки?

- Это лимфоциты.

Если не учитывать эритроциты, которые переносят кислород, то все остальные клетки крови имеют белый цвет. Их называют лейкоцитами, то есть белыми клетка ми. Из всех белых клеток 30 процентов относятся к лимфоцитам. Лимфоцит в переводе на русский язык означает «клетка лимфы».

Во всех тканях нашего тела, помимо крови, циркулирует лимфа. По лимфатическим сосудам она поступает в лимфатические узлы, а оттуда собирается в один большой сосуд - грудной проток, который впадает в кровяное русло около самого сердца. В лимфе нет эритроцитов. Только лимфоциты.

Ровно триста лет назад, знаменитый голландец Антони Левенгук создал свой «микроскоп». Первыми объектами его наблюдений были капля дождевой воды и капля крови. Он открыл красные кровяные шарики - эритроциты, которые составляют основную массу клеток крови. Не прошло и сотни лет после этого, как были обнаружены белые клетки крови. Их почти в тысячу раз меньше, чем эритроцитов, но все равно очень много. В грамме крови содержится 4-5 миллиардов эритроцитов и 6-8 миллионов лейкоцитов.

Лейкоциты делятся на две главные группы. Клетки первой группы составляют около 2 / 3 и характеризуются тем, что имеют не круглые, а сегментированные ядра. У клеток второй группы абсолютно круглые ядра, которые занимают большую часть клетки. Первые являются собственно лейкоцитами, а вторые получили название лимфоцитов.

В конце прошлого столетия Мечников обнаружил, что лейкоциты защищают организм, пожирая чужеродные частицы. В отличие от больших тканевых фагоцитов - макрофагов, он назвал их малыми фагоцитами - микрофагами. А вот чем занимаются лимфоциты, стало известно всего 15 лет назад.

Как легко мы перелистываем историю! Триста лет назад открыты первые клетки крови - красные, двести лет назад - лейкоциты, сто лет назад - лимфоциты. Упорный труд, поиски, изобретательность, споры, десять поколений исследователей! А у нас полстраницы печатного текста.

Осмотр

Два миллиона лимфоцитов в каждом грамме крови. Чем они заняты? Этот вопрос задавали себе сотни исследователей. Профессор Джеймс Гоуэнс из Оксфорда, сделавший больше всех других, чтобы обнаружить функции этих клеток, приводит слова известного патолога Арнольда Рича: «Лимфоциты - это флегматичные наблюдатели бурной активности фагоцитов». Таким было одно из распространенных воззрений. Действительно, очень маленькие клетки, 6-8 микрон в диаметре, чуть больше собственного ядра (почти одно ядро!), которые не обладают активной подвижностью, но почти всегда скапливаются вокруг воспалительного очага, в котором работают фагоциты, пожирая все инородное или отмирающее.

Было и другое мнение. Лимфоцитам приписывали функцию питания других клеток. Их даже называли трофоцитами - питающими клетками.

Многие считали, что из лимфоцитов возникают всевозможные другие клетки - соединительнотканные, печеночные, легочные и т. д. «Старая литература, - пишет Гоуэнс, - наполнена противоречивыми доказательствами того, что малые лимфоциты могут превращаться в эритроциты, гранулоциты, моноциты, фибробласты, плазматические клетки и т. д. Один циник как–то заметил, что все клетки, за исключением клеток нервной системы, в то или иное время рассматривались как производные лимфоцитов!»

Лимфоцит действительно таинственная клетка, коль скоро ему удалось сохранить свою тайну перед прозорливостью науки вплоть до 60–х годов XX столетия! В начале 69–х годов появились бесспорные доказательства того, что все специфические реакции иммунитета - выработку антител, отторжение пересаженных тканей или органов, противовирусную защиту - осуществляют лимфоциты.

Разберем это на примере исследований Джеймса Гоуэнса. В те годы у него в Оксфордском университете была малюсенькая лаборатория. В одной из комнаток со старинными полупрозрачными окнами стоял в центре на столе сконструированный им самим станок. Главная часть станка - цилиндр из плексигласа. В цилиндре хитроумно закреплена крыса. На шее у крысы разрез. Через разрез внутрь тела уходит тоненькая прозрачная трубочка. Из трубочки все время капают маленькие белые капли.

Доктор Гоуэнс ввел трубку в главный лимфатический сосуд - в грудной проток - и выкачивает лимфу. Он оставляет крысу без лимфоцитов. После этого он иммунизирует ее чужеродными клетками - эритроцитами барана. Должны выработаться антитела против бараньих эритроцитов. Он исследует кровь крысы раз, другой, третий… Антител нет! Тогда он берет другую безлимфоцитную крысу и возвращает ей в кровь ее лимфоциты. Иммунизирует и обнаруживает нормальное количество антител.

Значит, без лимфоцитов антитела вырабатываться не могут.

Второе исследование. Гоуэнс облучает крысу рентгеновскими лучами. Многие системы страдают после облучения, иммунная система тоже. Животное не вырабатывает антител. Облученной крысе введены эритроциты барана, антител нет. Другой облученной крысе эритроциты барана введены вместе с лимфоцитами от здоровой крысы, антитела есть.

Значит, с лимфоцитами можно передать в другой организм способность вырабатывать антитела. С лимфоцитами переносится и память об антигене. Если эти клетки взять от животного, которого уже иммунизировали эритроцитами барана раньше, то в облученном животном они обеспечат выработку большего количества антител. Так, как если бы мы его иммунизировали повторно.

Третье исследование касается механизма отторжения пересаженных чужеродных тканей. К началу 60–х годов было хорошо известно, что первая пересадка кожи иммунизирует организм и повторный лоскут отторгается вдвое быстрее первого. Но почему? Думали, что это работа антител. Однако сыворотка крови от такого животного, содержащая антитела, если ее ввести другому животному, не ускоряет отторжения пересаженной кожи. А вот лимфоциты ускоряют. Причем точно в два раза.

Значит, это лимфоциты занимаются отторжением пересаженных чужеродных тканей! Без помощи антител. Сами, своими «руками». Такие лимфоциты, которые после первого контакта с чужеродным антигеном специально нацелены против него, стали называть сенсибилизированными лимфоцитами. Они да антитела - вот два главных типа оружия иммунитета.

Глава 5. АНТИТЕЛА. B-ЛИМФОЦИТЫ

Глава 5. АНТИТЕЛА. B-ЛИМФОЦИТЫ

АНТИГЕН

Антиген - любая молекула (соединения разной химической природы: пептиды, углеводы, полифосфаты, стероиды), которая потенциально может быть распознана иммунной системой организма как чужеродная («не своя»). Таким образом, антиген - молекула, несущая признаки генетически чужеродной информации. В качестве синонима применяют также термин «иммуноген», подразумевая, что иммуноген (антиген) способен вызвать ответные реакции иммунной системы, в итоге приводящие к развитию приобретённого иммунитета. Способность вызывать такие ответные реакции (т.е. образование антител и сенсибилизацию - приобретение организмом чувствительности к антигену) присуща не всей молекуле антигена, а только особой её части, которую называют антигенной детерминантой, или эпитопом. У большинства белковых антигенов такую детерминанту образует последовательность из 4-8 аминокислотных остатков, а у полисахаридных антигенов - 3-6 гексозных остатков. Число детерминант у одного вещества может быть различным. Так, у яичного альбумина их не менее 5, у дифтерийного токсина - минимум 80, у тиреоглобулина - более 40. Различают экзогенные (поступающие в организм извне) и эндогенные антигены (аутоантигены - продукты собственных клеток организма), а также антигены, вызывающие аллергические реакции, - аллергены.

АНТИТЕЛА

Антитело - особый растворимый белок с определённой биохимической структурой - иммуноглобулин, который присутствует

в сыворотке крови и других биологических жидкостях и предназначен для связывания антигена. В энциклопедическом словаре медицинских терминов указано следующее определение: антитела (анти- + тела) - глобулины сыворотки крови человека и животных, образующиеся в ответ на попадание в организм различных антигенов (принадлежащих бактериям, вирусам, белковым токсинам и др.) и специфически взаимодействующие с этими антигенами.

. Антитела связывают антиген. Существенным и уникальным свойством антител, отличающим их даже от TCR, служит их способность связывать антиген непосредственно в том виде, в каком он проникает в организм (в нативной конформации). При этом времени на предварительную метаболическую обработку антигена не требуется, поэтому антитела - очень важный фактор безотлагательной защиты организма (например, от сильных ядов, при укусах змей, скорпионов, пчёл и др.).

. Конкретное антитело синтезируется исключительно B-лимфоцитами одного клона. При дифференцировке каждый B-лимфоцит и его дочерние клетки (клон В-лимфоцитов) приобретают способность синтезировать единственный вариант антител с уникальной структурой антигенсвязывающего центра молекулы - т.е. имеет место клональность биосинтеза иммуноглобулинов .

. Множество антител. В то же время вся совокупность В-лимфоцитов организма способна синтезировать огромное разнообразие антител - около 10 6 -10 9 , однако точно установить, сколько разных антигенов потенциально способно связать одно антитело, принципиально невозможно.

. Иммуноглобулины. Все антитела - белки, имеющие глобулярную вторичную структуру, поэтому молекулы этого типа и названы иммуноглобулинами. Антитела принадлежат к суперсемейству иммуноглобулинов (рис. 5-1), куда входят также белки MHC, некоторые молекулы адгезии , TCR, отдельные рецепторы цитокинов [для ИЛ-1 типов I и II, ИЛ-6, M-CSF, c-kit (CD117)], рецепторы для Fc-фрагментов иммуноглобулинов (FcαR, FcγRI, FcγRII), мембранные молекулы CD3, CD4, CD8, CD80 и др.

Рис. 5-1. Структура белков суперсемейства иммуноглобулинов: а - молекула MHC-I состоит из a -цепи, внемембранная её часть связана с короткой цепью Р 2 -микроглобулина; б - молекула MHC-II состоит из двух субъединиц: более длинной a -цепи и р -цепи. Часть каждой цепи выступает над поверхностью клеточной мембраны, цепь содержит трансмембранный участок и небольшой фрагмент в цитоплазме; в - антигенсвязывающая область молекулы TCR состоит из двух цепей: a и р. Каждая цепь представлена двумя внеклеточными иммуноглобулинподобными доменами (вариабельным на NH конце и константным), стабилизированными при помощи S-S связей, и цитоплазматическим стабильным COOH-концом. SH-группа, присутствующая в цитоплазматическом фрагменте a -цепи, может взаимодействовать с мембранными или цитоплазматическими белками; г - мономер молекулы IgM, встроенный в плазматическую мембрану B-лимфоцитов, это рецептор для антигена. Разнообразие специфичностей TCR и иммуноглобулинов обеспечивается возможностью сайтспецифической рекомбинации множества различных генных сегментов, кодирующих отдельные фрагменты молекулы

ИММУНОГЛОБУЛИНЫ

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 связями. Принципиальная схема строения молекулы иммуноглобулина (мономер) приведена на рис. 5-2.

Рис. 5-2. Молекула иммуноглобулина: 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)

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 иммуноглобулинов классов G (IgG) и A (IgA) имеется несколько подклассов: IgG1, IgG2, IgG3, IgG4 и IgA1,

IgA2.

. Изотипы. Классы и подклассы иммуноглобулинов иначе называют изотипами, они одинаковы у всех особей данного вида.

. Аллотипы. Индивидуальные аллельные варианты иммуноглобулинов в пределах одного изотипа называются аллотипами.

. Идиотипы. По антигенной специфичности антитела относят к различным идиотипам.

Структура иммуноглобулинов

. Фрагменты молекулы иммуноглобулина (см. рис. 5-2). Путём протеолитического расщепления молекулы иммуноглобулина с последующей ионообменной хроматографией можно получить 3 фрагмента: 1 Fc-фрагмент и 2 Fab-фрагмента.

◊ Fab-фрагменты (Fragment, antigen binding - антигенсвязывающие фрагменты) - 2 одинаковых фрагмента, сохраняющих способность связывать антиген.

◊ Fc-фрагмент (Fragment, constantorcrystallizable - константный фрагмент) - непарный, легко кристаллизуется. Fc-фрагменты иммуноглобулинов в пределах одного изотипа строго идентичны (независимо от специфичности антител к антигенам). Они обеспечивают взаимодействие 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 (СН1, СН2, СН3). 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. Функциональ-

ные 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: HVR1,

HVR2, HVR3 (HVR - от Hypervariable Region). Другое

обозначение - CDR (Complementarity Determining Region), т.е. области молекулы иммуноглобулина, определяющие её комплементарность антигену.

♦ Каркасные области. Промежутки между гипервариабельными участками обозначают как FR (Framework Regions), т.е. каркасные области: FR1, FR2, FR3 и FR4. Помимо чисто «скелетной», для них характерны и другие функции, не связанные с распознаванием антигенов: FRучастки 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 FR-участках V-доменов содержатся одинаковые аминокислотные последовательности, что рассматривают как молекулярное свидетельство 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 количество 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 B-лимфоцитов - BCR. Трансмембранные формы всех классов иммуноглобулинов (включая IgM и IgA) - мономеры.

◊ Связанная. Иммуноглобулины, за Fc-конец связанные с Fс-рецепторами клеток (макрофагами, нейтрофилами, эозинофилами). Все антитела, кроме IgE, могут фиксироваться 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, 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.

ГЕНЫ ИММУНОГЛОБУЛИНОВ

Зародышевые гены иммуноглобулинов. У здорового человека B-лимфоциты в течение жизни создают несколько миллионов вариантов антител, связывающих разные антигены (потенциально 10 16 антигенов). Никакой геном физически не несёт столько различных структурных генов. Количество наследуемого от родителей генетического материала (ДНК), определяющего биосинтез антител, не так уж и велико - немногим более 120 структурных генов. Это наследуемое множество генов - зародышевые гены иммуноглобулинов (зародышевая конфигурация генов).

Гены вариабельных доменов

Во всех соматических клетках, включая СКК, гены иммуноглобулинов находятся именно в зародышевой конфигурации, где гены V-участков представлены в виде отдельных сегментов, расположенных друг относительно друга на значительном расстоянии и сгруппированных в несколько кластеров: собственно V (вариабельный), J (связующий), а у тяжёлых цепей также D (от англ. Diversity - разнообразие). Процесс формирования разнообразия структурных генов для миллионов вариантов V-участков молекул иммуноглобулинов продолжается в течение всей жизни в процессе дифференцировки B-лимфоцитов и является запрограммированнослучайным. В его основе лежат 3 механизма, свойственные только генам антигенсвязывающих молекул (иммуноглобулин, TCR): соматическая рекомбинация, неточность связей между V, D и J сегментами и гипермутагенез.

. Соматическая рекомбинация. На самом раннем этапе дифференцировки лимфоцитов начинается сложный генетический процесс объединения сегментов ДНК, предназначенных для кодирования разных частей антигенсвязывающих молекул - V- и C-доменов. В непрерывную последовательность ДНК соединяются по одному сегменту из V-, D- и J-областей, при этом в каждом отдельном B-лимфоците возникает уникальная комбинация VDJ для тяжёлой цепи и VJ - для лёгкой цепи. Вся остальная ДНК зародышевого гена выбрасывается из генома в виде кольцевых ДНК.

◊ Число возможных комбинаций можно подсчитать. Для к-цепи из 40 V-сегментов и 5 J-сегментов может получиться 40x5=200 вариантов V-области; для λ-цепи - 30x4=120 вариантов; всего для лёгких цепей 320 вариантов; для тяжёлой цепи 50V×30D×6J=9000 вариантов антигенсвязывающих областей. В целой молекуле иммуноглобулина разные лёгкие и тяжёлые цепи объединяются в тетрамер также случайным образом (по крайней мере теоретически). Число случайных сочетаний из 320 и 9000 - около 3x10 6 .

◊ Рекомбиназы. Рекомбинацию ДНК генов иммуноглобулинов катализируют специальные ферменты - рекомбиназы (RAG1 и RAG2 - Recombination-Activating Gene). Они же катализируют рекомбинацию ДНК генов TCR в T-лимфоцитах, т.е. рекомбиназы - уникальные ферменты лимфоцитов. Однако в В-лимфоцитах эти ферменты не «трогают» гены TCR, а в T-лимфоцитах «обходят» гены иммуноглобулинов. Следовательно, до начала процесса перестройки ДНК в клетке уже существуют регуляторные белки, различные у T- и В-лимфоцитов.

. Неточность связи V-D-J. Под неточностью связей сегментов V, D и J понимают тот факт, что при их формировании происходит добавление лишних нуклеотидов. Выделяют 2 типа таких нуклеотидов: P- и N-нуклеотиды.

◊ Нуклеотиды P (от англ. Palindromic sequences - зеркальные последовательности) возникают на концах каждого из сегментов, вовлечённых в рекомбинацию, при вырезании одноцепочечных петель ДНК (шпилек) и «достройки хвостов» ферментами репарации ДНК.

◊ Нуклеотиды N (от англ. Nontemplate-encoded - нематрично кодируемые), характерные только для тяжёлых цепей, случайным образом пристраиваются к концам V-, D- и J-сегментов специальным ферментом - терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой.

◊ С учётом присоединения N- и P-нуклеотидов число вариантов антигенсвязывающих областей целых молекул иммуноглобулинов составляет порядка 10 13 . Если учесть аллельные варианты V-, D- и J-сегментов, то мыслимое разнообразие составит около 10 16 (в действительности это

число меньше, поскольку в организме нет такого количества лимфоцитов). ◊ В 2/3 случаев «платой» за попытки увеличить разнообразие антигенсвязывающих областей антител служит непродуктивная рекомбинация генов, т.е. сдвиг рамки считывания или генерация стоп-кодонов, делающий невозможной трансляцию белка.

. Гипермутагенез - запланированное повышение частоты точечных мутаций - отличает гены иммуноглобулинов даже от генов TCR. Гипермутагенез имеет место только в В-лимфоцитах во время иммуногенеза (т.е. после состоявшегося распознавания антигена и начавшегося иммунного ответа) в зародышевых центрах лимфоидных фолликулов периферических лимфоидных органов и тканей (лимфатических узлов, селёзенки, диффузных скоплений). Частота точечных мутаций в V-генах иммуноглобулинов достигает 1 нуклеотида из 1000 на 1 митоз (т.е. каждый второй В-лимфоцит клона в зародышевом центре приобретает точечную мутацию в V гене иммуноглобулинов), тогда как для всей остальной ДНК она на 9 порядков ниже.

Гены константных доменов

Структурные гены константных доменов полипептидных цепей иммуноглобулинов расположены в тех же хромосомах, что и V-, D- и J-гены, к 3"-концу от J-сегментов.

. Лёгкая цепь (рис. 5-4). Для лёгких κ- и λ-цепей существует по одному C-гену - Сκ и Cλ «Стыковка» нуклеотидного кода для V- и C-доменов лёгких цепей происходит на уровне не ДНК, а РНК - по механизму сплайсинга первичного транскрипта РНК.

. Тяжёлая цепь (рис. 5-5) каждого изотипа иммуноглобулинов также кодируется отдельным C-геном. У человека такие гены расположены в следующем порядке, считая от J-сегмента к 3"-концу: Сμ, Сδ, Сγ3, Сγ1, ψСε (псевдоген е-цепи), Cα1, Cγ2, Cγ4, Сε, Сα2.

Завершившие лимфопоэз В-лимфоциты (независимо от специфичности их BCR) экспрессируют иммуноглобулины только классов IgM и IgD. При этом мРНК транскрибируется в виде непрерывного первичного транскрипта с перестроенных генов VDJ и

Рис. 5-4. Структура генов и синтез белка лёгкой (L) цепи иммуноглобулинов

Сμ/Cδ. При этом ДНК остальных C-генов других изотипов остаётся нетронутой. В результате альтернативного сплайсинга первичного транскрипта образуются мРНК отдельно для тяжёлых цепей IgM и IgD, которые и транслируются в белок. Этим процессом заканчивается полноценный лимфопоэз В-клеток.

Рис. 5-5. Структура генов тяжёлой (Н) цепи иммуноглобулинов человека

Переключение изотипов иммуноглобулинов

В процессе развития иммунного ответа, т.е. после распознавания антигена и под действием определённых цитокинов и молекул клеточной мембраны T-лимфоцитов, может происходить переключение синтеза иммуноглобулинов на другие изотипы - IgG, IgE, IgA (рис. 5-6).

Переключение изотипа тяжёлой цепи тоже идёт по механизму рекомбинации ДНК: к ранее перестроенной комбинации VDJ присоединяется один из C-генов тяжёлой цепи (Су1, Су2, Су3,

Рис. 5-6. Рекомбинация ДНК при переключении изотипов иммуноглобулинов В-лимфоцитов

Сγ4, Сε, Сα1 или Сα2). При этом происходит разрыв ДНК по областям переключения - SR (Switch Region), расположенным в интронах перед каждым C-геном (за исключением С5).

ДНК C-генов, предшествующих задействованному, элиминируется в виде кольцевых структур, поэтому дальнейшее переключение изотипа возможно только по направлению к 3"-концу.

Установлено, что гипермутагенез и переключение изотипов иммуноглобулинов катализируются ферментом AID (Activation Induced Cytidine Deaminase - цитидиндезаминаза, индуцируемая активацией). Этот фермент специфически атакует экспрессированные гены иммуноглобулинов и отщепляет аминогруппы от цитидиновых оснований, которыми богата ДНК этих генов. В результате этого цитозины преобразуются в урацилы, которые распознаются и вырезаются ферментами репарации ДНК. Последующая цепочка каталитических реакций с участием более чем десяти различных белков (эндонуклеаз, фосфатаз, полимераз, гистонов и т.п.) приводит к появлению мутаций (в случае гипермутагенеза) или двуцепочечных разрывов в ДНК по областям переключения изотипов.

B-ЛИМФОЦИТЫ

Рецептор BCR

Молекула иммуноглобулина способна связывать антиген как в растворе, так и в иммобилизованном на клетке состоянии, однако для формирования полноценного BCR необходимы ещё 2 полипептида, называемые (на наш взгляд, неудачно) (CD79a) и Igβ (CD79b). Все 6 полипептидных цепей BCR представлены на рис. 5-7.

Внеклеточный домен. Igαи Igβ имеют по одному внеклеточному домену, которым они прочно, но нековалентно связаны с тяжёлыми цепями иммуноглобулинового компонента BCR.

Цитоплазматические активирующие последовательности. В ци-

топлазматических участках Igαи Igβ присутствуют характерные последовательности аминокислотных остатков, называемые иммунорецепторными тирозинсодержащими активирующими после-

Рис. 5-7. Антигенраспознающий рецептор В-лимфоцита

довательностями (ITAM - Immunoreceptor Tyrosine-based Activation Motif); такие же последовательности присутствуют в проводящих сигнал компонентах антигенраспознающего рецептора T-клеток.

Активация B-лимфоцита. Для эффективной активации В-клетки через BCR необходима перекрёстная «сшивка» антигеном нескольких BCR. Для этого молекула антигена должна иметь повторяющиеся эпитопы на своей поверхности. Дальнейшие события активации B-лимфоцита показаны на рис. 5-8.

Рис. 5-8. Активация В-лимфоцита: внутриклеточная передача «сигнала»

Корецепторный комплекс

Повторяющиеся эпитопы есть не на каждом антигене; следовательно, не каждый антиген способен вызвать перекрёстную сшивку BCR, поэтому необходим дополнительный корецепторный комплекс мембранных молекул, связанных с внутриклеточными системами проведения сигналов. В этот комплекс входят по крайней мере 3 мембранные молекулы: CD19, CR2 (CD21) и TAPA-1 (CD81).

. CR2 - рецептор для компонентов комплемента. Связывание CR2 с продуктами деградации компонентов комплемента (C3b, C3dg и C3bi) вызывает фосфорилирование молекулы CD19 ассоциированными с BCR киназами.

. CD19. Фосфорилированная молекула CD19 активирует фосфатидилинозит-3-киназу и молекулу Vav (многофункциональная молекула проведения внутриклеточных сигналов), которые усиливают активационные реакции, инициированные BCR (рис. 5-8).

. TAPA-1 (Target of AntiProliferative Antibody - мишень для антипролиферативных антител) в мембране физически примыкает к CD19 и CR2, но роль этой молекулы неизвестна.

Дифференцировка B-лимфоцитов

Дифференцировка B-лимфоцитов из общей лимфоидной клетки-предшественника (потомка СКК) включает несколько этапов и процессов: перестройку генов иммуноглобулинов и интеграцию их продуктов в клеточный метаболизм; экспрессию генов молекул, обеспечивающих проведение сигнала с BCR внутрь клетки; экспрессию генов мембранных молекул, необходимых для взаимодействия с другими клетками (в первую очередь с T-лимфоцитами и ФДК); экспрессию на мембране корецепторных комплексов.

В 2-лимфоциты

Этапы В2-лимфопоэза. В лимфопоэзе B2-лимфоцитов выделяют 6 этапов: общая лимфоидная клетка-предшественник → ранняя про-B-клетка → поздняя про-B-клетка → большая пре-B-клетка → малая пре-B-клетка → незрелая B-клетка → зрелая наивная B-клетка (выходит из костного мозга в периферическую лимфоидную ткань).

. Общая лимфоидная клетка-предшественник. Экспрессирует несколько молекул адгезии, обеспечивающих оседлость в течение необходимого периода времени в костном мозге, среди них VLA-4 (Very Late Activation Antigen-4 - очень поздний активационный антиген 4), лигандом которого на клетках стромы служит VCAM-1 (Vascular Cell Adhesion Molecule-1 - молекула-1 адгезии к стенке сосуда).

. Ранняя про-B-клетка. Происходит D-J-рекомбинация в генах тяжёлых цепей, на обеих гомологичных хромосомах. В этой стадии (помимо молекул адгезии) экспрессируется рецептор c-kit (CD117) для первого фактора роста - мембранной молекулы клеток стромы SCF - фактора стволовых клеток. Это взаимодействие обеспечивает прохождение предшественниками B-лимфоцитов, ещё не поделёнными на клоны по антигенраспознающим рецепторам, необходимого числа митозов.

. Поздняя про-B-клетка. Происходит V-DJ-рекомбинация генов иммуноглобулинов сначала на одной из гомологичных хромосом. Если она окажется непродуктивной, то та же попытка повторяется на второй гомологичной хромосоме. Если перестройка на первой хромосоме продуктивна, вторая хромосома использована не будет. При этом образуется так называемое аллельное исключение (allelic exclusion), когда белок иммуноглобулина будет кодироваться только одной хромосомой, а вторая будет «молчащей». В результате индивидуальный лимфоцит сможет продуцировать антитела только одной специфичности. Этот процесс закладывает основу клональности антител.

◊ Как только в клетке происходит трансляция полипептида тяжёлой цепи, он экспрессируется на мембране в составе так называемого пре-B-рецептора. Этот рецептор содержит суррогатную лёгкую цепь (идентичную для всех клеток на этой стадии созревания), μ-цепь, Igα, Igβ. Экспрессия этого рецептора транзиторна, но абсолютно необходима для правильной дифференцировки B-лимфоцитов.

◊ Поздняя про-B-клетка также экспрессирует рецепторы для цитокинов ИЛ-7 и SDF-1, секретируемых клетками стромы и вызывающих пролиферацию и накопление «полуклонов» B-лимфоцитов (про-B- и больших пре-B-клеток) с уже известной специфичностью по тяжёлой цепи, но ещё неизвестной - по лёгкой. Это тоже увеличивает разнообразие молекул иммуноглобулинов: с одной и той же тяжёлой цепью будет сочетаться больше разных вариантов лёгких цепей.

. Пре-B-клетка. Происходит V-J-перестройка генов иммуноглобулинов лёгких цепей (сначала одной из цепей - к или λ) на одной из гомологичных хромосом. Если продуктивная

перестройка не получится с первой попытки, предпринимаются следующие. Клетки, в которых не произошло ни одной продуктивной перестройки в генах тяжёлых и лёгких цепей, погибают по механизму апоптоза - явления, весьма распространённого среди лимфоцитов.

. Незрелый B-лимфоцит. Уже экспрессируется дефинитивный BCR, содержащий L-цепь, μ-цепь, + Igα + Igβ.

Развитие толерантности. На стадии незрелых B-лимфоцитов начинается также развитие толерантности к собственным тканям организма. Для этого предусмотрено 3 механизма: делеция аутореактивных клонов, ареактивность (анергия) и «редактирование» рецептора по антигенной специфичности. Первые два механизма продолжают действовать и по выходе лимфоцита из костного мозга, т.е. при контакте со значительными количествами аутоантигенов.

. Негативная селекция и делеция клонов. Связывание мембранного антигена незрелой B-клеткой (экспрессирует IgM-BCR, но ещё отсутствует IgD-BCR) служит сигналом для её апоптоза. Таким образом, удаляются B-лимфоциты, несущие антигенраспознающие рецепторы, способные связывать белки собственных тканей.

. Ареактивность. Связывание незрелым B-лимфоцитом растворимого антигена не приводит к апоптозу, но лимфоцит приходит в состояние анергии, т.е. проведение сигнала от BCR блокируется и лимфоцит не активируется.

. «Редактирование» рецепторов происходит в небольшой части незрелых B-клеток, в которых ещё активны рекомбиназы. В этих клетках связывание IgM (в составе BCR на поверхности незрелого B-лимфоцита) с антигеном служит сигналом для запуска повторного процесса рекомбинации VDJ/VJ: образующаяся при этом новая комбинация может не быть аутореактивной.

Маркёр завершения B-лимфопоэза (образования зрелого наивного B-лимфоцита, готового к выходу из костного мозга в периферическую лимфоидную ткань) - одновременная экспрессия (коэкспрессия) на мембране двух типов BCR - с IgM и IgD (причём IgD больше, чем IgM).

Иммуногенез. После распознавания антигена и вступления в иммунный ответ B-лимфоцит проходит в фолликулах перифери-

ческих лимфоидных органов и тканей ещё 2 стадии додифференцировки, которые называют иммуногенезом.

. Пролиферация центробластов. В фолликулах В-лимфоциты, называемые на этой стадии центробластами, интенсивно пролиферируют, удерживаясь связями со специальными клетками стромы - ФДК.

На ФДК экспрессированы необычные рецепторы для иммуноглобулинов (FcR), способные продолжительное время (дни, месяцы, возможно, годы) удерживать комплекс антиген-антитело на мембране клетки.

В центробластах происходит возрастание аффинности антител в отношении специфического антигена по механизму гипермутагенеза, так как на этом этапе дифференцировки выживают те из вновь мутировавших В-лимфоцитов, у которых аффинность BCR к антигенам на поверхности ФДК выше. Этот процесс также называют положительной селекцией.

. Выбор дальнейшего пути. На второй стадии иммуногенеза происходит выбор: В-лимфоцит становится либо В-лимфоцитом памяти (дифференцированный резерв на случай повторной встречи с тем же антигеном), либо плазмоцитом (плазматической клеткой) - продуцентом больших количеств секретируемых антител заданной специфичности (рис. 5-9).

Описанный путь дифференцировки характерен для В2-лимфоцитов, которые давно известны и хорошо изучены. Однако существует и другая субпопуляция В-лимфоцитов - В1-клетки.

В1-лимфоциты

В свою очередь, В1-лимфоциты подразделяют на 2 субпопуляции: В1а (CD5 +) и В1b (CD5 -).

Предшественники В1а-лимфоцитов ещё в эмбриональном периоде мигрируют из эмбриональных кроветворных тканей (фетальной печени, оментума) в брюшную и плевральную полости, где существуют как самоподдерживающаяся популяция. В1b-лимфоциты тоже происходят из фетальных предшественников, однако их пул у взрослых может частично пополняться за счёт костного мозга.

Рис. 5-9. B-лимфоцит и плазматическая клетка. Активированные B-лимфоциты, т.е. распознавшие антигенную детерминанту и получившие сигнал к пролиферации, пролиферируют и заканчивают дифференцировку. Совокупность окончательно дифференцированных потомков B-лимфоцита составляет клон плазматических клеток, синтезирующих антитела (иммуноглобулины) именно к этой и только к этой антигенной детерминанте. Обратите внимание, что в цитоплазме плазматической клетки присутствует большое количество синтезирующего белок аппарата - гранулярной эндоплазматической сети. На мембране плазмоцита уже нет ни иммуноглобулинов, ни MHC-II. В этих клетках прекращается переключение классов иммуноглобулинов и гипермутагенез, а образование антител уже не зависит от контакта с антигеном и взаимодействий с T-лимфоцитами

Предназначение B1-лимфоцитов - быстрый ответ на проникающие в организм широко распространённые патогены (преимущественно бактерии). Многие В1-клетки продуцируют антитела, специфичные к аутоантигенам.

Разнообразие антител, продуцируемых B1-лимфоцитами, невелико; как правило, они полиспецифичны. Почти все антитела В1-клеток принадлежат к IgM-изотипу и распознают наиболее распространённые соединения клеточных стенок бактерий.

Преобладающая часть нормального IgM сыворотки крови здорового человека синтезируется именно B1-лимфоцитами.

Предполагают, что основная функция B1a-лимфоцитов - секреция естественных антител, а B1b-лимфоцитьI участвуют в продукции антител к Т-независимым антигенам.

Естественные (конститутивные) иммуноглобулины

Ещё до встречи с каким бы то ни было внешним антигеном в крови и биологических жидкостях организма уже присутствуют так называемые естественные (конститутивные) иммуноглобулины. У взрослых большинство из них относится к IgG, но есть также IgA и IgM. Эти антитела способны связывать множество антигенов (как эндо-, так и экзогенных). Мишенями для нормальных иммуноглобулинов могут быть другие иммуноглобулины; TCR; молекулы CD4, CD5 и HLA-I; FcγR; лиганды для молекул межклеточной адгезии и др.

Функции естественных антител. Есть основания полагать, что естественные антитела выполняют ряд весьма важных для здоровья организма функций: «первая линия обороны» против патогенов; удаление из организма погибших клеток и продуктов катаболизма; презентация антигенов T-лимфоцитам; поддержание гомеостаза аутоиммунной реактивности; противовоспалительное действие (нейтрализация суперантигенов; индукция синтеза противовоспалительных цитокинов; аттенуация комплементзависимого повреждения тканей и др.).

Антитела или иммуноглобулины – это растворимые гликопротеины человека и теплокровных животных, присутствующие в сыворотке крови (составляют около 30% всех белков сыворотки крови), тканевой и других жидкостях или на мембране некоторых типов клеток (В-лимфоциты) и участвующие в распознавании и нейтрализации чужеродных объектов (антигенов), например, бактерий и вирусов. Иммуноглобулины специфично распознают антигены, связываясь с определённым эпитопом – характерным фрагментом поверхности или линейной аминокислотной последовательностью антигена. Впервые они были обнаружены в 1890 г. Берингом и Китасато. Различают поликлональные (производятся разными клетками) и моноклональные (потомки одной клетки) антитела.

К свойствам антител относят:

• аффинность – сродство к антигену, сила взаимодействия антитела с антигеном. Определяется через K A или K D . Высокоаффинные антитела имеют K D ≈ 10 9 -10 11 M -1
• специфичность – взаимодействие антитела с определенным эпитопом антигена
• бифункциональность – распознавание и связывание антигена, и выполнение эффекторных функций

В связи с этим, антитела, выполняющие антиген-распознающую, антиген-связывающую и ряд эффекторных функций, являются важнейшим фактором специфического гуморального иммунитета (Табл.1).

Табл.1. Классификация антител млекопитающих в зависимости от выполняемых эффекторных функций, строения и аминокислотного состава тяжёлых цепей.

Виды антител и их синтез.

Синтез молекул иммуноглобулинов осуществляется в плазматических клетках. Тяжелые и легкие цепи молекулы синтезируются на разных хромосомах и кодируются разными наборами генов. Динамика выработки антител в ответ на антигенный стимул зависит от того, впервые или повторно организм сталкивается с данным антигеном. При первичном иммунном ответе появлению антител в крови предшествует латентный период продолжительностью 3-4 дня. Первые образующиеся иммуноглобулины принадлежат к lgM. Затем количество антител резко возрастает и происходит переключение синтеза с lgM- на lgG-антитела. Максимум содержания антител в крови приходится на 7-11-е сутки, после чего их количество постепенно снижается. Для вторичного иммунного ответа характерны укороченный латентный период, более быстрое нарастание титров антител и большее их максимальное значение. Характерно образование сразу lgG-антител. Способность к иммунному ответу по вторичному типу сохраняется в течение многих лет и представляет собой проявление иммунологической памяти, примерами которой может служить иммунитет против кори и оспы.

Выделение антител и их очистка.

Различают неспецифические и специфические методы выделения антител. К неспецифическим относят методы фракционирования иммунных сывороток, в результате которых получают фракции, обогащенные антитела, чаще всего фракцию lgG-антител. К ним относятся высаливание иммуноглобулинов сульфатом аммония или сернокислым натрием, осаждение иммуноглобулинов спиртом, методы препаративного электрофореза и ионообменной хроматографии и гель-хроматографии. Специфическая очистка основана на выделении антител из комплекса с антигеном и приводит к получению иммуноглобулинов одной специфичности, но гетерогенных по физико-химическим свойствам. Процедура состоит из следующих этапов: получение специфического преципитата (комплекса антиген - антитело) и отмывка его от остальных компонентов сыворотки; диссоциация преципитата; отделение антител от антигена на основе различий в их молекулярной массе, заряде и других физико-химических свойств. Для специфического выделения антител широко используют иммуносорбенты - нерастворимые носители, на которых фиксирован антиген. В этом случае процедура получения иммуноглобулинов значительно упрощается и включает пропускание иммунной сыворотки через колонку с иммуносорбентом, отмывку иммуносорбента от не связавшихся белков сыворотки, элюцию фиксированного на иммуносорбенте антитела при низких значениях рН и удаление диссоциирующего агента путем диализа.

Компания Биалекса производит и продаёт высокочувствительные , для in vitro диагностики и научных исследований. В нашем каталоге, включающем более 300 наименований, Вы найдёте полный ассортимент продуктов по следующим направлениям иммунодиагностики: сердечно-сосудистые заболевания, ветеринария, гормоны, иммунология, инфекционные и вирусные заболевания, свёртывание крови, анемия, фертильность и репродукция.

Рекомендованные пары антител проходят предварительную стадию тестирования с клиническими образцами. Антитела и антигены надёжно работают в целом ряде иммунохимических методов, таких как: прямой и непрямой иммуноанализ (ELISA), иммуноанализ сэндвич-типа, вестерн-блоттинг, иммунопреципитация, иммунохроматография, иммунофлуоресценция и иммуноцитохимическое окрашивание.

Несмотря на многообразные неспецифические механизмы иммунной защиты организма, он не мог бы быть надежно защищен от антигенов, если бы не существовали механизмы специфической иммунной защиты, поскольку антигены эволюционировали параллельно с эволюцией иммунной системы и выработали ряд механизмов, позволяющих некоторым из них

Ø избегать прямого контакта с фагоцитами (резко изменив пространственную структуру своих поверхностных рецепторов)

Ø полностью избежать активации системы комплемента по альтернативному пути

Ø либо после активации системы комплемента по альтернативному пути и образования на поверхности патогена опсонизирующего фагоцитоз фактора С3b все равно не фагоцитироваться фагоцитами.

Эволюционным предкам человека необходимо было выработать механизмы, которые служили бы для защиты от каждого конкретного микроорганизма, как бы много таких микроорганизмов ни было. Формирование таких механизмов было обеспечено благодаря развитию специфических средств иммунной защиты. Такие специфические средства иммунной защиты могут обеспечиваться

Антитела (иммуноглобулины) представляют собой белковые молекулы , которые строго специфически взаимодействуют с определенными антигенами и

Ø либо непосредственно их обезвреживают,

Ø либо облегчают последующий фагоцитоз антигенов фагоцитами,

Ø либо активируют систему комплемента по классическому пути, в результате чего образуется мембранноатакующий комплекс, вызывающий повреждение антигена.

Несмотря на большое разнообразие антител, все они имеют общий план строения. В частности, в основе антител лежит Y-образная молекула , состоящая из четырех цепей : двух легких и двух тяжелых . Тяжелые цепи более длинные и занимают центральное положение в молекуле, а легкие цепи относительно короткие и прикрепляются снаружи к верхним участкам (N-концевым участкам) тяжелых цепей, тогда как нижние участки тяжелых цепей (С-концевые участки) образуют "хвост" молекулы. Тяжелые цепи соединены между собой и с легкими цепями с помощью дисульфидных связей (S-S-связей). Антигенраспознающими участками антитела являются верхние его плечи , образованные верхними (N-концевыми) частями легкой и тяжелой цепей.

Рис. Структура иммуноглобулина G

В антигенраспознающих участках тяжелой и легкой цепей молекулы антитела, в свою очередь, различают:

Ø 3 последовательно расположенные гипервариабельные области (CDR-области, от англ. Complementarity Determining Regions), эти области определяют специфичность антител, их аминокислотный состав сильно варьирует у различных антител. Именно эти области тяжелой и легкой цепей специфически (по принципу стереохимического соответствия) взаимодействуют с определенными антигенами. Причем антиген оказывается расположенным внутри плеча определенного антитела, т.е. окружен, с одной стороны гипервариабельными областями легкой, а с другой – тяжелой цепей. В гипервариабельных областях легких цепей обнаруживается большое количество аминокислотных остатков глицина, обуславливающих гибкость этих участков полипептидной молекулы. Существует предположение, согласно которому специфичность к антигену обеспечивается гипервариабельными участками тяжелой цепи, а "тонкая настройка" достигается благодаря хорошей конформационной гибкости легкой цепи

Ø и соединяющие эти гипервариабельные области промежуточные пептидные последовательности (аминокислотный состав которых мало отличается у разных антител), называемые каркасными областями (framework-областями). Каркасные области обеспечивают не только связь между гипервариабельными областями внутри цепи, но взаимодействие с каркасными участками вариабельного домена другой цепи (между вариабельными доменами легкой и тяжелой цепей).

Хвост молекулы антитела, образованный нижними (С-концевыми) частями двух тяжелых цепей, не обладает специфичностью (в молекулах антител, относящихся к одному классу, концевые части тяжелых цепей имеют сходное строение) и ответственен за связывание с рецепторами собственных клеток организма. Следовательно, у каждой молекулы антитела имеется как минимум:

ü два антигенраспознающих и соответственно антигенсвязывающих участка, соответствующих плечам молекулы и называемых Fab-фрагментами (от англ. fragment antigen binding)

ü и один неспецифичный фрагмент, обеспечивающий взаимодействие антитела с рецепторами собственных клеток организма и соответствующий хвосту молекулы антитела, образованному дистальными частями тяжелых цепей (т.н. Fc-фрагмент , получивший название от англ. fragment crystallizable).

В тяжелых цепях молекулы антител у места перехода плечей в хвост (т.е. в области "шейки" молекулы) содержится большое количество аминокислотных остатков пролина, что обеспечивает конформационную гибкость молекулы и необходимо для лучшего взаимодействия с антигенными детерминантами, находящимися на поверхности клеток. Область тяжелых цепей, соответствующая переходу плеча тяжелой цепи в хвост и обладающая высокой конформационной гибкостью, называется шарнирной областью антитела.

В зависимости от особенностей строения (аминокислотной последовательности) константных областей тяжелых цепей , молекулы иммуноглобулинов (Ig) классифицируются на 5 классов (или изотипов):

ü А (в их состав входят тяжелые цепи a-типа),

ü G (в их состав входят тяжелые цепи g-типа),

ü M (в их состав входят тяжелые цепи m-типа),

ü D (в их состав входят тяжелые цепи d-типа),

ü E (в их состав входят тяжелые цепи e-типа).

На основании особенностей строенияконстантных областей легких цепей иммуноглобулинов выделяют 2 разновидности (2 изотипа) легких цепей : c и l , причем в состав определенной молекулы антитела всегда входят идентичные легкие цепи (либо обе c-цепи, либо обе l-цепи). Таким образом, в пределах каждого класса иммуноглобулинов в зависимости от того, какие изотипы легких цепей входят в состав молекулы антитела, можно выделить два типа антител (например, иммуноглобулины класса G представлены двумя типами молекул: G c и G l , а класса М – М c и М l и т.д.).

Тяжелые и легкие цепи антител имеют сложную пространственную структуру. В частности, они состоят из последовательно расположенных глобулярных доменов , соединенных между собой линейными участками (состоящими приблизительно из 20 аминокислотных остатков). Каждый глобулярный домен имеет вид петли, которая объединяет в своем составе до 60 аминокислот и образуется в результате замыкания дисульфидных связей между определенными аминокислотными остатками цистеина внутри какой-то из цепей антитела.

Рис. Принцип доменной организации молекулы иммуноглобулина (на примере иммуноглобулина G). Каждый домен включает приблизительно 100-110 аминокислотных остатков; причем около 60 аминокислотных остатков домена оказываются заключенными в петлю дисульфидной (S-S-связью); около 20 аминокислотных остатков домена, которые не входят в состав петли, служат для соединения с другими доменами. Цифры обозначают последовательность аминокислотных остатков в полипептидных цепях. V L и C L – вариабельный и константный домены легкой цепи. V H – вариабельный домен тяжелой цепи, C H 1 C H 2 C H 3 – константные домены тяжелой цепи.

Рис. Компьютерная модель иммноглоблина G

Внутри доменов пептидные фрагменты, входящие в состав домена, образуют компактно уложенную антипараллельную b-складчатую структуру, стабилизированную водородными связями (вторичная структура белка ). Образованию b-складчатой структуры внутри домена способствуют аминокислотные остатки глицина. Таким образом, части тяжелых и легких цепей антител внутри доменов формируют b-складчатые структуры (вторичная структура белка ), которые, в свою очередь, укладываются с образованием петлеобразных доменов (третичная структура белка ). Благодаря слоистой b-складчатой структуре внутри домена три гипервариабельные области в каждой цепочке антитела оказываются максимально приближенными друг к другу.

Рис. Структура глобулярных доменов (вариабельного и константного)легкой цепи (по данным рентгеноструктурного анализа белков Бенс-Джонса). Одна поверхность каждого домена состоит из 4-х цепей (серые стрелки), образующих антипараллельную b-складчатую структуру, стабилизированную межцепочечными водородными связями (между группами СО и NH на протяжении всего пептидного остова). Другая поверхность каждого домена образована тремя цепями (розовые стрелки). Полипептидные цепи, образующие две поверхности домена связаны друг с другом межцепочечной дисульфидной связью (обозначена самой темной полосой). Описанная структура характерна для всех иммуноглобулиновых доменов. Особый интерес представляет расположение гипервариабельных областей в трех отдельных петлях вариабельного домена (гипервариабельные области обозначены красно-белыми полосатыми линиями, цифрами обозначены некоторые аминокислотные остатки в гипервариабельных областях). Эти гипервариабельные области, хотя и находятся на большом отдалении друг от друга в первичной структуре легкой цепи, но при образовании пространственной структуры они оказываются расположенными в непосредственной близости друг к другу, принимая участие в формировании антигенсвязывающего центра иммуноглобулина.

Рис. Пространственное расположение гипервариабельных участков внутри вариабельного домена тяжелой цепи иммуноглобулина G человека . Конформационная особенность вариабельного домена состоит в том, что все 3 гипервариабельных участка в результате формирования третичной структуры полипептидной цепи оказываются в непосредственной близости друг от друга (черные участки рисунка). Каркасные (инвариантные) участки обеспечивают взаимодействие с каркасными участками вариабельного домена легкой цепи. В результате взаимодействия вариабельного домена легкой и тяжелой цепей и формируется антигенсвязывающий центр иммуноглобулина.

Рис. Упрощенное двумерное изображение атигенсвязывающго центра антитела . Антигенсвязывающий центр антитела представляет собой полость, окруженную пептидными петлями гипервариабельных участков тяжелой и легкой цепей (на рисунке пронумерованы аминокислотные остатки гипервариабельных областей цепей).

Рис. Функциональное значение различных доменов иммуноглобулина G (схема). Домены легкой цепи обозначены буквами V L (вариабельный домен) и C L (константный домен); домены тяжелой цепи g-типа обозначены V H (вариабельный домен тяжелой цепи) и Сg1 Сg2 и Сg3 (константные домены тяжелой цепи)

Как уже было сказано выше, на основании особенностей строения константных областей тяжелых цепей молекул иммуноглобулинов, выделяют 5 их классов, каждый из которых характеризуется определенными особенностями организации Fc-фрагментов, обуславливающими то, с рецепторами каких эффекторных клеток организма будет взаимодействовать такой иммуноглобулин и некоторые другие его функциональные особенности. Преобладающим классом иммуноглобулинов во внутренних жидкостях организма (и преимущественно в тканевой жидкости) являются антитела класса G , которые в больших количествах продуцируются при вторичном иммунном ответе и обеспечивают защиту организма от бактерий, вирусов и токсинов. В частности, комплексы "IgG-антиген"

· усиливают фагоцитоз посредством опсонизации (т.е. комплексы "IgG-антиген" Fc-фрагментами IgG взаимодействуют с рецепторами мембраны нейтрофилов и макрофагов, повышая эффективность фагоцитоза антигенов),

· стимулируют внеклеточное уничтожение антигенов путем активации естественных киллеров (IgG, связанные с антигенами, своими Fc-фрагментами способны взаимодействовать не только с фагоцитами, но и с естественными киллерами, повреждающими мембрану антигена)

· обладают способностью взаимодействовать с компонентом С1 системы комплемента, активируя ее по классическому пути, что сопровождается появлением

ü медиаторов воспаления, обладающих хемотаксическим действием и привлекающих фагоциты и лимфоциты,

ü опсонизирующего фагоцитоз фактора С3b

ü и в конечном итоге образованием мембраноатакующих комплексов, разрушающих патогены.

Интенсивность синтеза IgG во многом зависит от проникновения антигенов в организм. IgG является единственным антителом, способным проникать через плацентарный барьер, поскольку на поверхности клеток трофобласта плаценты расположены рецепторы, связывающие Fc-фрагменты молекул материнских IgG. При этом связанные с рецепторами трофобласта молекулы IgG поглощаются путем опосредованного рецепторами эндоцитоза, после чего транспортируются в клетке трофобласта в составе окаймленных пузырьков, выводятся из клеток трофобласта, проходят через базальную его мембрану в соединительную ткань и капилляры плода. Переход IgG через плаценту обеспечивает передачу пассивного иммунитета от матери к плоду. Кроме того, в связи с присутствием IgG в молоке, он принимает участие в пассивной специфической иммунной защите ребенка в период грудного вскармливания.

Иммуноглобулины класса А представляют собой основной класс иммуноглобулинов в секретах экзокринных желез (молочных, слезных, слюнных, потовых желез, желез слизистой оболочки пищеварительной трубки и бокаловидных клеток дыхательной и мочеполовой трубок). IgА выделяется на поверхность слизистых оболочек, где и взаимодействует с антигенами. Следовательно, IgА участвует в защитной функции организма, укрепляя барьер в слизистой оболочке пищеварительного тракта, дыхательной и мочеполовой трубок против инфекций. Молекула иммуноглобулина А, содержащаяся в составе секрета каких-то желез представляет собой димер, стабилизированный дополнительной J-цепью. Причем димерные молекулы IgА образуются в самой плазматической клетке. После чего димерные молекулы IgА взаимодействуют с определенными полипептидными рецепторами на базальной поверхности секреторной клетки. IgА-рецепторы в комплексе с димером IgА путем эндоцитоза проникают внутрь секреторной клетки и наряду с опосредованием фагоцитоза секреторной клеткой, обеспечивают защиту IgА от расщепления под действием протеолитических ферментов синтезируемых клеткой секретов. После секреции IgА через апикальную поверхность секреторной клетки на поверхность слизистой оболочки рецептор для IgА частично расщепляется и его часть, оставшаяся связанной с димером IgА после такого расщепления, носит название секреторного компонента . IgА играет важную роль в защите слизистых оболочек от инфекций, которая обеспечивается его способностью препятствовать проникновению связанных с IgА микроорганизмов через эпителиальный пласт слизистой оболочки в ткани. В плазме крови молекулы IgА имеют преимущественно мономерное строение.

Рис. Механизм секреции иммуноглобулина А на поверхность слизистой оболочки . Эпителиальные клетки слизистой синтезируют иммуноглобулиновый рецептор (Ig-рецептор), который встраивается в мембрану базальной поверхности клетки. Димер Ig А связывается с этим рецептором, путем эндоцитоза, проникает внутрь клетки, транспортируется к апикальной ее поверхности, через мембрану которой путем экзоцитоза выводится на поверхность слизистой оболочки. При расщеплении рецептора на поверхности слизистой оболочки высвобождается Ig А, который все еще связан с частью рецептора, получившей название секреторного компонента. Транспорт Ig G через плаценту возможно происходит подобным образом с помощью рецепторов для Ig G, расположенных на поверхности клеток трофобласта.

Иммуноглобулины класса М представляют собой пентамерные молекулы (т.е. состоят из пяти Y-образных субъединиц, расположенных радиально и объединенных в единую молекулу с помощью единственной J-цепи, которая через посредство дисульфидных связей взаимодействует с тяжелыми цепямимономеров). При этом Fc-фрагменты каждого мономера обращены к центру молекулы и друг к другу, а Fab-фрагменты – кнаружи. J-цепь и инициирует сборку пентамерной молекулы IgМ. В связи с пентамерным строением своих молекул IgМ имеют самую большую среди всех классов антител молекулярную массу (950 кД).

Иммуноглобулины М представляют собой первый класс антител, продуцируемых развивающимися В-лимфоцитами при первичном попадании антигена в организм и содержащихся в наибольших количествах в периферической крови (т.е. IgМ образует первую линию обороны при бактериемии). IgМ благодаря большому размеру своей молекулы в комплексе с антигеном способен в единичном количестве активировать компонент С1 системы комплемента, запуская процесс активации этой системы по классическому пути, тогда как для активации компонента С1 комплексом "IgG-антиген" необходимо присоединение к его молекуле 5 комплексов " IgG-антиген".

Кроме активации системы комплемента, IgМ оказывает опсонизирующее действие при фагоцитозе. Более того, в связи с пентамерным строением IgМ способен вызывать агглютинацию и обусловленный этим лизис антигенов. Теоретически молекула IgМ может связать 10 антигенов, но, как правило, эффективно взаимодействует только с 5-ю, что обусловлено определенными стерическими ограничениями, возникающими из-за недостаточной гибкости молекулы. Мономерные молекулы IgМ представлены на поверхности В-лимфоцитов, образуя рецепторы для взаимодействия с антигеном.

Рис. Структура иммуноглобулина М

Иммуноглобулины класса D присутствуют в сыворотке крови в ничтожно малых количествах, но зато преимущественно связаны с мембраной лимфоцитов и, очевидно, выступают в роли рецепторов лимфоцитов, позволяющих им взаимодействовать между собой, благодаря чему обеспечивается контроль за активацией и супрессией лимфоцитов.

Иммунитет – это способ защиты организма от генетически чужеродных веществ – антигенов экзогенного и эндогенного происхождения, направленный на поддержание и сохранение гомеостаза, структурной и функциональной целостности организма, биологической (антигенной) индивидуальности каждого организма и вида в целом.

Выработка антител по первичному и вторичному иммунному ответу.

Различают два варианта выдачи иммунного ответа в форме биосинтеза антител: первичный ответ - после первой встречи организма с данным антигеном, и вторич­ный ответ - при повторном контакте его с одним и тем же антигеном спустя 2-3 не­дели.

Первичный иммунный ответ. 1) Биосинтез антител начинается не сразу после контакта с антигеном, а после некоторого латентного периода, продолжающегося 3-5 дней. В течение этого периода происходит процесс распознавания антигена и формирования клеток, которые способны синтезировать антитела к нему; 2) ско­рость синтеза антител относительно невелика; 3) титры синтезируемых антител не достигают максимальных значений; 4) первыми синтезируются антитела, относя­щиеся к иммуноглобулинам класса IgМ, затем IgG. Позже всех появляются, да и то не во всех случаях, IgА и IgЕ.

Вторичный иммунный ответ.

1) Латентный период очень непродолжитель­ный, в пределах нескольких часов;

2) кривая, характеризующая скорость накопления антител, идет значительно круче вверх, чем при первичном ответе, и имеет логариф­мический характер;

3) титры антител достигают максимальных значений;

4) синте­зируются сразу антитела, относящиеся к классу IgG.

Вторичный иммунный ответ обусловлен формированием клеток иммунной памяти.

Иммунная память на клеточном уровне - это результат генерации особых антиген- специфических популяций Т- и В-клеток памяти. Она проявляется как в отношении выработки антител, так и в отношении других форм иммунного ответа и может сохраняться долгое время.

Клетки памяти представляют собой ту часть Т- и В-антигенстимулированных лимфоцитов, которые после 2-3 делений переходят в покоящееся состояние и дли­тельное время рециркулируют в организме.

Современные теории, объясняющие происхождение и специфичность антител. Клонально-селективная теория и ее основные предпосылки. Особенности генетического контроля биосинтеза антител.

Антитела являются уникальными сывороточными белками - глобулинами, ко­торые вырабатываются в ответ на поступление в организм антигена и способны с ним специфически взаимодействовать. Совокупность сывороточ­ных белков, обладающих свойствами антител, называют иммуноглобулинами и обозначают символом Ig

Уникальность антител заключается в том, что они способны взаимодействовать только с тем антигеном, который индуцировал их образование.

Антите­ла - это белки, а синтез каждого белка запрограммирован соответствующим геном.

Схе­матически полный ген L-цепи иммуноглобулинов: L (область, коди рующая лидерный пептид, необходимый для секреции иммуноглобулинов из клетки) - интрон - V-ген - интрон -J-ген - интрон - С-ген.

Схе­матически полный ген Н-цепи иммуноглобулинов: L-ген - интрон - V-ген - интрон - D-ген - интрон - J-ген - интрон - С-ген.

Точки объединения зародышевых генов строго не фиксированы. Это увеличива­ет количество возможных вариантов полипептидных цепей, а в том случае, когда они участвуют в формировании активных центров, то и их разнообразия. Кроме то­го, в период созревания В-лимфоцитов в V-генах происходят точечные соматичес­кие мутации, которые окончательно подгоняют структуру активного центра антите­ла к структуре детерминанта антигена. Считается, что общее количество вариантов антител возрастает за счет неточности сплайсинга и соматических мутаций еще в 100 раз и составляет около 2 млрд:

Таким образом, приобретенный иммунитет может быть обеспечен к любому воз­будителю, к любому возможному чужеродному антигену. Решающий вклад в обеспе­чение многообразия иммуноглобулинов (специфичности антител) вносят следую­щие механизмы:

1. наличие множества зародышевых генов иммуноглобулинов;

2. внутригенные рекомбинации, обусловленные экзон-интронной структурой V-, D-,J-, С-генов;

3. ассоциация различных L-цепей с различными Н-цепями;

4. неточность сплайсинга;

соматические мутации V-генов в зрелых В-лимфоцитах.