Антитела, как специфические белки. Их структура и функции

Реферат

«Антитела, как специфические белки. Их структура и функции» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Содержание:

1. Антитела………………………………………………………………3
2. Классы иммуноглобулинов и их физико-химические свойства…...4
3. Структура антител и их специфичность………….............................7
4. Виды антител и их синтез……………………………………………9
5. Антигены…………………………………………………………….10
6. Современные теории образования антител………………………..15
7. Выделение антител и их очистка…………………………………..16
8. Применение антител………………………………………………...17
9. Литература…………………………………………………………..18

     Антитела

     Антитела - специфические белки, иммуноглобулины, образующиеся в организме под  воздействием антигена и обладающие свойством специфически с ним связываться и отличающиеся от обычных глобулинов наличием активного центра.

     Защитная  роль антител как факторов гуморального иммунитета обусловлена их антигенраспознающей и антигенсвязывающей активностью и рядом эффекторных функций: способностью активировать систему комплемента, взаимодействовать с различными клетками, усиливать фагоцитоз. Эффекторные функции антител реализуются, как правило, после их соединения с антигеном, вслед за которым происходит удаление чужеродного агента из организма. При инфекциях появление в крови больного антител против возбудителя инфекции свидетельствует о сопротивлении организма данной инфекции, а уровень антител служит мерой напряженности иммунитета.

     Впервые появление в крови у животных веществ, которые специфически взаимодействовали с введенными ранее токсинами бактерий, обнаружили в 1890 г. Беринг и Китасато (Е. Behring, S. Kitasato). Вещество вызывало обезвреживание токсина и было названо антитоксином. Более общий термин «антитела» был предложен, когда выявили возникновение подобных веществ при введении в организм любых чужеродных агентов. Первоначально о появлении и накоплении антител судили по способности исследуемых сывороток давать при соединении с антигенами видимые серологические реакции или по их биологической активности — способности нейтрализовать токсин, вирус, лизировать бактерии и чужеродные клетки. Предполагали, что каждому феномену соответствуют особые антитела. Однако впоследствии оказалось, что тип антиген — антитело реакции определяется физическими свойствами антигена — его растворимостью, а антитела разной специфичности и видового происхождения принадлежат к гамма-глобулиновой фракции крови или, по номенклатуре ВОЗ, к иммуноглобулинам (lg). Иммуноглобулины — это совокупность сывороточных белков, несущих активность антител. Позже была обнаружена гетерогенность по физико-химическим свойствам и сродству к антигену антител одной специфичности, выделенных от одного индивида, и показано, что они синтезируются в организме разными клонами плазматических клеток. Важным шагом в изучении строения антител стало использование с этой целью миеломных белков — гомогенных иммуноглобулинов, синтезируемых одним клоном плазматических клеток, подвергшихся малигнизации. 

     Классы  иммуноглобулинов и  их физико-химические свойства

     Иммуноглобулины составляют около 30% всех белков сыворотки  крови. Их количество значительно возрастает после антигенной стимуляции. Антитела могут принадлежать к любому из пяти классов иммуноглобулинов (lgA, lgG, lgM, lgD, lgE). Молекулы иммуноглобулинов всех классов построены из полипептидных цепей двух видов: легких (L) с молекулярной массой около 22000, одинаковых для всех классов иммуноглобулинов, и тяжелых (Н) с молекулярной массой от 50000 до 70000 в зависимости от класса иммуноглобулина. Структурные и биологические особенности каждого класса иммуноглобулинов обусловлены особенностями строения их тяжелых цепей. Основной структурной единицей иммуноглобулинов всех классов является димер двух идентичных пар легкой и тяжелой цепей (L—Н)₂.

     Иммуноглобулин G (lgG) имеет молекулярную массу около 160000, молекула состоит из одной (L—Н)₂-субъединицы и содержит два антигенсвязывающих центра. Это основной класс антител, составляющий до 70—80% от всех иммуноглобулинов сыворотки крови. Концентрация lgG в сыворотке крови 6—16 г/л. В процессе первичного иммунного ответа (после первичного введения антигена) он появляется позднее lgM-антител, но образуется раньше при вторичном иммунном ответе (после повторного введения антигена). lgG — единственный класс антител, которые проникают через плаценту и обеспечивают иммунологическую защиту плода, активируют систему комплемента, обладают цитофильной активностью. Благодаря высокому содержанию в сыворотке крови lgG имеет наибольшее значение в противоинфекционном иммунитете. Поэтому об эффективности вакцинации судят по наличию его в сыворотке крови.

     Иммуноглобулин  М (lgM) имеет молекулярную массу 900000. молекула состоит из 5 (L—Н)₂-субъединиц, скрепленных дисульфидными связями и дополнительной пептидной цепью (J-цепь). lgM составляет 5—10% от всех иммуноглобулинов сыворотки крови; концентрация его в сыворотке крови 0,5—1,8 г/л. Антитела этого класса образуются при первичном иммунном ответе. Молекула lgM содержит 10 активных центров, поэтому lgM особенно эффективен против микроорганизмов, содержащих в мембране повторяющиеся антигенные детерминанты. lgM обладает высокой агглютинирующей активностью, сильным опсонизирующим эффектом, активирует систему комплемента. В виде мономера является антигенсвязывающим рецептором В-лимфоцитов. 
 

     Иммуноглобулин A (lgA) составляет 10—15% от сывороточных иммуноглобулинов; концентрация его в сыворотке 1—5 г/л крови. lgA существует в виде мономера, димера, тримера (L—Н)₂-субъединицы. В виде секреторного lgA (slgA), устойчивого к протеазам, является основным глобулином экстраваскулярных секретов (слюны, слезной жидкости, носового и бронхиального секретов, поверхности слизистых оболочек желудочно-кишечного тракта). lgA-антитела обладают цитофильной активностью, агглютинируют бактерии, активируют систему комплемента, нейтрализуют токсины, создают защитный барьер в местах наиболее вероятного проникновения инфекционных агентов. Уровень lgA в сыворотке крови возрастает при перинатальных инфекциях, заболеваниях дыхательных путей.

     Иммуноглобулин  Е (lgE) имеет вид мономера (L—Н)₂-субъединицы и молекулярную массу около 190000. В сыворотке крови содержится в следовых количествах. Обладает высокой гомоцитотропной активностью, т.е. прочно связывается с тучными клетками соединительной ткани и базофилами крови. Взаимодействие связанных с клетками lgE с родственным антигеном вызывает дегрануляцию тучных клеток, высвобождение гистамина и других вазоактивных субстанций, что приводит к развитию гиперчувствительности немедленного типа. Ранее антитела lgE-класса назывались реагинами.

     Иммуноглобулин D (lgD) существует в виде мономерного антитела с молекулярной массой около 180000. Концентрация его в сыворотке крови 0,03—0,04 г/л. lgD в качестве рецептора присутствует на поверхности В-лимфоцитов.  

     Структура антител и их специфичность

       Общий план строения макромолекулы  обычно рассматривают в отношении lgG-антател. включающих одну (L—Н)₂-субъединицу. При ограниченном протеолизе папаином молекулы А этого класса распадаются на два идентичных Fab-фрагмента и Fc-фрагмент. Каждый Fab-фрагмент содержит по одному активному центру, или антидетерминанте, т.к. соединяется с антигеном, но не может его преципитировать. В организации активного центра принимают участие вариабельные участки легкой и тяжелой цепей.

     Fc-фрагмент  не связывает антиген. В его  состав входят константные участки  тяжелых цепей. В Fc-фрагменте  расположены центры, ответственные за эффекислоторные функции, общие для всех антител одного класса. Схематически молекулу lgG-антител можно представить в виде буквы Y, верхние плечи которой составляют идентичные Fab-фрагменты, а нижний отросток является Fc-фрагментом.

     Иммунная  система позвоночных способна синтезировать 10⁵—10⁸ молекул антител разной специфичности. Специфичность — важнейшее свойство антител позволяющее им избирательно реагировать с тем антигеном, которым был стимулирован организм. Специфичность антител определяется уникальностью строения антидетерминанты и является результатом пространственного соответствия (комплементарности) между детерминантой антигена и аминокислотными остатками, выстилающими полость анти-детерминанты. Чем выше комплементарность, тем большее число нековалентных связей возникает между детерминантой антигена и аминокислотными остатками антидетерминанты и тем прочнее, стабильнее образующийся иммунный комплекс. Различают аффинность антител, которая является мерой прочности связывания одной антидетерминанты с детерминантой, и авидность антител — суммарную силу взаимодействия поливалентного антитела с полидетерминантным антигеном. Хотя антитела способны различать незначительные изменения в структуре антигена, известно, что они могут реагировать и с детерминантами сходной структуры. Антитела одной специфичности представлены пулом молекул с разной молекулярной массой, электрофоретической подвижностью и разным сродством к антигену.

     Для получения однородных по специфичности  и сродству к антигену антител  применяют гибридому — гибрид моноклона антителопродуцирующей клетки с клеткой миеломы. Гибридома приобретает способность продуцировать в неограниченном количестве моноклональные антитела абсолютно идентичные по классу и типу молекул, по специфичности и сродству к антигену. Моноклональные антитела — наиболее перспективное диагностическое и лечебное средство. 

     Виды  антител и их синтез

     Различают полные и неполные антитела. Полные антитела имеют в молекуле не менее двух активных центров и при соединении с антигенами дают видимые серологические реакции. Могут быть тепловые и холодовые полные антитела, которые реагируют с антигеном соответственно при t° 37° или при 4°. Известны двухфазные, биотермические антител. Они соединяются с антигеном при низких температурах, а видимый эффект соединения проявляется при 37°. Полные антитела могут принадлежать ко всем классам иммуноглобулинов. Неполные антитела (моновалентные, непреципитирующие, блокирующие, агглютиноиды) содержат в молекуле одну антидетерминанту, вторая антидетерминанта или замаскирована, или обладает низкой аффинностью. Неполные антитела не дают при соединении с антигеном видимых серологических реакций. Их выявляют по способности блокировать реакцию специфического антигена с полными антителом той же специфичности либо с помощью антиглобулинового теста — так называемые пробы Кумбса. К неполным антителам относятся антитела к резус-фактору.

     Нормальные (естественные) антитела обнаруживают в крови животных и человека при отсутствии явной инфекции или иммунизации. Антибактериальные нормальные возникают, вероятно, в результате постоянного, незаметного контакта с данными бактериями. Предполагают, что они могут определять индивидуальную устойчивость организма к инфекциям. К нормальным антителам относят изоантитела, или алло-антитела. Нормальные, как правило, представлены lgM.

     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 антитела принадлежат к lgM. Затем количество их 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 противокоревой и противооспенный иммунитет. 

     Антигены

     Антигенами (от anti — против, genos — род, происхождение) в инфекционной иммунологии было принято называть чужеродные для организма вещества, которые при попадании в его внутреннюю среду способны вызывать образование специфических антител и соединяться с ними. Однако в настоящее время это определение не является полным, так как стали известны такие иммунологические феномены, как реакция повышенной чувствительности замедленного типа, иммунологическая толерантность, трансплантационный иммунитет, причем в этих реакциях в результате действия антигена на организм могут появиться сенсибилизированные к данному антигену клетки (лимфоциты) при трансплантационном иммунитете либо происходит подавление активности лимфоидных клеток при иммунологической толерантности. Поэтому в настоящее время дается более широкое определение и антигенами называют вещества, которые при попадании в организм способны вызвать специфические иммунологические реакции: синтез иммуноглобулинов, появление сенсибилизированных лимфоцитов, иммунологическую толерантность к этому веществу, иммунологическую память.

     Антигенами  могут быть разнообразные чужеродные вещества белковой природы, а также белки в соединении с липидами, полисахаридами; микробные клетки, их токсины, ферменты агрессии микробной клетки; различные клетки животного и растительного происхождения; сложные комплексы, состоящие из полисахаридов, липидов и белков — эндотоксины микробной клетки.

     Существуют  полноценные антигены, которые способны вызвать в организме синтез иммуноглобулинов и реагировать с ними. Свойствами полноценных антигенов обладают белки, высокополимерные нуклеиновые  кислоты и сложные полисахариды. Для антигенов характерна строгая  специфичность, то есть они способны вызывать в организме образование только специфических антител, которые вступают в реакцию только с антигеном, вызвавшим их образование.

     Кроме полноценных антигенов, существуют неполноценные, которые называют гаптенами. Термин «гаптен» (от haptein — прикреплять) введен в 1936 г. К. Ландштейнером. Отличие неполноценного антигена от полноценного заключается в том, что гаптены лишены иммуногенности, т. е. не способны вызывать образование иммуноглобулинов, но могут соединяться с готовыми, специфическими для них антителами и участвовать в реакциях иммунитета.

     Важной  способностью является то, что у  естественных полноценных антигенов  носителями специфичности являются гаптены. Свойствами гаптенов обладают углеводы с низкой молекулярной массой. Гаптены вследствие маленькой молекулярной массы не способны фиксироваться клетками организма и не могут индуцировать выработку антител. Если молекулы гаптена  укрупнить путем адсорбции гаптена на любом индифферентном белке, такой комплекс превращается в полноценный антиген, способный индуцировать выработку антител. Белок, который укрупняет молекулу гаптена, получил название «шлеппер», т. е. проводник.

     Гаптенами являются и гетерогенные антигены Форсмана, которые были описаны в 1911 г. шведским ученым и названы его именем. Д. Форсман показал, что в органах животных разных видов (кошки, собаки, морские свинки, куры, рыбы и др.) содержится один общий антиген. Это липоидная фракция, которая и обладает свойствами гаптена.

     Некоторые химические вещества (йод, бром, коллоидное железо), лекарственные препараты или продукты их расщепления, находясь в организме человека, являются полугаптенами. Полугаптены в отличие от гаптенов не дают видимой реакции при соединении с антителами, но в то же время полностью блокируют их, так что последующее добавление антигена не вызывает реакции. В организме человека такие полугаптены, особенно химические компоненты лекарств, способны соединяться с белками, приобретать свойства антигенов и вызывать выработку антител. При последующих введениях такого лекарства могут возникать иммунологические конфликты или непереносимость препарата.

     Свойства  антигенов.

     1. Антигены должны быть чужеродными  для данного организма. Появление антител к собственным белкам в организме возможно только при развитии патологических процессов.

     2. Антигенность связана со способом  введения антигена в организм. Она проявляется при парентераль  ном введении (под кожу, внутрикожно,  внутримышечно, внутривенно и  т. д.), т. е. минуя желудочнокишечный  тракт. Однако антитела могут  образовываться и при энтеральном  введении антигена.

     3. Полноценные антигены — вещества, имеющие в ысокую молекулярную массу (10 000 и выше) и сложное строение.

     4. Некоторые исследователи связывают  антигенность с жесткостью поверхностной  структуры, которую определяют  как детерминанту, представляющую собой химические группы, располагающиеся по периферии молекулы антигена; они и обеспечивают антигенную специфичность. Детерминантой молекулы белка являются аминокислоты, составляющие полипептидные цепи, особенно их концевые части. Количество детерминант может быть различным.

     5. Большое значение имеет физическое  состояние антигена, поэтому вводимый  в организм антиген должен  находиться в растворенном состоянии для лучшей его ассимиляции. 
Существует понятие валентность антигенов, определяющее число детерминант, т. е. реактивных групп в молекуле, с помощью которых антиген соединяется с 144 антителом. Валентность белковой молекулы колеблется от 5 до 15.

     Аутоантигены  — вещества собственных тканей, лишенных в эмбриональном периоде контакта с иммунокомпетентными клетками (ткани головного мозга, хрусталика глаза, яичек, щитовидной железы, сперма), а также любая ткань организма, изменившая свои физикохимические свойства. Часто аутоантигены возникают под действием лекарственных веществ, токсинов и ферментов бактерий, вирусов, под влиянием физических факторов (холод, ожог, облучение).

     Антигены  эритроцитов. У человека различают  три основные разновидности эритроцитарных антигенов: 1) гетерофильные, например, антигены Форсмана, встречающиеся и у многих других видов животных и бактерий; 2) видовые, не встречающиеся у других видов животных, но имеющиеся в эритроцитах (и тканях, жидкостях) всех людей; 3) специфические, групповые — изоантигены, содержащиеся в эритроцитах отдельных индивидуумов. Из всех систем эритроцитарных антигенов наибольшее значение в практике имеет система АВО, по которой кровь всех людей делится на 4 группы: 0 (I), А (II), В (III), AB (IV). Важно знать принадлежность крови человека к определенной группе при переливании. Кровь I группы можно переливать лицам со всеми прочими группами, так как ни А, ни В антигенов в эритроцитах этой группы крови нет; кровь II группы можно переливать лицам с II и IV группами, кровь III группы — людям с III и IV группами (у них не имеется антител к эритроцитарным антигенам, находящимся в переливаемой крови), а кровь IV группы можно переливать только индивидуумам с той же группой, не имеющим ни а, ни в антител.

     В эритроцитах человека содержится более 100 антигенов 19 систем. 
Большое значение принадлежит резусфактору (Rhантиген). В зависимости от наличия или отсутствия резусантигена все люди делятся на резусположительных (Rh+) и резусотрицательных (Rh—). В случае брака между резусположительным мужчиной и резусотрицательной женщиной у плода в крови может содержаться Rh+ (от отца) и тогда в сыворотке матери появляются антитела, которые к концу беременности проникают в кровь ребенка и вызывают лизис эритроцитов (гемолитическая болезнь). Заболевание это встречается редко — в 1 случае на 200 беременных. Очевидно, существуют какие-то еще неизвестные механизмы, которые предохраняют организм ребенка от повреждающего действия антител и организм матери от сенсибилизации.

     С антигенами лейкоцитов (их известно более 30) и тканей и органов человека связана проблема гистосовместимости при пересадке тканей и органов. Тканям человека присуща почти абсолютная индивидуальность, поэтому очень трудно подобрать донора ткани для пересадки. Как и с системой эритроцитарных антигенов,  донор и реципиент совместимы, если у донора нет антигенов, отсутствующих у реципиента.

     Антигены  микроорганизмов. Все бактерии, вирусы и их отдельные структуры, токсины  являются полноценными антигенами, так  как способны индуцировать синтез иммуноглобулинов и реагировать с ними в иммунологических реакциях. Антигенная структура микробных клеток представляет собой мозаику, состоящую из различных компонентов.

     По  расположению в микробной клетке различают антигены: капсульные (у бактерий, образующих капсулу), поверхностные, оболочечные К-антигены, которые отличаются от антигенов клетки, соматические, или О-антигены, и жгутиковые, или Н-антигены.

     Усовершенствование  методов иммунохимического анализа  показало, что многие микроорганизмы одного и того же вида могут различаться  по антигенной структуре и в зависимости  от этого делятся на серологические варианты (типы). Эти особенности  учитываются при диагностике  и профилактике инфекционных заболеваний и при эпидемиологических исследованиях. 

     Современные теории образования  антител

     Образование антитела является результатом межклеточного взаимодействия, возникающего под влиянием иммуногенного стимула. В клеточной кооперации участвуют три типа клеток: макрофаги (А-клетки). лимфоциты тимусного происхождения (Т-лимфоциты) и лимфоциты костномозгового происхождения (В-лимфоциты). Т- и В-лимфоциты имеют на своей поверхности генетически детерминированные рецепторы для антигенов самой разнообразной специфичности. Таким образом, распознавание антигена сводится к отбору (селекции) клонов Т- и В-лимфоцитов, несущих рецепторы данной специфичности. Иммунный ответ осуществляется по следующей схеме. Антиген, попадая в организм, поглощается макрофагами и перерабатывается ими в иммуногенную форму, которая распознается иммуноглобулиноподобными рецепторами Т-лимфоцитов (помощников), специфичными к данному антигену. Молекулы антигена, связанные с иммуноглобулиновыми рецепторами, отрываются от Т-лимфоцитов и присоединяются к макрофагам через Fc-рецепторы иммуноглобулинов. На макрофагах образуется таким способом «обойма» антигенных молекул, которая распознается специфическими рецепторами В-лимфоцитов. Только такой массированный сигнал может вызвать пролиферацию и дифференцировку В-лимфоцита (предшественника) в плазматическую клетку. Следовательно, Т- и В-лимфоциты распознают различные детерминанты на одной молекуле антигена. Клеточная кооперация возможна лишь при наличии двойного распознавания. Феномен двойного распознавания заключается в том, что Т- и В-лимфоциты распознают чужеродную антигенную детерминанту только в комплексе с продуктами генов основного комплекса гистосовместимости своего организма. Известно, что клеточной кооперации между аллогенными клетками не происходит. Вероятно, ассоциация антигенной детерминанты со своими поверхностными структурами осуществляется на поверхности макрофагов в процессе переработки антигена в иммуногенную форму, а также на поверхности лимфоцитов. 

     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 антителами, чаще всего фракцию lgG-антител. К ним относятся высаливание иммуноглобулинов сернокислым аммонием 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 антител 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 антитела 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 значительно упрощается и включает пропускание иммунной сыворотки через колонку с иммуносорбентом, отмывку иммуносорбента от несвязавшихся белков сыворотки, элюцию фиксированного на иммуносорбенте антитела при низких значениях рН и удаление диссоциирующего агента путем диализа. 

     Применение  антител

     Сыворотки, содержащие антитела, называются иммунными сыворотками, или антисыворотками. Антитела в составе глобулиновых фракций иммунных сывороток широко используют для лечения и профилактики ряда инфекционных болезней. Особенно эффективно применение в этих целях антитоксических антител против бактериальных токсинов — дифтерийного, столбнячного, ботулинического и других. С помощью антител к групповым веществам крови оценивают совместимость крови донора и реципиента при переливании крови. Антитела к трансплантационным антигенам используют для выбора донора при пересадке органов и тканей. Широко применяют антитела для идентификации возбудителей различных заболеваний и для идентификации антигенов в судебно-медицинской практике.  
 

     Литература: 

1. Интернет. Википедия.
2. Василенко Ю.К., Биологическая химия – Пятигорск, 2005
3. Интернет. Медицинская энциклопедия.
4. Биохимия антител – М.,1966
5. Эдельман, Структура и функции антител, 1071.
6. Воробьев А.А., Быков А.С., Пашков Е.П., Рыбакова А.М.,

 Микробиология.- М.: «Медицина», 1998.