醫(yī)學(xué)免疫學(xué)/免疫球蛋白分子的基本結(jié)構(gòu)

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醫(yī)學(xué)免疫學(xué)

免疫球蛋白分子
- 免疫球蛋白分子的結(jié)構(gòu)與功能
  - 免疫球蛋白分子的基本結(jié)構(gòu)
  - 免疫球蛋白分子的功能
  - 免疫球蛋白分子的抗原性
  - 免疫球蛋白分子的超家族

Porter等對血清IgG抗體的研究證明，Ig分子的基本結(jié)構(gòu)是由四肽鏈組成的。即由二條相同的分子量較小的肽鏈稱為輕鏈和二條相同的分子量較大的肽鏈稱為重鏈組成的。輕鏈與重鏈?zhǔn)怯?a href="/w/%E4%BA%8C%E7%A1%AB%E9%94%AE" title="二硫鍵">二硫鍵連接形成一個(gè)肽鏈分子稱為Ig分子的單體，是構(gòu)成免疫球蛋白分子的基本結(jié)構(gòu)。Ig單體中四條肽鏈兩端游離的氨基或羧基的方向是一致的，分別命名為氨基端（N端）和羧基端（C端）。

免疫球蛋白分子的基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-3 免疫球蛋白分子的基本結(jié)構(gòu)示意圖

（一）輕鏈和重鏈

由于骨髓瘤蛋白（M蛋白）是均一性球蛋白分子，并證明本周蛋白（BJ）是Ig分子的L鏈，很容易從患者血液和尿液中分離純化這種蛋白，并可對來自不同患者的標(biāo)本進(jìn)行比較分析，從而為Ig分子氨基酸序列分析提供了良好的材料。

1．輕鏈（lightchain,L）輕鏈大約由214個(gè)氨基酸殘基組成，通常不含碳水化合物，分子量約為24kD。每條輕鏈含有兩個(gè)由鏈內(nèi)二硫鍵內(nèi)二硫所組成的環(huán)肽。L鏈共有兩型：kappa(κ)與lambda(λ)，同一個(gè)天然Ig分子上L鏈的型總是相同的。正常人血清中的κ：λ約為2：1。

2．重鏈（heavychain,H鏈）重鏈大小約為輕鏈的2倍，含450～550個(gè)氨基酸殘基，分子量約為55或75kD。每條H鏈含有4～5個(gè)鏈內(nèi)二硫鍵所組成的環(huán)肽。不同的H鏈由于氨基酸組成的排列順序、二硫鍵的數(shù)目和們置、含的種類和數(shù)量不同，其抗原性也不相同，根據(jù)H鏈抗原性的差異可將其分為5類：μ鏈、γ鏈、α鏈、δ鏈和ε鏈，不同H鏈與L鏈（κ或λ鏈）組成完整Ig的分子分別稱之為IgM、IgG、IgA、IgD和IgE。γ、α和δ鏈上含有4個(gè)肽，μ和ε鏈含有5個(gè)環(huán)肽。

（二）可變區(qū)和恒定區(qū)

通過對不同骨髓蛋白或本周蛋白H鏈或L鏈的氨基酸序列比較分析，發(fā)現(xiàn)其氨基端（N-末端）氨基酸序列變化很大，稱此區(qū)為可變區(qū)（V），而羧基末端（C-末端）則相對穩(wěn)定，變化很小，稱此區(qū)為恒定區(qū)。

1．可變區(qū)（variableregion,V區(qū)）位于L鏈靠近N端的1/2（約含108～111個(gè)氨基酸殘基）和H鏈靠近N端的1/5或1/4（約含118個(gè)氨基酸殘基）。每個(gè)V區(qū)中均有一個(gè)由鏈內(nèi)二硫鍵連接形成的肽環(huán)，每個(gè)肽環(huán)約含67～75個(gè)氨基酸殘基。V區(qū)氨基酸的組成和排列隨抗體結(jié)合抗原的特異性不同有較大的變異。由于V區(qū)中氨基酸的種類為排列順序千變?nèi)f化，故可形成許多種具有不同結(jié)合抗原特異性的抗體。

L鏈和H鏈的V區(qū)分別稱為VL和VH。在VL和VH中某些局部區(qū)域的氨基酸組成和排列順序具有更高的變休程度，這些區(qū)域稱為高變區(qū)（hypervariable region,HVR）。在V區(qū)中非HVR部位的氨基酸組面和排列相對比較保守，稱為骨架區(qū)（fuamework rugion）。VL中的高變區(qū)有三個(gè)，通常分別位于第24～34、50～65、95～102位氨基酸。VL和VH的這三個(gè)HVR分別稱為HVR1、HVR2和HVR3。經(jīng)X線結(jié)晶衍射的研究分析證明，高變區(qū)確實(shí)為抗體與抗原結(jié)合的位置，因而稱為決定簇互補(bǔ)區(qū)（complementarity-determining regi-on,CDR）。VL和VH的HVR1、HVR2和HVR3又可分別稱為CDR1、CDR2和CDR3，一般的CDR3具有更高的高變程度。高變區(qū)也是Ig分子獨(dú)特型決定簇（idiotypic determinants）主要存在的部位。在大多數(shù)情況下H鏈在與抗原結(jié)合中起更重要的作用。

與表位結(jié)合高變區(qū)示意圖

圖2-4 與表位結(jié)合高變區(qū)示意圖（G表示相對保守的甘氨酸）

2．恒定區(qū)（constantregion,C區(qū)）位于L鏈靠近C端的1/2（約含105個(gè)氨基酸殘基）和H鏈靠近C端的3/4區(qū)域或4/5區(qū)域（約從119位氨基酸至C末端）。H鏈每個(gè)功能區(qū)約含110多個(gè)氨基酸殘基，含有一個(gè)由二锍鍵連接的50～60個(gè)氨基酸殘基組成的肽環(huán)。這個(gè)區(qū)域氨基酸的組成和排列在同一種屬動(dòng)物Ig同型L鏈和同一類H鏈中都比較恒定，如人抗白喉外毒素IgG與人抗破傷風(fēng)外毒素的抗毒素IgG，它們的V區(qū)不相同，只能與相應(yīng)的抗原發(fā)生特異性的結(jié)合，但其C區(qū)的結(jié)構(gòu)是相同的，即具有相同的抗原性，應(yīng)用馬抗人IgG第二體（或稱抗抗體）均能與這兩種抗不同外毒素的抗體（IgG）發(fā)生結(jié)合反應(yīng)。這是制備第二抗體，應(yīng)用熒光、酶、同位毒等標(biāo)記抗體的重要基礎(chǔ)。

（三）功能區(qū)

Ig分子的H鏈與L鏈可通過鏈內(nèi)二硫鍵折疊成若干球形功能區(qū)，每一功能區(qū)（domain）約由110個(gè)氨基酸組成。在功能區(qū)中氨基酸序列有高度同源性。

1．L鏈功能區(qū)　分為L鏈可變區(qū)（VL）和L鏈恒定區(qū)（CL）兩功能區(qū)。

2．H鏈功能區(qū)　IgG、IgA和IgD的H鏈各有一個(gè)可變區(qū)（VH）和三個(gè)恒定區(qū)（CH1、CH2和CH3）共四個(gè)功能區(qū)。IgM和IgE的H鏈各有一個(gè)可變區(qū)（VH）和四個(gè)恒定區(qū)（CH1、CH2、CH3和CH4）共五個(gè)功能區(qū)。如要表示某一類免疫蛋白H鏈恒定區(qū)，可在C（表示恒定區(qū)）后加上相應(yīng)重鏈名稱（希臘字母）和恒定區(qū)的位置（阿拉伯?dāng)?shù)字），例如IgG重鏈CH1、CH2和CH3可分別用Cγ1、Cγ2和Cγ3來表示。

IgL鏈和H鏈中V區(qū)或C區(qū)每個(gè)功能區(qū)各形成一個(gè)免疫球蛋白折疊（immunoglobulin fold,Ig fold）,每個(gè)Ig折疊含有兩個(gè)大致平行、由二硫連接的β片層結(jié)構(gòu)（betapleated sheets），每個(gè)β片層結(jié)構(gòu)由3至5股反平行的多肽鏈組成?？勺儏^(qū)中的高變區(qū)在Ig折疊的一側(cè)形成高變區(qū)環(huán)（hypervariable loops），是與抗原結(jié)合的位置。

3．功能區(qū)的作用

（1）VL和VH是與抗原結(jié)合的部位，其中HVR（CDR）是V區(qū)中與抗原決定簇（或表位）互補(bǔ)結(jié)合的部位。VH和VL通過非共價(jià)相互作用，組成一個(gè)FV區(qū)。單位Ig分子具有2個(gè)抗原結(jié)合位點(diǎn)（antigen-bindingsite），二聚體分泌型IgA具有4個(gè)抗原結(jié)合位點(diǎn)，五聚體IgM可有10個(gè)抗原結(jié)合位點(diǎn)。

（2）CL和CH上具有部分同種異型的遺傳標(biāo)記。

（3）CH2：IgGCH具有補(bǔ)體Clq結(jié)合點(diǎn)，能活化補(bǔ)體的經(jīng)典活化途徑。母體IgG借助CH2部分可通過胎盤主動(dòng)傳遞到胎體內(nèi)。

（4）CH3：IgGCH3具有結(jié)合單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、粒細(xì)胞、B細(xì)胞和NK細(xì)胞Fc段受體的功能。IgMCH3（或CH3因部分CH4）具有補(bǔ)體結(jié)合位點(diǎn)。IgE的Cε2和Cε3功能區(qū)與結(jié)合肥大細(xì)胞和嗜堿性粒細(xì)胞FCεRI有關(guān)。

4．鉸鏈區(qū)（hingeregion）鉸鏈區(qū)不是一個(gè)獨(dú)立的功能區(qū)，但它與其客觀存在功能區(qū)有關(guān)。鉸鏈區(qū)位于CH1和CH2之間。不同H鏈鉸鏈區(qū)含氨基酸數(shù)目不等，α1、α2、γ1、γ2和γ4鏈的鉸鏈區(qū)較短，只有10多個(gè)氨基酸殘基；γ3和δ鏈的鉸鏈區(qū)較長，約含60多個(gè)氨基酸殘基，其中γ3鉸鏈區(qū)含有14個(gè)半胱氨酸殘基。鉸鏈區(qū)包括H鏈間二硫鍵，該區(qū)富含脯氨酸，不形成α-螺旋，易發(fā)生伸展及一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)VL、VH與抗原結(jié)合時(shí)此氏發(fā)生扭曲，使抗體分子上兩個(gè)抗原結(jié)合點(diǎn)更好地與兩個(gè)抗原決定簇發(fā)生互補(bǔ)。由于CH2和CH3構(gòu)型變化，顯示出活化補(bǔ)體、結(jié)合組織細(xì)胞等生物學(xué)活性。鉸鏈區(qū)對木瓜蛋白酶、胃蛋白酶敏感，當(dāng)用這些蛋白酶水解免疫球蛋白分子時(shí)常此區(qū)發(fā)生裂解。IgM和IgE缺乏鉸鏈區(qū)。

（四）J鏈和分泌成分

1．J鏈（joining chain）存在于二聚體分泌型IgA和五聚體IgM中。J鏈分子量約為15kD，由于124個(gè)氨基酸組成的酸性糖蛋白，含有8個(gè)半胱氨酸殘基，通過二硫鍵連接到μ鏈或α鏈的羧基端的半胱氨酸。J鏈可能在Ig二聚體、五聚體或多聚體的組成以及在體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)中的具有一定的作用。

2．分泌成分（secretorycomponent,SC）　又稱分泌片（secretory piece）,是分泌型IgA上的一個(gè)輔助成分，分子量約為75kD，糖蛋白，由上皮細(xì)胞合成，以共價(jià)形式結(jié)合到Ig分子，并一起被分泌到粘膜表面。SC的存在對于抵抗外分泌液中蛋白水解酶的降解具有重要作用。

（五）單體、雙體和五聚體

1．單體由一對L鏈和一對H鏈組成的基本結(jié)構(gòu)，如IgG、IgD、IgE血清型IgA。

2．雙體由J鏈連接的兩個(gè)單體，如分泌型IgA（secretory IgA,SIgA)二聚體（或多聚體）IgA結(jié)合抗原的親合力（avidity）要比單體IgA高。

分泌型IgA結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-5 分泌型IgA結(jié)構(gòu)示意圖

3．五聚體由J鏈和二硫鍵連接五個(gè)單體，如IgM。μ鏈Cys414（Cμ3）和Cys575(C端的尾部)對于IgM的多聚化極為重要。在J鏈存在下，通過兩個(gè)鄰近單體IgMμ鏈Cys之間以及J鏈與鄰μ鏈Cys575之間形成二硫鍵組成五聚體。由粘膜下漿細(xì)胞所合成和分泌的IgM五聚體，與粘膜上皮細(xì)胞表面pIgR(poly-Ig receptor,pIgR)結(jié)合，穿過粘膜上皮細(xì)胞到粘膜表面成為分泌型IgM(secretory IgM)。

（六）酶解片段

1．本瓜蛋白酶的水解片段Porter等最早用木瓜蛋白酶（papain）水解兔IgG,從而區(qū)劃獲知了Ig四肽鏈的基本結(jié)構(gòu)和功能。

（1）裂解部位：IgG鉸鏈區(qū)H鏈鏈間二硫鍵近N端側(cè)切斷。

（2）裂解片段：共裂解為三個(gè)片段：①兩個(gè)Fab段（抗原結(jié)合段，fragmentof antigen binding）,每個(gè)Fab段由一條完整的L鏈和一條約為1/2的H鏈組成，F(xiàn)ab段分子量為54kD。一個(gè)完整的Fab段可與抗原結(jié)合，表現(xiàn)為單價(jià)，但不能形成凝集或沉淀反應(yīng)。Fab中約1/2H鏈部分稱為Fd段，約含225個(gè)氨基酸殘基，包括VH、CH1和部分鉸鏈區(qū)。②一個(gè)Fc段（可結(jié)晶段，fragmentcrystallizable）,由連接H鏈二硫鍵和近羧基端兩條約1/2的H鏈所組成，分子量約50kD。Ig在異種間免疫所具有的抗原性主要存在于Fc段。

人分泌型IgA和分泌型IgM的局部產(chǎn)生示意圖

圖2-6 人分泌型IgA和分泌型IgM的局部產(chǎn)生示意圖

IgM結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-7 IgM結(jié)構(gòu)示意圖

2．胃蛋白酶的水解片段Nisonoff等最早用胃蛋白酶（pepsin）裂解免疫球蛋白。

（1）裂解部位：鉸鏈區(qū)H鏈鏈間二硫鍵近C端切斷。

（2）裂解片段：

1）F（ab'）2：包括一對完整的L鏈和由鏈間二硫鍵相連一對略大于Fab中Fd的H鏈，稱為Fd'，約含235個(gè)氨基酸殘基，包括VH、VH1和鉸鏈區(qū)。F（ab'）2具有雙價(jià)抗體活性，與抗原結(jié)合可發(fā)生凝集和沉淀反應(yīng)。雙價(jià)的F（ab'）2與抗原結(jié)合的親合力要大于單價(jià)的Fab。由于應(yīng)用F（ab'）2時(shí)保持了結(jié)合相應(yīng)抗原的生物學(xué)活性，又減少或避免了Fc段抗原性可能引起的副作用，因而在生物制品中有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。雖然F（ab'）2與抗原結(jié)合特性方面同完整的Ig分子一樣，但由于缺乏Ig中部分，因此不具備固定補(bǔ)體以及與細(xì)胞膜表面Fc受體結(jié)合的功能。F（ab'）2經(jīng)還原等處理后，H鏈間的二硫可發(fā)生斷裂而形成兩個(gè)相同的Fab'片段。

2）Fc'可繼續(xù)被胃蛋白酶水解成更小的片段，失去其生物學(xué)活性。

Ig酶水解片段示意圖