医学免疫学： 免疫球蛋白分子的结构与功能

1、医学免疫学第二节免疫球蛋白分子的结构和功能一、免疫球蛋白分子的基本结构Porter等人对血清IgG抗体的研究证明，Ig分子的基本结构由四肽链构成。 即，相同分子量小的2条肽链称为轻链，相同分子量大的2条肽链称为重链。 轻链和重链是将在二硫键中形成一个四肽链的分子称为Ig分子的单体，是构成免疫球蛋白分子的基本结构。 Ig单体中4条肽链两端游离的氨基化学基或羧基化学基的方向一致，分别命名为氨基化学基端(n端)和羧基化学基端(c端)。图23免疫球蛋白分子的基本结构图(1)轻链和重链骨髓瘤蛋白(m蛋白)是均一性球蛋白分子，为证明本周蛋白(BJ )是Ig分子的l链，易于从患者的血液和尿液中分离纯化该蛋白

2、，对比分析来自不同患者的标本，为Ig分子的氨基酸排列顺序观分析提供了良好的材料。1 .轻链(light chain，l )轻链由约214个氨基酸残馀化学基组成，通常不含碳水化合物，分子量约24kD。 各轻链含有2个由链内二硫键内的二硫化物构成的环肽。 l链有kappa()和lambda()两种类型，同一天然Ig分子上的l链的类型始终相同。 健康人血清中:约为2:1。2 .重链(heavy chain，h链)的重链大小约为轻链的2倍，含有450550个氨基酸残馀化学基，分子量约为55或75kD。 每h链含有由45条链内二硫键组成的环肽。 不同的h链根据氨基酸组成的排列顺序、二硫键的数量和配置、所

3、含种类和数量而抗原性不同，根据h链抗原性的不同分为链、链、链、链和链，不同的h链和l链(或链)构成完全Ig的分子分别被称为Ig，在、和链中(2)可变区域和一定区域比较分析不同骨髓蛋白或本周蛋白的h链或l链氨基酸排列顺序发现，其氨基末端(n末端)氨基酸排列顺序变化较大，称该区为可变区(v )，羧基化学基末端(c末端)相对稳定，变化较小，称该区为一定区。1 .可变区域(可变区域，v区域)位于l链的靠近n末端的1/2 (包括大约108到111个氨基酸残馀化学基)和h链的靠近n末端的1/5或1/4 (包括大约118个氨基酸残馀化学基)。 各v区有链内二硫键结合的肽环，各肽环中含有约6775个氨基酸残化

4、学基。 v区氨基酸的组成和序列随抗体结合抗原的专一性有较大变异。 v区氨基酸种类序列千变万化，可形成多个具有不同结合抗原专一性的抗体。l链和h链的v区分别称为VL和VH。 VL和VH的一些局部区域的氨基酸组成和序列具有较高的变休度，这些个区域称为高变区(HVR )。 v区非HVR部位的氨基酸群面和序列比较保守，称为骨架区(fuamework rugion )。 VL中的高变区有3个，通常分别位于2434、5065、95102位的氨基酸。 VL和VH的这些个3个HVR分别称为HVR1、HVR2和HVR3。 x射线晶体衍射的研究分析证明，高变区确实是抗体与抗原结合的位置，被称为决定克拉星空卫视补偿

5、区(complementaritydeterminingregion，CDR )。 VL和VH的HVR1、HVR2和HVR3分别也称为CDR1、CDR2和CDR3，一般的CDR3具有较高的变化率。 高变区也是Ig分子独特型决定级星空卫视(idiotypic determinants )主要存在的部位。 在许多情况下，h链在与抗原结合中发挥更重要的作用。图2-4是与抗原表位结合的高变量区域的示意图(g表示比较保守的甘氨酸)。2 .恒定区(constant region，c区)位于l链c末端附近的1/2 (包括约105个氨基酸残基化学基)和h链c末端附近的3/4区或4/5区(约119位氨基酸至c末

6、端)。 h链每个功能区域包含约110个以上的氨基酸残馀化学基，包含由通过二锍键连接的5060个氨基酸残馀化学基组成的肽环。 该区域的氨基酸组成和序列在同一个属动物Ig的同型l链和同种类h链中比较恒定，如人抗白喉外毒素IgG和人抗破伤风外毒素的抗毒素IgG，它们的v区不同，只能与相应的抗原特异性结合，但其c区的结构相同，即具有相同的抗原性， 马抗人IgG第二体(或称抗抗体)是制备第二抗体，应用荧光、酶催化剂、同位素抗体的重要基础。(3)丝带Ig分子的h链和l链可以通过链内二硫键折叠日式榻榻米为几个球形功能区，每个功能区(domain )约由110个氨基酸组成。 在功能区域，氨基酸排列顺序有很高的

7、同源性。1.L链功能区域被分为l链可变区域(VL )和l链恒定区域(CL )两个功能区域。2.H链带IgG、IgA和IgD的h链分别具有一个可变区域(VH )和三个恒定区域(CH1、CH2和CH3)的修正四个带。 IgM和IgE的h链分别有1个可变区域(VH )和4个固定区域(CH1、CH2、CH3、CH4)的修正5个功能区域。 为了表示某种免疫蛋白质的h链的一定区域，在c (表示一定区域)之后加上对应的重链名称(希腊文字)和一定区域的位置(阿拉伯数字)，例如可以分别用C1、C2、C3表示IgG重链CH1、CH2、CH3。IgL链和h链中的v区或c区的每一个功能区分别形成一个免疫球蛋白字段(I

8、g字段)，其中每一个Ig字段包括由两个近乎平行的二硫化物相连的折叠结构，每个折叠结构在从3到可变区域中具有高变量区域3 .丝带的作用(1)VL和VH是与抗原结合的部位，其中HVR(CDR )是在v领域中与抗原决定分类星空卫视(或者抗原表位)互补地结合的部位。 VH和VL由于非共价键相互作用，构成一个FV区。 单位Ig分子有2个抗原结合位点，二聚体分泌细胞型IgA有4个抗原结合位点，五聚体IgM可以有10个抗原结合位点。(2)CL和CH有一部分同种异型的遗传标记。(3)CH2:IgGCH具有补体Clq结合点，是能够激活补体的经典激活途径。 母体IgG可以通过CH2部分，通过胎盘积极地传递到胎内。

9、(4)CH3:IgGCH3具有将单核细胞、宏命令噬菌体、粒细胞、b细胞球与NK细胞球的Fc区段接纳体结合的功能。 IgMCH3(或CH3因子部分CH4)具有补体结合站点。 IgE的C2和C3的功能区域参与了肥大细胞和嗜碱粒细胞FCRI的结合。4 .“铰链区域”(hinge region )铰链区域不是独立的功能区，但与客观存在的功能区有关。 铰链部位于CH1和CH2之间。 不同h链铰接区所含氨基酸数不同，1、2、1、2和4链铰接区较短，只有10多个氨基酸残馀化学基的3和链铰接区较长，约含有60多个氨基酸残馀化学基，其中3铰接区含有14个半胱氨酸残馀化学基。 铰链区包含h链间的二硫键，该区富含脯

10、氨酸，不形成螺旋，易发生伸展和一定程度的旋转，VL、VH与抗原结合后，该氏扭转，抗体分子上的两个抗原结合点与两个抗原决定分类星空卫视更好地互补。 通过改变CH2和CH3的配置，揭示了补体、结缔组织细胞球等生物科学活性。 铰链部对木瓜蛋白酶、百事达非常敏感，用这些个蛋白酶水解作用免疫球蛋白分子时该部常发生破裂。 IgM和IgE的铰链区域不足。(4)j链和分泌细胞成分1.J链(joining chain )存在于二聚体分泌细胞型IgA和五聚体IgM中。 j链的分子量约为15kD，通过由124个氨基酸组成的酸性糖蛋白，含有8个半胱氨酸残化学基，通过二硫键与链或链的羧基化学基末端的半胱氨酸结合。 j链

11、在Ig二聚体、五聚体或多聚体的组成和体内运输中可能具有一定的作用。2 .分泌细胞成分(secretory component，SC )又称分泌细胞片(secretory piece )，是分泌细胞型IgA上的辅助成分，分子量约75kD，糖蛋白由上皮细胞球合成，以共价键的形式与Ig分子结合的SC的存在是外分泌细胞液中蛋白水解作用酶催化剂的(5)单体、二聚体和五聚体1 .单体由一对l链和一对h链构成的基本结构，如IgG、IgD、IgE血清型IgA。2 .二聚体用j链连接的两个单体，例如分泌细胞型IgA(secretory IgA，SIgA )二聚体(或多聚体) IgA结合抗原的亲和性(avidit

12、y )比单体IgA高。图2-5分泌细胞型IgA结构示意图3 .五聚体用j链和二硫键连接5个单体，如IgM。 链Cys414(C3 )和Cys575(C端的尾部)对于IgM的多量化极为重要。 在j链的存在下，通过在两个相邻单体IgM链Cys之间以及j链和相邻链Cys575之间形成二硫键来构成五聚体。 由粘膜下浆细胞合成分泌细胞的IgM五聚体与粘膜上皮细胞表面pIgR(poly-Ig receptor，pIgR )结合，通过粘膜上皮细胞球到粘膜表面形成分泌细胞型IgM(secretory IgM )。(6)酶催化剂分解片段1 .甜瓜蛋白酶水解作用片段Porter等人最初在爸爸内水解作用兔IgG，并

13、区划知道Ig四肽链的基本结构和功能。(1)开裂部位： IgG铰链区h链间二硫键靠近n端侧的切断。(2)裂解片段：共裂解为3个片段：2个Fab段(抗原结合段，fragment of antigen binding )，各Fab段由完整的l链和条约为1/2的h链组成，Fab段的分子量为54kD。 完整的Fab片段可以与抗原结合显示单价，但不能形成凝聚或沉淀反应。 Fab的约1/2H链部分被称为Fd段，其包括约225个氨基酸残馀化学基并且包括VH、CH1和部分铰链区。 一个Fc段(结晶可能段，fragment crystallizable )由连接h链二硫键和近羧基化学基末端两条约的1/2的h链构成

14、，分子量约为50kD。 Ig在异种免疫中所具有的抗原性主要存在于Fc段。图26人分泌细胞型IgA和分泌细胞型IgM的局部产生示意图图2-7 IgM结构图2 .百事达的水解作用片段Nisonoff等人用百事达(pepsin )最初分解了免疫球蛋白。(1)开裂部位：铰链部h链间二硫键近c端切断。(2)分解碎片：1)F(ab)2:包含比用链间二硫键和一对完整的l链连接的一对Fab中的Fd稍大的h链，称为Fd，包含约235个氨基酸残馀化学基，包括VH，VH1和铰链区。 F(ab)2具有二价抗体活性，与抗原结合发生凝集和沉淀反应。 2价的F(ab)2与抗原键的亲和性比1价的Fab大。 由于应用F(ab)

15、2时结合相应抗原保持生物科学活性，并减少或避免了Fc段抗原性可能引起的副作用，对生物制品有很大的实用价值。 F(ab)2与抗原结合的特性与完全的Ig分子相同，但由于Ig中的部分被缺乏的，因此没有补体的固定及与胞质膜表面的Fc接纳体结合的功能。 F(ab)2经过还原等处理后，h链间的二硫断裂，可以形成2个相同的Fab片段。2)Fc继续被百事达水解作用成更小的片段，失去生物科学活性。图2-8 Ig酶水解片段的示意图二、免疫球蛋白分子的功能Ig是体液免疫应答中发挥免疫功能最主要的免疫分子，免疫球蛋白所具有的功能取决于其分子内不同功能区域的特征。(1)特异性结合抗原Ig最显着的生物学特征是能够与细菌、

16、细小病毒、寄生虫、某种药物或侵入机体的其他异物等对应的抗原特异性结合。 Ig的这种特异性结合抗原特性取决于其v区(特别是v区中的高变区)的空间结构。 Ig的抗原结合点由l链和h链的超变区组成，与相应抗原上的抗原表位互补，通过静电力、氢键和范德瓦尔斯力等二次结合，该结合可逆，受pH、温度和电解浓度的影响。 有时，由于不同的抗原分子有相同的抗原决定克拉星空卫视，或者有相似的抗原决定克拉星空卫视，1种抗体有时与2种以上的抗原发生反应，这被称为交叉反应(cross reaction )。由于抗体分子可以具有单体、二聚体、五聚体，所以结合抗原决定克拉星空卫视的数量(结合价)也不同。 Fab段为单价，不发

17、生凝集反应和沉淀反应。 F(ab)2和单体Ig (例如IgG、IgD、IgE )是二价的。 二体分泌细胞型IgA为4价。 五聚体IgM理论上应该是10价的，但实际上因为立体构造型的空间阻碍，能够结合抗原的只有5个结合点。b细胞表面Ig(SmIg )是特异性识别抗原的接纳体，成熟b细胞球主要表达SmIgM和SmIgD，同一b细胞克隆表达不同种类的SmIg，其识别抗原专一性相同。(2)激活补体1.IgM、IgG1、IgG2和IgG3可以通过经典途径激活补体。 当抗体与相应的抗原结合时，IgG的CH2和IgM的CH3结合C lq露出补体结合点，开始激活补体。 Clq的6个亚单位中，一般需要2个c末端

18、的球与补体结合点结合后依次激活Clr和Cls，因此IgG激活补体需要一定的浓度，保证2个相邻的IgG单体与云同步中1个Clq分子的2个亚单位结合。 Clq的一个c末端球部结合IgG时亲和性低，Kd为10-4M，Clq的两个以上的球部结合两个以上的IgG时亲和性变高的Kd为10-8M。 IgG和Clq的结合点位于CH2功能区最后的折叠日式榻榻米株318322位的氨基酸残馀化学基(Glu-x-Lys-x-Lys )。 IgM倍以上。 人天然抗a和抗b血型系统抗体为IgM，血型系统不合输血反应迅速而严重。2 .凝聚的IgA、IgG4、IgE等可以通过替代途径活化补体。(3)结合fc接纳体分别用FcR、FcR、FcR等来表示在不同细胞表面中具有不同Ig的Fc接纳体。 当Ig与相应抗原结合时，结构型改变