免疫学基础理论 第二章 免疫球蛋白.doc

免疫学基础理论:第二章免疫球蛋白免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)通常是指一组具有抗体活性和（或）抗体样结构的球蛋白。Ig由浆细胞产生，存在于血液和其他体液（包括组织液和外分泌液）中，约占血浆蛋白总量的20；还可分布在B细胞表面。Ig的结构具有不均一性，可分为不同的类型；多数Ig具有抗体活性，可以特异性识别和结合抗原，并引发一系列生物学效应。第一节免疫球蛋白的化学免疫球蛋白具有蛋白质的通性，能被多种蛋白水解酶裂解；可以在乙醇、三氯醋酸或中性盐类中沉淀，常用50饱和硫酸铵或硫酸钠从免疫血清中提取抗体球蛋白。血清电泳时免疫球蛋白主要分布于区，因而以往曾称抗体为球蛋白。其实具抗体活性的球蛋白除存在于区外，也可延伸到区，甚至2区，这反映了抗体由不同细胞克隆产生的不均一性和结构的多样性。自从发现骨髓瘤患者尿中的本周蛋白是Ig的轻链以后，对其氨基酸顺序的研究大大促进了对Ig化学性质的了解。（一）Ig的基本结构Ig分子由4条肽链组成，2条长链称为重链(heavychain，H)，由大约440个氨基酸残基组成，分子量约5070kD；2条短链称为轻链(lightchain，L)，由大约220个氨基酸组成，分子量约22.5kD。4条肽链通过链间二硫键(-SS-)连在一起。其结构模式见图2-1。Ig分子肽链的N端，在L链1/2和H链1/4处（约在110位前）氨基酸的种类和顺序各不相同，称为可变区（variableregion，V区）；肽链C端其余部分的氨基酸，在种类和顺序上彼此间差别不大，称为稳定区或恒定区(constantregion，C区)。V区位于N端，H链和L链各有3个高变区(hypervariableregion)，其中的氨基酸残基种类和顺序特别多变。这此都与识别抗原直接有关，为Ig分子的抗原结合部位，故亦称为互补决定区(CDR)。可变区中的其他氨基酸残基称为构架区(FR)，大约占整个V区近75，其顺序很少变化（约5）。FR的功能为支持CDR，并维持V区三维结构的稳定性。H和L链的FR在某些位置上具有相同的氨基酸残基。根据VH/VL氨基酸顺序同源程度的差异，可将Ig分为群和亚群。图2-1免疫球蛋白（IgG）结构模式图（二）Ig的三维结构Ig分子的每一条肽链，都由链内二硫键将相邻的二级结构单元折叠成球形局部性区域（图2-2）；每个球形区约由110个氨基酸残基组成，不同Ig分子对应球形区的氨基酸残基顺序具有高度的相似性，因此称为同源区。IgG、IgA和IgD分子共有12个同源区，其中L或L各2个：VL和CL；H链各4个：VH、CH1、CH2和CH3。IgM和IgE分子各有14个同源区，因为其H链上多一个CH4。虽然H链和C区的不同区域彼此同源，并且与L链的CL同源，但它们与V区的氨基酸排列顺序极少相同，说明V区和C区是由不同的基因（V基因和C基因）分别编码的。每个同源区担负着一定的免疫功能，因而也称为功能区。可变区中的氨基酸排列顺序呈高度变异性，其高变区对应的VL和VH形成袋状，随氨基酸残基的不同形状各异，以能与多种多样的抗原决定簇相适应，构成抗体特异性的分子基础。同时CH和CL区的氨基酸排列顺序相对稳定，又适应其发挥许多特定的生物学效应，如固定补体和调节Ig分解代谢率等功能位于CH2，而亲和细胞的功能则在CH3或CH4。图2-2免疫球蛋白（IgG）的功能区示意图在重链CH1和CH2之间的区域富含脯氨酸和半胱氨酸和半胱氨酸，这两类氨基酸的游离基团少，几乎不与邻近的区域形成固定的二级或三级结构。这一自由柔曲的肽段称为铰链区(hingeregion)。该区结构的柔韧性允许抗体分子的抗原结合部位随意改变方向，使抗体分子结合抗原的能力大大增强。同时也因Ig变构而使补体结合点暴露出来。（三）Ig的水解片段Ig分子可被许多蛋白酶水解，产生不同的片段；免疫学研究中常用的酶是木瓜蛋白酶(papain)和胃蛋白酶(pepsin)。木瓜蛋白酶在生理pH下将IgG分子从H链二硫键N端219位置上断裂，生成两个相同的Fab片段和一个Fc片段。Fab段即抗原结合片段，含1条完整的L链和H链的一部分(Fd)段；Fab段仍具有抗原结合活性，但结合能力较弱，只有一价。Fc段即可结晶片段，为2条H链C端剩余的部分，在一定条件下可形成结晶。Fc段不能与抗原结合，但具有许多其他生物学活性，如固定补体、亲和细胞（巨噬细胞、NK细胞和粒细胞等）、通过胎盘、介导与细菌蛋白的结合等。图2-3IgG分子的水解片段模式图胃蛋白酶于于低pH下可将IgG分子从H链间二硫键C端232位置切断，形成含2个Fab段的F(ab)2片段和1个较小的pFc片段。F(ab)2段即双价抗体活性片段，经还原后可得2个Fab。Fab的分子量略大于Fab，而生物活性与Fab相同。pFc比Fc分子量小，虽然仍保持亲和巨噬细胞及与某些类风湿因子结合的能力，但失Fc片段原有的固定补体等活性。第二节免疫球蛋白的血清型免疫蛋白为大分子蛋白质，具备抗原的各种性质，对异种、同种异体，甚至宿主自身都是良好的抗原，而且是一个抗原复合体，带有多种抗原决定簇。Ig分子的这种异质性反映了抗体形成细胞的遗传性差异，代表抗体分子在不同水平上的遗传变异性；通常可用血清学方法检测出来，并据此将Ig及其肽链（H和L链）分成不同的血清学类型。需要指出的是，在正常状态下，1个Ig分子的2条H链是均一的，2条L链也是均一的，在任何层次上都不会出现2条链不同类或不同型的情况。（一）同种型同种间所有正常个体都具有的Ig抗原特异性，称同种型。包括IgH链的类和亚类及L链的型和亚型，以及VH/VL的群和亚群的抗原；亦即同种生物所有正常个体都有各类、亚类及不同型别、群和亚群等多种Ig的变异体。这种同种型变异体并不具有个体特异性。1类和亚类依H链C区的结构和抗原性的不同，可将H链分为、和5类，相应Ig分子也分为5类，分别为IgA、IgG、IgD、IgE和IgM。有的同类H链C区之间的氨基酸顺序仍有一些差别，再分成若干亚类；例如IgG可以分为4个亚类：IgG1、IgG2、IgG3和IgG4；IgA可分成2个亚类：IgA1和IgA2（表2-1）。表2-1Ig的类型及其理化特点性状IgGIgAIgMIgDIgE分子量（kD）150160,400900180190沉降系数（S）77,111978电泳位置含糖量（）38101012重链类别重链亚类141,22型和亚型根据L链和C区的结构和抗原性的不同，可将L链分为和两型。类链只有1个同种异型；但链至少有4种非等位（同种型）基因的产生，为链上一定位置的1个氨基酸置换而形成的变异体。例如Kern（）指链上第150位是甘氨酸，而Kern（）则为丝氨酸；Oz（）为第190位上是赖氨酸，Oz（）为精氨酸。（二）同种异型同种不同个体间Ig结构和抗原性的差异称同种异型（allotype）。与同种型的区别在于，同种异型的特异性只存在于同种的某些个体中，而同种型的特异性则普遍存在同一物种的所有个体。同种异型表位在C区，由同一基因位点上几个等位基因控制，反映在CH和CL上只有12个氨基酸的差异。这此关键氨基酸构成的同种异型抗原称为遗传标志。它包括与H链相关的Gm、Am、Em系统和与L链相关的Km系统。Gm是链（4除外）上的同种异型标志，由许多种不同抗原决定簇组成，用字母或数字命名。Am为IgA2亚类2链标志，有2种Am特异性。Km有Km1、Km2、Km3三种，是链C区153和191位氨基酸残基置换的结果。在入链中尚未发现同种异链标志。（三）独特型同一种属某一个体产生的抗体分子具有独特的抗原决定簇，不但与其他个体受同一抗原刺激产生的特异性抗体不同，而且与自身其他特异性抗体也有区别，称为独特型(idiotype)。独特型是单克隆的，其抗原决定簇位于V区，与高变区决定簇的互补空间相关联，反映Ig分子高变区抗原决定簇的差异。独特型抗原可用抗独特型抗体直接特异性检出。抗独特型抗体有两型，一为直接与抗体分子的抗原结合部位决定簇反应，从而能阻断抗原结合，成为抗原内影像，可作为抗独特型抗体疫苗；另一针对抗原结合部位以外的V区其他决定簇。虽然Ig分子V区球形构象提示抗体高变区、抗体的抗原结合部位和抗体的独特型决定簇三者关系密切，但不完全重合。一些独特型抗原与抗体活性无关。抗独特型抗体可因单独的H和L链或肽链的V而产生，亦即独特型决定簇或称独特位(idiotope)，可完全位于H和L链的结合体。Ig分子的独特型抗原具有自身免疫原性，在正常免疫应答过程中产生抗独特型抗体（Ab2），这种抗抗体再生引发另一B细胞产生抗Ab2抗体(Ab3)，如此继续下去，独特型和抗独特型将整个抗体产生系统联成一个网络，称为独特型网络(idiotypicnetwork)。第三节免疫球蛋白的生物学活性免疫球蛋白的重要生物学活性为特异性结合抗原，并通过重链C区介导一系列生物学效应（表2-2），包括激活补体、亲和细胞而导致吞噬、胞外杀伤及免疫炎症，最终达到排除外来抗原的目的。（一）抗原结合作用抗体分子在结合抗原时，其Fab片段的V区与抗原决定簇的立体结构（构象）必须吻合，特别与高变区的氨基酸残基直接有关，所以抗原抗体的结合具有高度特异性。尽管某些氨基酸残基在肽链的氨基酸顺序上相距很远，但由于肽链沿功能区长轴平行方向往返折叠，使他们能紧紧接近，形成一双层排布的凹形或袋状包围抗原的活性部位，双层间存在许多硫水氨基酸侧链。抗体分子与抗原的相互作用靠各种非共价力，如氢键、静电引力和VanderWaal力等，是一种可逆性反应。抗体与抗原结合后才能激活效应功能，天然Ig分子不能起这种作用。但在无抗原存在时，某些物理处理（例如加热、凝聚等）也可模拟Ig分子构象的变化而起激活效应机制的作用。（二）补体活化作用补体C1q与游离Ig分子结合非常微弱，而与免疫复合物中的IgG或IgM（经典途径）或凝集Ig（替代途径）结合则很强。C1q与IgGFc段的CH2功能区起反应，其结合位点在3个氨基酸侧链上。所有IgG亚类的单独Fc片段对C1q具同样的亲和性；但完整蛋白则主要是IgG1和IgG3才能结合C1q结合的影响有关。IgM激活补体能力最强。IgG至少需两紧密并列的分子才能有效地激活C1q，而IgM单个分子在结合抗原后即可激活补体。循环IgM仅显示低亲和性的单个C1q结合点，与IgG的效能相近似；但当IgM分子与大分子抗原的多个决定簇结合后，改变其构象呈钩环状，以致暴露了原来被相近亚单位隐蔽的C1q结合点而增强了激活补体的能力。IgG4、IgA1和IgA2虽不能通过经典途径激活补体，但其Ig聚合物均可激活C3旁路。（三）亲细胞作用IgG分子能与细胞表面的Fc受体结合。这些受体均属Ig超族成员，主要有FcR（CD64）、FcR（CD32）和FcR（CD16）。FcR在单核细胞表面很丰富，中性粒细胞受适当细胞因子调节以后也可表达此受体；FcR为一高亲和性受体，与IgG1和IgG3有很强的结合性，与IgG4也可作用，但与IgG2则不能结合。FcR和FcR受体在很多细胞上都存在，包括中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和血小板，与IgG1和IgG3有低亲和相互作用。活化B细胞表面有一个IgM结合蛋白（FcR），但在T细胞、单核细胞或粒细胞都没有。在单核细胞和中性粒细胞表面有FcR，因而IgA亦有调理素作用。近年有T细胞上存在IgD受体的报道，但其意义仍不基清楚。FcR受体存在于肥大细胞和嗜碱性粒细胞上；在B细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞和血小板上有FcR，它们的相互作用与调节IgE应答有关。细胞通过表面Fc受体与相应Ig结合后，可诱发一系例的生物效应，不同细胞的效应不同。（四）其他生物活性1结合A蛋白和G蛋白人类IgG1、IgG2和IgG4的Fc段可结合葡萄球菌A蛋白，其结合位点在IgG的CH2CH3之间；黄种人的IgG3也可结合A蛋白，而在白种人则不能，可能因为其IgG3的组氨酸被精氨酸置换。链球菌G蛋白可与人IgG的个亚类结合，也可与几乎所有哺乳动物的IgG结合，其结合能力远比葡萄球菌A蛋白强。但是这两种蛋白对其他类的Ig均无亲和力。2透过细胞膜人的IgG可通过胎盘传递至胎儿的血液循环，这不是被动的扩散，而是由IgG的Fc段选择性地与胎盘微血管发生可逆结合透过；这种特性仅为链所特有，其他类Ig不具备这种能力。IgA通过与分泌成分的结合可以从粘膜下转运至外分泌液中，例如转运至肠道和乳汁中。第四节各类免疫球蛋白的特点五类免疫球蛋白都有结合抗原的共性，但它们在分子结构、体内分布、血清水平及生物活性等方面又各具特点（表2-2）。表2-2五类Ig的代谢、分布及生物活性性状IgGIgAIgMIgDIgE血清含量(mg/dL)120020012030.04半衰期(d)236532血管内分布()5050807550外分泌液中结合补体透过胎盘与肥大细胞结合(IgG4)（一）IgGIgG为标准的单体Ig分子，含1个或更多的低聚糖基团，电泳速度在所有血清蛋白中最慢。IgG是再次免疫应答的主要抗体，具有吞噬调理作用、中和毒素作用、中和病毒作用、介导ADCC、激活补体经典途径、并可透过胎盘传输给胎儿；IgGFc片段可结合类风湿因子及其他抗球蛋白抗体，致敏异种（豚鼠）皮肤；还有抗核抗体、抗Rh抗体、肿瘤封闭抗体等均属IgG；因而IgG有多能免疫球蛋白之称。IgG合成速度快、分解慢、半衰期长，在血内含量最高，约占整个Ig的75；各亚类所占比例大约为：IgG16070，IgG21520，IgG3510，IgG417，各亚类的比例随年龄及遗传背景而有变化；同时各亚类的生物学和免疫学性质也不尽相同（表2-3）。表2-3IgG各亚类的生物活性性状IgG1IgG2IgG3IgG4激活补体透过胎盘中和毒素抗Rh抗体（二）IgMIgM为五聚体，是Ig中分子最大者。分子结构呈环形，含一个J链，各单位通过链倒数第二位的二硫键与J链互相连接。结构模式见图2-4。链含有5个同源区，其CH3和CH4相当于IgG的CH2和CH3，无铰链区。图2-4免疫球蛋白多聚体结构从化学结构上看，IgM结合抗原的能力可达10价，但实际上常为5价，这可能是因立体空间位阻效应所致。当IgM分子与大颗粒抗原反应时，5个单体协同作用，效应明显增大。IgM凝集抗原的能力比IgM大得多，激活补体的能力超过IgG1000倍；由于吞噬细胞缺乏IgM的特异受体，因而IgM没有独立的吞噬调理作用；但当补体存在时，它能通过C3b与巨噬细胞结合以促进吞噬。虽然IgM单个分子的杀菌和调理作用均明显高于IgG抗体，但因其血内含量低、半衰期短、出现早、消失快、组织穿透力弱，故其保护作用实际上常不如IgG。（三）IgAIgA分为血清型和分泌型两种类型。大部分血清IgA为单体，大约1015为双聚体，也发现少量多聚体。IgA功能区的分布与IgG十分相似，两个亚类（IgA1和IgA2）的最大差异在铰链区。IgA2缺少H-L链间二硫键区域，容易被解离分开。从含量、稳定性和半衰期看，血清型IgA虽不如IgG，但高于其他类Ig。IgA可以结合抗原，但不能激活补体的经典途径，因此不能象IgG那样发挥许多的生物效应，所以过去曾误以为血清型IgA的意义不大；近年的研究发现，循环免疫复合的抗体中有相当比例的IgA，因而认为：血清型IgA以无炎症形式清除大量的抗原，这是对维持机体内环境稳定的非常有益的免疫效应。分泌型IgA（SigA）为双聚体。每一SigA分子含一个J链和一个分泌片（图2-4）。链、L链和J链均由浆细胞产生，而分泌片由上皮细胞合成。J链通过倒数第二位二硫键将2个IgA单体互相