В організмі при прояві імунної відповіді взаємодіють антитіла та антигени. Однак у певних умовах останні можуть викликати стан так званої специфічної нерозділеності - толерантності. Антитіла та антигени сприяють формуванню імунологічної пам'яті. Далі розглянемо другий тип речовин. У статті з'ясуємо, що таке антиген.

Загальні відомості

Що таке антиген? Простіше кажучи, це зазвичай чужорідні сполуки. До них відносять полісахариди, білки та їх комплекси. При зміні за допомогою хімічної модифікації можна отримати кон'юговані речовини. Такі сполуки можуть бути сформовані на основі білків, які належать безпосередньо реципієнту. Аутологічна речовина, денатурована хімічним або фізичним способом, також може перетворюватися на антиген.

Визначення

В організм можуть проникнути біополімери або синтетичні їх аналоги, здатні викликати імунну відповідь. Ці сполуки називаються антигенами. Вони сприяють виробленню клітин-ефекторів тимічної природи. Антитіла, що з'являються на тлі імунної реакції, починають специфічним чином взаємодіяти з антигенами або хімічними сполуками, що мають подібну будову. Якщо останні не провокують захисної відповіді, їх називають гаптенами. Саме вони провокують імунологічну толерантність. Здатність викликати захисну реакцію мають синтетичні поліпептиди, виступаючи як білкові антигени. Однак необов'язково їх первинна і просторова структура повинна бути подібна до будь-якої конкретної білкової сполуки. Істотним чинником прояви антигенних властивостей цих речовин полягає у освіті стійкої просторової структури. У зв'язку з цим полімери, сформовані з однієї амінокислоти (гомополімери) не мають властивостей викликати імунну відповідь. Антигенні здібності з'являються у поліпептидів, при утворенні яких задіяні 2 амінокислоти.

Питання дослідження

Що таке антиген? Класична імунологія називає такою речовиною цілу клітину тваринного чи бактеріального походження. Однак це не так з хімічної точки зору. Вище сказано, що таке по суті антиген. Це не клітина, в якій є велика кількість нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів. Антигени людини, одержані в очищеному вигляді, можуть використовуватися для індукції імунної реакції. При цьому вона буде специфічною для того чи іншого біополімеру. Розглядаючи очищену структуру як індивідуальний антиген, будь-яке їх поєднання необхідно описувати як сімейство окремих сполук. Даний термін може застосовуватися при позначенні спонтанно агрегує певного біополімеру. Прикладом можуть бути деякі антигени вірусів чи бактерій. Так, джгутиків грамнегативних мікроорганізмів роду Сальмонел, флагеллін може виявлятися як у полімеризованому, так і мономерному вигляді. І в тому, і в іншому випадку даний антиген може індукувати формування антитіл, при тому, що умови для цього різні. Зокрема, полімер фелагеліну тимусонезависим, а мономер - тимусозависим.

Зв'язок із молекулярною масою

Встановити її можна лише за порівняння речовин одного класу. Наприклад, це стосується різних білків з однотипною третинною та вторинною структурами: фібрилярних та глобулярних. У подібних випадках можна встановлювати пряму залежність між здатністю полімеру індукувати формування антитіл та його молекулярною масою. Ця закономірність, тим не менш, не є абсолютною. Крім іншого, вона залежить від інших властивостей сполуки як хімічних, так і біологічних.

Ступінь прояву властивостей

Виразність антигенних характеристик білків, що виступають як найбільший і значущий клас, залежатиме від ступеня віддаленості в еволюційному відношенні донора, від якого отримано з'єднання, і реципієнта, якому воно вводиться. Коректним буде лише в тому випадку, якщо в оцінці використані однотипні речовини. Наприклад, якщо альбуміном сироватки щура і людини імунізувати мишей, то першу відповідь буде більш виражений. Якщо біополімер відрізняється підвищеною чутливістю до розщеплення, його властивості будуть менш виражені, ніж у речовини, що проявляє більшу стійкість до ферментативного гідролізу. Так, у разі використання синтетичних поліпептидів або білкових кон'югатів як антигени, більш вираженою буде відповідь на ту речовину, у складі якої присутні неприродні D-амінокислоти. Вирішальна роль прояві імунної відповіді відводиться генотипу реципієнта.

Детермінантні групи

Ними позначають молекулярні ділянки біополімеру, синтетичного його аналога чи кон'югованого антигену, які розпізнаються антигензв'язуючими В-лімфоцитними рецепторами та антитілами. У молекулі зазвичай є кілька детермінантних груп, різних за своєю будовою. Кожна з них може кілька разів повторюватися. Якщо в молекулі сполуки є лише одна група з певною будовою, формування проти неї антитіл не відбуватиметься. У процесі збільшення ідентичних комплексів зростатиме і імунна відповідь на них. Однак цей процес йтиме до певного моменту, після чого знижуватиметься і може зовсім не спостерігатися згодом. Це явище було досліджено в процесі використання кон'югованих антигенів з різною кількістю замісників, які виконували завдання детермінантної групи. Відсутність імунної реакції на біополімери з підвищеною епітопною густиною обумовлена ​​механізмом активації лімфоцитів В-групи.

Раково-ембріональний антиген

Він є одним з різновидів білків нормальної тканини, яка у здорових людей виробляється в незначному обсязі клітинами деяких органів. РЕА за своєю хімічною структурою є сполукою вуглеводів та білка. Призначення його у дорослих невідоме. Однак у період внутрішньоутробного формування він інтенсивно синтезується органами системи травлення, виконуючи у своїй досить важливі завдання. Вони пов'язані зі стимуляцією клітинного розмноження. Раково-ембріональний антиген виявляється у тканинах травних органів, але у досить малій кількості. Назва даного онкомаркера частково характеризує його біологічну природу, але здебільшого все ж таки властивості, що є цінними при лабораторному дослідженні. Термін "ембріональний" має зв'язок з фізіологічними завданнями під час розвитку в допологовий період, антиген свідчить про можливість ідентифікації його в біологічних середовищах за допомогою імунохімічного методу зв'язування. При цьому безпосередньо в організмі він не виявляє жодних властивостей. У нормі здорового організму концентрація РЕА досить низька. На тлі ж онкологічного процесу його рівень зростає досить різко, досягаючи досить високих показників. У цьому його характеризують як тканинний маркер онкологічних патологій, чи онкомаркер.

Рівень РЕА

Аналіз на антиген застосовується у діагностиці різних злоякісних новоутворень, головним чином раку прямої та товстої кишки. Дослідження здійснюється на ранніх стадіях патологій, у процесі спостереження за перебігом захворювання та контролю за ефективністю терапевтичних заходів. На тлі раку товстої та прямої кишки тест відрізняється найвищою чутливістю. Саме це дозволяє застосовувати його за первинної діагностики. Після успішного виконання операції з видалення всієї пухлинної тканини концентрація РЕА приходить у норму максимум через два місяці. Регулярні аналізи згодом дозволяють оцінювати стан пацієнта після отримання лікування. Виявлення високого рівня РЕА дає змогу своєчасно виявити рецидив патології. При зниженні вмісту антигену на фоні терапії фахівці роблять висновок щодо результативності лікувального впливу.

Підвищення концентрації РЕА: діапазон патологій

Проте тест не вважається пухлин абсолютно специфічним. Підвищення рівня РЕА може відзначатися і натомість різних захворювань внутрішніх органів, мають запальну та іншу природу. У 20-50% пацієнтів із доброякісними патологіями підшлункової залози, кишечника, легень та печінки концентрація антигену трохи збільшується. Те саме спостерігається на тлі цирозів, хронічних гепатитів, виразкових колітів, муковісцидозу, емфіземи, бронхітів, хвороби Крона, панкреатитів, пневмонії, аутоімунних хвороб, туберкульозу. Крім цього, підвищення рівня може зумовлюватися не захворюванням, а, наприклад, регулярним прийомом спиртного чи курінням.

Особливості переливання крові

Основною з них є специфічність та індивідуальність, якими мають антигени еритроцитів. При несумісності біополімерів реципієнта та донора категорично заборонено. В іншому випадку неминучими є патологічні процеси і навіть смерть хворого. В імуногенетиці для тестування та дослідження еритроцитарних антигенів використовуються методи До них, зокрема, відносять реакції гемолізу, преципітації, аглютинації. Еритроцитарні гени представлені у вигляді складних біополімерних макромолекул. Вони накопичуються на стромі (оболонці) та з'єднуються з іншими молекулами сполук. Для кожної особини характерний індивідуальний хімічний склад та власна структура.

Антигени- Це речовини або ті форми речовин, які при введенні у внутрішнє середовище організму здатні індукувати на себе імунну відповідь у вигляді продукції специфічних антитіл та/або імунних Т-лімфоцитів (Р. М. Хаїтов).

Термін антиген (анти - проти, ген - дискретна одиниця спадковості) розшифровується як щось, структура чого суперечить спадковій інформації організму-господаря. Така назва є не зовсім коректною, оскільки власні структури макроорганізму також можуть мати антигенні властивості. Їх прийнято називати аутоантигенами. Правильніше вважати, що антиген - це субстанція, здатна пов'язати антигенрозпізнавальні рецептори імунокомпетентних клітин, тобто. антигенність визначається не так внутрішніми властивостями самого антигену, скільки можливостями розпізнавання його (ідентифікації як антигену) клітинами імунної системи організму-господаря, тому більш коректним є термін імуноген, що позначає, що при попаданні в макроорганізм дана речовина здатна викликати на себе імунну відповідь. Зокрема, імунна система забезпечує синтез спеціальних глікопротеїнів (антитіл), здатних специфічно пов'язувати певні імуногени.

За хімічною структурою антигени (імуногени) можуть бути білками, глікопротеїнами, ліпопротеїнами, полісахаридами, фосфоліпідами та глі-коліпідами. Головна умова – достатня молекулярна маса, завдяки якій антигени є макромолекулами. Інакше імунна система навіть не «перевіряє» наявність антигенних властивостей у чужорідної субстанції. Справа в тому, що для активації лімфоцитів потрібно попереднє розгортання так званих доімунних реакцій, тобто діяльність фагоцитуючих клітин. Останні здійснюють захоплення цілісних об'єктів або макромолекул і перетворюють їх із корпускулярної (корпускула — частка) на молекулярну форму, доступну для розпізнавання імунокомпетентними клітинами.

Гаптен

У поодиноких випадках можна індукувати імунну відповідь на низько-молекулярні сполуки. Для досягнення належної молекулярної маси чужорідна низькомолекулярна субстанція повинна кон'югуватися з мак-ромолекулою організму-господаря. Власне, такий імуноген називається гаптеном (неповним антигеном), а макромолекула — носієм. У результаті взаємодії цих компонентів стає можливим розпізнавання всього утвореного комплексу, що має достатню молекулярну масу. При цьому імунна відповідь спрямована як проти гаптена, так і проти власної макромолекули, що зв'язала неповний антиген. Це може призвести до імунних реакцій самоушкодження, які називаються аутоімунними.

Патогенами прийнято називати цілісні об'єкти (бактеріальна клітина, вірус, частка пилу тощо), які при попаданні в організм призводять до патологічних змін у ньому. Зазвичай патоген містить багато антигенів. Матеріал із сайту

Припустимо, що в організм людини вторглася патогенна бактерія. Бактеріальна клітина має безліч поверхневих молекул, що виконують найрізноманітніші функції. Усі вони є фенотиповим проявом бактеріального геному, тобто характеризуються чужорідністю. Але далеко не кожна з таких поверхневих структур має антигенні властивості, оскільки як антигени ідентифікуються лише ті молекули, до яких на момент вторгнення патогена є імунокомпетентні клітини з комплементарними антигенрозпізнаючими рецепторами. Тому антигенний спектр конкретного збудника визначається поточним станом імунної системи організму-господаря і може варіювати не тільки у представників одного біологічного виду, а й у конкретного організму у різні періоди онтогенезу. Це пояснює високу індивідуальність імунної відповіді, оскільки імунні реакції, спрямовані проти різних структур патогену, неоднаково згубні для нього.

АНТИГЕНИ(грецька anti-проти + gennaö створювати, виробляти) - будь-яка речовина, яка, надходячи в організм парентеральним шляхом, викликає специфічну імунологічну реакцію, що проявляється в утворенні специфічних антитіл. Попадання антигенів в організм може супроводжуватися виникненням стану толерантності до цієї речовини (див. імунологічна толерантність) або підвищенням чутливості до даного антигену. (Див. Алергія).

Специфічним антигеном може бути певна молекулярно-гомогена речовина. Однак антигенні властивості окремих речовин виявляються і в тому випадку, якщо вони входять до складу складних сумішей та систем. Тому в клініці інфекційних хвороб, у лабораторній та епідеміологічній практиці термін «антиген» часто використовують по відношенню до таких складних систем, як мікробні, рослинні та тваринні клітини, тканинні екстракти, біологічні рідини і т. д., маючи при цьому на увазі окремі, що містяться у цих системах антигени. Термін «антиген» нерідко вживають і для позначення речовин, які, на відміну від повноцінних антигенів, не здатні самостійно стимулювати синтез антитіл (див.) в організмі, але можуть специфічно реагувати з антитілами, що вже утворилися. У імунології визначення таких речовин прийнятий спеціальний термін - гаптени (див.).

За своєю природою антигени – високомолекулярні полімери природного походження або синтезовані штучним шляхом. Властивості повноцінних антигенів мають білки, поліпептиди, полісахариди, а також, ймовірно, високополімерні нуклеїнові кислоти та комплексні сполуки цих речовин.

Антигенність визначається не тільки особливостями хімічної будови речовин, але також залежить від видової приналежності імунізованої тварини та її генетичної конституції (див. Імуногенетика). Одна і та ж речовина, не будучи антигенною по відношенню до тварин одного виду, викликає специфічну імунологічну реакцію при введенні особин іншого виду. Так, полісахарид декстран не є антигеном для кролів, а при введенні людині стимулює синтез специфічних антитіл навіть після одноразової ін'єкції. Більш того, в межах одного виду зустрічаються особини, рефрактерні (не виробляють антитіла) і, навпаки, високочутливі до цього антигену.

Антигенність як біологічне явище відносна, і реалізації цієї властивості необхідно проникнення речовини у внутрішнє середовище імунокомпетентного організму, чутливого до цієї речовини.

Незважаючи на величезну кількість фактів, отриманих в ході хімічного дослідження антигени, імунологія ще не досягла такого рівня, щоб можна було провести повний перелік тих фізико-хімічних особливостей будови речовин, які створюють необхідну основу виникнення антигенних властивостей. Проте відомі деякі ознаки, що відрізняють антигенні речовини від неантигенних, наприклад, властивостями повноцінних антигенів мають речовини, що характеризуються, як правило, високою молекулярною вагою - 10 000 і вище.

Функціонально активні білки складаються з субодиниць - поліпептидних ланцюгів, з'єднаних один з одним у єдину молекулу дисульфідними або водневими зв'язками. Дисоціація цих зв'язків у ряді випадків призводить до порушення антигенної специфічності. Так, фермент лактатдегідрогеназу (молекулярна вага 135000) складається з чотирьох субодиниць двох генетично різних типів. На відміну від нативного ферменту, поліпептидні субодиниці в дисоційованому стані не тільки не здатні індукувати синтез специфічних антитіл, а й не реагують з антисироваткою до ферменту нативного.

Поява антигенної здібності зі збільшенням молекулярної ваги речовин характерна як для білків, але й полісахаридів. Дослідження різних препаратів декстранів з молекулярною вагою від 10 000 до 200 000 показало, що стимуляцію антителогенезу у людини викликають декстрани, молекулярна вага яких не нижче 50 000. Разом з тим було б невірно вважати, що висока молекулярна вага є обов'язковою властивістю антигену. Так, сульфований полістирол - високомолекулярний полімер - не має антигенності. Нуклеїнові кислоти, незважаючи на високу молекулярну вагу, значно слабші антигени, ніж білки. Сироватковий альбумін і гемоглобін мають однакову молекулярну вагу (близько 70 000), проте здатність індукувати утворення антитіл у гемоглобіну виражена значно меншою мірою, ніж у альбуміну.

Явний виняток із викладеного складають антигеноактивні речовини, які характеризуються відносно невисокою молекулярною вагою: глюкагон, гормон підшлункової залози (молекулярна вага 3800) та інші, антигенна дія яких проявляється при імунізації з ад'ювантами (див.). Більш того, імунні властивості можуть мати синтетичні поліпептиди, молекулярна вага яких дорівнює 4000 і 1200.

Крім величини молекули, антигенність речовини визначається також і низкою інших її властивостей. Однією з необхідних властивостей антигенів, як вважають, є жорсткість структури детермінантних груп, що входять до його складу. Так, желатину, що є слабоантигенним білок, денатурований нагріванням, не володіє фіксованою внутрішньою структурою; до її складу входить багато гліцину, що не має в α-положенні бічних груп, що обумовлює можливість поздовжнього обертання. Якщо ж ввести в молекулу желатини хімічного угруповання, що збільшують жорсткість її структури (тирозин, триптофан, фенілаланін), вона перетворюється на порівняно сильний антиген. Аналогічного роду дані були отримані щодо антигенних властивостей синтетичних поліпептидів. Підвищувати жорсткість молекул полісахаридних антигенів можуть піранозні або фуранозні кільця.

Дослідження штучних поліпептидів дозволило встановити роль деяких амінокислот у прояві антигенних властивостей речовин. При порівнянні поліпептидів глю58-, тир4-, глю57-, ліз38-, ала5- було показано, що аланін, як і тирозин, посилює імуногенні властивості поліпептиду. Встановлено зниження впливу глутамінової кислоти на антигенність поліпептиду після введення до його складу невеликої кількості тирозину.

Менш зрозумілим є питання про значення заряджених груп для прояву антигенності. За даними одних дослідників, NH 3 + -групи необхідні забезпечення антигенної активності поліпептидів. Однак інші дослідники вважають, що у синтетичних поліпептидів, які не містять заряджених груп після дезамінування, здатність індукувати синтез антитіл не тільки зберігається, а й посилюється.

Властивістю антигенів є їхня здатність піддаватися в організмі процесам метаболізму. У цьому цікаві дані про роль оптичної ізомерії амінокислот у визначенні антигенності речовини. Як виявилося, поліпептиди, побудовані з L-амінокислот, є активними стимуляторами антитілогенезу, тоді як поліпептиди з D-амінокислот здатні викликати утворення антитіл лише при введенні в малих дозах. У великих дозах D-поліпептиди спричиняють толерантність.

Антигенна активність речовин, і зокрема їх здатність до індукції синтезу антитіл, найбільш сильно проявляється, в тому випадку, якщо тварина, що імунізується, належить до іншого, ніж джерело даної речовини, виду. Загальновизнано, що антигенність білків тим вища, чим до віддаленішої таксономічної групи відноситься імунізована тварина.

Білки та вуглеводи крові та внутрішніх органів зазвичай не антигенні для організму, в якому вони синтезуються, і в той же час антигенні для інших особин того ж виду. Ця закономірність не поширюється так зв. забар'єрні органи, тобто органи, відокремлені від кровотоку особливими бар'єрами (гемато-енцефалічний бар'єр, гемато-тестикулярний бар'єр та ін), білки яких у нормі зазвичай не надходять у кров і є антигенами для власного організму. До таких органів входить мозок, кришталик, паращитовидні залози, сім'яник.

Толерантність (імунологічна ареактивність організму до цього антигену) до власних білків добре пояснюється з позицій клонально-селекційної теорії імунітету. Одне з основних положень цієї теорії стверджує, що «розпізнавання» власних білків організму і толерантність до них пов'язані з елімінацією в ембріональному періоді розвитку всіх клонів лімфоїдних клітин, здатних реагувати проти антигену даного організму. З позицій цієї теорії антигени видаються речовинами, що несуть у собі ознаки чужорідної генетичної інформації. Отже, для того, щоб речовина могла виявити свої антигенні властивості, вона повинна відрізнятися від антигену тканин імунізованої особини. Звідси випливає, що антигенність речовини залежить від її специфічності.

За допомогою методу комплексних антигенів, тобто антигену, в молекулу яких штучно введено певну хім. Угруповання було встановлено, що антигенна специфічність комплексних антигенів визначається не всією макромолекулою в цілому, а властивостями цього угруповання - детермінантної групи. При цьому виявилося, що специфічність антигенів визначається не тільки хімічним складом детермінантної групи, а й положенням її в антигені, а також просторовим розташуванням атомів у ній та пов'язаною з цим їх стереоізомерією.

У природних білках антигенна специфічність визначається невеликою частиною її молекули. Встановлено, що реакцію утворення антитіл проти фіброїну шовку можуть специфічно пригнічувати продукти гідролізу шовку з молекулярною вагою, що дорівнює всього близько 600-1000, причому найефективнішими в такому пригніченні є гліцилаланінові ланцюжки довжиною 12 амінокислот (молекулярний). З октапептидів найбільш ефективним виявився глі-/глі3-ала3-/тир- з молекулярною вагою близько 600, який і є головною частиною специфічної антигенної детермінанти. За даними інших дослідників, антигенна специфічність декстрану, синтетичних поліпептидів (поліаланіну, полілізину), міоглобіну залежить від невеликих реактивних ділянок з молекулярною вагою в межах 350-990.

Порівняння антигенних властивостей білків з відомою послідовністю амінокислотних залишків дозволило встановити, що для появи нової антигенної специфічності достатньо мінімальних змін в первинній структурі білків. Так, антигенні відмінності інсулінів у деяких тварин (свиней, великої рогатої худоби, овець, коней) обумовлені заміщенням амінокислотних залишків лише у трьох ділянках поліпептидного ланцюга. Генетичні варіанти молекул імуноглобулінів людини різняться між собою лише одним амінокислотним залишком у 189-му положенні легких ланцюгів, проте цього виявляється достатньо, щоб вони розрізнялися як антигени.

Аналіз антигенної специфічності синтетичних поліпептидів показав далі, що великою мірою їхня специфічність визначається характером кінцевих груп. Однак у ряді випадків вдавалося відзначити існування перехресних реакцій між поліпептидами, кінцеві групи яких відрізнялися один від одного. Як було з'ясовано, такі перехресні реакції обумовлені наявністю загальних амінокислот в інших положеннях. У подальших дослідах було встановлено, що антитіла можуть бути спрямовані проти всього поліпептиду, що складається з п'яти амінокислот загалом. Подібні результати дали і досліди із вуглеводними гаптенами. Тут також було виявлено провідний вплив на специфічність антигену кінцевих груп, а також показано, що антитіла можуть бути спрямовані проти всього гаптену в цілому. Найбільшим угрупованням, яке може реагувати з цим антитілом і, отже, визначати специфічність антигену, є, очевидно, гексасахариди.

Таким чином, у природних білках та полісахаридах антигенна специфічність визначається складом та послідовністю амінокислот у поліпептидному ланцюгу та моноцукорів у полісахариді, особливо їх кінцевими амінокислотами або моноцукорами.

Як відомо, вторинна і зрештою третинна структура білкової молекули визначається послідовністю амінокислот. З іншого боку, антигенну специфічність молекули білка визначають переважно угруповання, розташовані її поверхні. Тому можна стверджувати, що антигенна специфічність білка залежить від його вторинної і, можливо, третинної структури. Крім того, наведені вище результати вивчення антигенних властивостей лактатдегідрогенази показують, що антигенна специфічність високомолекулярних білків, що складаються з субодиниць, може визначатися і їх четвертинною структурою.

Антигенні детермінанти, що утворюються на поверхні білкової молекули, можуть відрізнятися за формою, розмірами, за числом і набором амінокислот, що входять до цих детермінантів. У результаті імунізації навіть чистим кристалічним препаратом білка в організмі утворюються антитіла різних типів, неоднорідні за своєю специфічністю. Число антигенних детермінант у молекулі (валентність антигену) варіює у різних білків залежно від розмірів молекул: від 5 у молекулі яєчного альбуміну (молекулярна вага 40 500) до 40 у молекулі тиреоглобуліну (мол. вага 650 000). Однак прямої залежності між валентністю та молекулярною вагою антигенів не існує.

Характер взаємодії антигенних детермінант та решти молекули у визначенні антигенних властивостей речовини поки що повністю не розкритий. Проте накопичені факти свідчать, що стимуляція імунологічних реакцій організму здійснюється реактивними групами молекул антигенів, визначальними його специфічність, тобто детермінантними групами.

Говорячи про специфічність природних антигенів насамперед мають на увазі їх видову специфічність. Дійсно, для особин даного виду властива антигенна специфічність, не характерна для особин, що належать до будь-якого іншого виду живих істот. Не слід, однак, думати, що є якісь речовини, які спеціально «відповідають» за антигенну видоспецифічність. Таку видоспецифічність мають, очевидно, багато, якщо не більшість речовин, що містяться в організмі.

Хоча всі види живих істот чітко відрізняються один від одного своїми видоспецифічними антигенами, ступінь цієї відмінності може бути неоднаковим. Близькоспоріднені види характеризуються наявністю досить подібних видоспецифічних антигенів. Видим, далеко віддаленим один від одного, притаманні і видоспецифічні антигени, що різко відрізняються. На основі обліку цього явища зріс самостійний біологічний напрямок - імуносистематнка, що використовує метод антигенного аналізу для вирішення складних таксономічних проблем та питань еволюційних відносин різних видів мікроорганізмів, рослин та тварин.

Вже на початку ХХ століття було встановлено, що групи різних особин одного й того ж виду можуть відрізнятися одна від одної за змістом антигенів, які згодом отримали назву ізоантигенів. Ізоантигени були виявлені в клітинах всіх видів тварин, що вивчалися. Проте досить повно вони вивчені лише в людини. Як виявилося, ізоантигенна структура клітин людини винятково складна. Тільки в еритроцитах людини було виявлено понад 15 систем ізо-антигенів, що включають близько 100 антигенів. (Див. Групи крові). Подібно до того, як практика переливання крові зажадала розвитку досліджень, що призвели до опису антигенної структури еритроцитів, підвищення інтересу клініцистів до пересадки тканин і органів, що спостерігається в наші дні, зумовило перехід до ретельного вивчення антигенного складу інших клітин організму. Було встановлено, більшість антигенів, що зумовлюють реакцію реципієнта проти пересадженого органу, міститься в лейкоцитах. Тому особливу увагу було звернено вивчення антигенів, які у цих клітинах крові. Різні дослідники описали велику кількість різноманітних антигенів лейкоцитів. При порівнянні всіх цих антигенів один з одним виявилося, що більшість їх належить до єдиної системи, що отримала назву HL-A. Крім цієї системи, поки виявлено ще одну систему лейкоцитарних антигенів, генетично незалежну від системи HL-A, - система групи 5. Як було встановлено, всі антигени обох систем, крім, можливо, антигену 9, представлені кількома алелями (див.). Було також показано, що ці антигени присутні, крім лейкоцитів, у клітинах багатьох органів та тканин людини, що особливо важливо для підбору донорів та реципієнтів при пересадці органів у клініці (див. Несумісність імунологічна).

Крім ізоантигенів, характерних для еритроцитів та для лейкоцитів, були виявлені ізоантигени, властиві тромбоцитам, лімфоцитам, гранулоцитам, сироватці крові та ін. Тому, крім «загальних» ізоантигенів, існують, очевидно, і органоспецифічні. Питання це, що має величезну теоретичну і практичну (при пересадці органів) значимість і в той же час винятково складне, в даний час майже не розроблений.

Ще І. І. Мечниковим було встановлено, що можливе отримання імунних сироваток, спрямованих проти клітин певних органів чи тканин, - про цитотоксинов. Це відкриття лягло в основу вчення про антигенну органо(тканину)специфічності. Існування органоспецифічних антигенів було показано практично у всіх органах. Були отримані дані про те, що в ряді органів існує два типи органоспецифічних антигенів, які зустрічаються в однойменних органах представників різних видів живих істот, та антигени, що характеризують органи лише представників цього виду.

В даний час для більшості органів (печінка, нирка, кришталик ока та ін) досліджено головним чином водорозчинні органоспецифічні антигени, які являють собою більш менш складні системи білків. Що ж до органоспецифічних антигенів, що не переходять в екстракти, то про них є лише поодинокі уривчасті дані. Останнім часом були виявлені антигени, загальні для нирки, печінки, селезінки, серця, але відсутні у сироватці крові. Деякі дослідники виділяють їх у нову групу – міжорганні антигени.

До групи описаних антигенів примикають виділяються деякими дослідниками так звані органоїдні антигени, що характеризують антигенну специфічність клітинних ядер, мітохондрій, рибосом тощо.

Останніми роками встановлено існування антигенів, притаманних організмів, їх органів чи тканин, що є певних стадіях індивідуального розвитку. Ці антигени отримали назву стадіоспецифічних антигенів.

Для патології істотне значення мало виявлення про патологічних антигенів, що виникають у результаті патологічних процесів. До них відносяться «ракові», «опікові», «променеві» та інші антигени, що утворюються в патологічно змінених тканинах. Доведено появу нових антигенів (трансплантаційних, комплементфіксуючих та поверхневих) у клітинах пухлин, індукованих вірусами.

Антигенна специфічність речовин клітин та тканин відбиває суттєві особливості їх будови, функції та фізіологічного стану. Розтин причин антигенної дії речовин, аналіз їх властивостей, з'ясування хімічних основ антигенної специфічності речовин – усі ці питання є одними з основних питань сучасної імунохімії. Разом з тим дослідження властивостей природних антигенів в даний час не обмежується рамками власне імунохімії та інфекційної імунології і служить для вирішення багатьох питань, що мають загальнобіологічне значення, і, зокрема, питань еволюції тваринного та рослинного світу.

Аналіз антигенних властивостей вірусів, бактерій, клітин та тканин багатоклітинних організмів показав виняткову складність їхньої антигенної будови. Поряд з антигенами, властивими групам особин або всім особам, що належать до одного виду (видові, групові антигени бактерій, ізоантигени), у тканинах тварин присутні антигени, поширені більш менш широко у представників інших видів. Важливе значення мало встановлення того факту, що до певної міри загальні антигени, за винятком гетерогенних антигенів типу антигенів Форссмана, відображають генеалогічні зв'язки між видами, у яких вони зустрічаються.

Різні тканини організму відрізняються за рівнем міжвидової подібності антигенів. Сироватка крові, печінка, селезінка та деякі інші внутрішні органи містять переважно антигени з сильно вираженою видовою специфічністю. Навпаки, антигени м'язів, сім'яників, мозку, кришталика за своєю специфічністю мало відрізняються від антигенів гомологічних органів та тканин у представників різних видів ссавців і навіть загалом у хребетних. Це пояснюється подібністю хімічної будови та властивостей відповідних білків, що несуть однакову функцію. Очевидно, у процесі еволюції, на якомусь її етапі, було досягнуто виключно повного пристосування структури таких білків для виконання функцій, що мають життєво важливе значення, внаслідок чого всі наступні мутації, що порушували цю відповідність, елімінувалися природним відбором. Як правило, такими загальними антигенами є білки, що характеризуються вкрай слабкою антигенністю (гемо-глобіни, інсуліни, карбомілсинтетаза) або білки тканин, анатомічно ізольованих від лімфоїдної системи організму (білки кришталика).

Деякі антигени високоорганізованих тварин і, зокрема, людини несуть захисну функцію підтримки генетичного сталості внутрішнього середовища організму. Встановлено, що антигени системи AB0 ​​(див. Групи крові) присутні не тільки в тканинах, а й у вигляді водорозчинних антигенів у біологічних рідинах та секретах. Пояснюючи можливе значення явища секреції антигенів, П. Н. Косяков припустив, що антигени AB0 ​​у слині та у верхніх відділах шлунково-кишкового тракту відіграють захисну роль, нейтралізуючи гемаглютиніни тваринного або рослинного (лектини) походження, що містяться в їжі. Групові антигени насіннєвої рідини оберігають чоловічі статеві клітини від впливу ізоантитіл, що знаходяться в жіночих статевих шляхах у момент запліднення.

У явищах групової несумісності материнського організму та плоду ізоантигени (системи AB0 ​​та ін.) останнього, перебуваючи в навколоплідній рідині, амніоні та хоріоні, відіграють захисну роль, зв'язуючи антитіла матері, що проникають через плаценту, і не «допускаючи» їх до тканин плода.

В останні роки деякими дослідниками висувається положення про можливу морфогенетичну роль антигенів в ембріогенезі (див. Імунологія ембріогенезу).

Біологічне значення антигенів, безумовно, не обмежується їх участю в розглянутих вище явищах. Так, наприклад, останнім часом інтенсивно досліджується питання зв'язку ізоантигенів крові зі схильністю осіб, диференційованих за цими антигенами, до деяких видів захворювань.

Бібліографія:Актуальні питання імунології, за ред. Л. А. Зільбера та П. А. Вершилової, с. 312, М.. 1964, бібліогр.; Бойд У. Основи імунології, пров. з англ., М., 1969, бібліогр.; Г а γ-ρο в і ц Ф. Імунохімія та біосинтез антитіл, пров. з англ., М., 1969, бібліогр.; Зільбер JI. А. та Абелев Р. І. Вірусологія та імунологія раку, М., 1962, бібліогр.; Косяков П. Н. Імунологія ізоантигенів та ізоантитіл, М., 1965, бібліогр.; Петров Р. Ст Імунологія гострого променевого ураження, М., 1962, бібліогр.; Туманов А. До. Сироваткові системи крові, М., 1968, бібліогр.; Ефроімсон Ст П. Введення в медичну генетику, М., 1968, бібліогр.; Andersson В. Interaction between immunocompetent cells and antigen, Stockholm, 1972, bibliogr.; Immunological tolerance до microbial antigens, ed. by H. Friedman, N. Y., 1971. bibliogr.; Kissme-y e r-N ielsen F. a. Thorsby E. Human transplantation antigens, Copenhagen, 1970; Strong and weak histocompatibility antigens, Copenhagen, 1970, bibli-ogr.; Surface antigens on nucleated cells, Copenhagen, 1971, bibliogr.

О. E. В'язов, В. М. Барабанов.

План лекції:

1. Антигени: визначення, будова, основні властивості.

2. Антигени мікроорганізмів.

3. Антигени людини та тварин.

4. Антитіла: визначення, основні функції, будова.

5. Класи імуноглобулінів, їхня характеристика.

6. Динаміка утворення антитіл.

Антигени (від грец. anti- Проти, genos- Створювати; термін запропонував у 1899 р. Дойч) - речовини різного походження, що несуть ознаки генетичної чужорідності і при введенні в організм, що викликають розвиток специфічних імунологічних реакцій.

Основні функції антигенів:

Індукують імунологічну відповідь (синтез антитіл та запуск реакцій клітинного імунітету).

Специфічно взаємодіють з антитілами, що утворилися (in vivo і in vitro).

Забезпечують імунологічну пам'ять- здатність організму відповідати на повторне введення антигену імунологічною реакцією, що характеризується більшою силою та швидшим розвитком.

Зумовлюють розвиток імунологічної толерантності- відсутність імунної відповіді на конкретний антиген при збереженні здатності до імунної відповіді на інші антигени.

Будова антигенів:

Антигени складаються з 2 частин:

1. Високомолекулярний носій (шлеппер)- високополімерний білок, що визначає антигенність та імуногенність антигену.

2. Детермінантні групи (епітопи)- поверхневі структури антигену, комплементарні активному центру антитіл або рецептору Т-лімфоциту та визначають специфічність антигену. На одному носії може бути кілька різних епітопів, що складаються з пептидів або ліпополісахаридів, що розташовуються в різних частинах молекули антигену. Їхня різноманітність досягається за рахунок мозаїки амінокислотних або ліпополісахаридних залишків, що розташовуються на поверхні білка.

Кількість детермінантних груп чи епітопів визначає валентність антигену.

Валентність антигену- кількість однакових епітопів на молекулі антигену, що дорівнює кількості молекул антитіл, які можуть до неї приєднуватися.

Основні властивості антигенів:

1. Імуногенність- Здатність викликати імунітет, несприйнятливість до інфекції (застосовується для характеристики інфекційних агентів).

2. Антигенність- Здатність викликати утворення специфічних антитіл (приватний варіант імуногенності).

3. Специфіка- властивість, за якою антигени різняться між собою та визначальна здатність вибірково реагувати зі специфічними антитілами або сенсибілізованими лімфоцитами.

Імуногенність, антигенність та специфічність залежать від багатьох факторів.

Чинники, що визначають антигенність:

- Чужорідність (гетерогенність)- генетично обумовлене властивість антигенів одних видів тварин відрізнятися від антигенів інших видів тварин (що далі один від одного у фенотиповому відношенні знаходяться тварини, тим більшою антигенністю по відношенню один до одного вони мають).

- Молекулярна вагамає бути не менше 10000 дальтонів, зі збільшенням молекулярної ваги антигенність зростає.

- Хімічна природа та хімічна однорідність:найбільшу антигенність мають білки, їх комплекси з ліпідами (ліпопротеїди), з вуглеводами (глікопротеїди), з нуклеїновими кислотами (нуклеопротеїди), а також складні полісахариди (при масі понад 100000 D), ліпополісахариди; власними силами нуклеїнові кислоти, ліпіди внаслідок недостатньої жорсткості структури неиммуногенны.

- Жорсткість структури(крім певної хімічної природи антигени повинні мати певну жорсткість структури, наприклад, денатуровані білки не мають антигенності).

- Розчинність(Нерозчинні білки не можуть перебувати в колоїдній фазі і не викликають розвитку імунних реакцій).

Чинники, що визначають імуногенність:

Властивості антигенів.

Спосіб введення антигену (перорально, внутрішньошкірно, внутрішньом'язово).

Доза антигену.

Інтервал між вступом.

Стан імунізованого макроорганізму.

Швидкість руйнування антигену в організмі та виведення його з організму.

Імуногенність та антигенність можуть не збігатися!Наприклад, дизентерійна паличка має високу антигенність, але вираженого імунітету проти дизентерії не виробляється.

Чинники, що визначають специфічність:

Хімічна природа антигенної детермінанти.

Будова антигенної детемінанти (вид та послідовність амінокислот у первинному поліпептидному ланцюзі).

Просторова конфігурація антигенних детермінантів.

Види антигенів за будовою:

1. Гаптени (неповноцінні антигени)- це чиста детермінантна група (мають невелику молекулярну масу, не розпізнаються імунокомпетентними клітинами, мають лише специфічність, тобто не здатні викликати утворення антитіл, але вступають з ними в специфічну реакцію):

- прості- взаємодіють із антитілами в організмі, але не здатні реагувати з ними in vitro;

- складні- взаємодіють з антитілами in vivo та in vitro.

2. Повноцінні (кон'юговані) антигени- утворюються при зв'язуванні гаптена з високомолекулярним носієм, що має імуногенність.

3. Напівгаптени- це неорганічні радикали (J-, Cr-, Br-, N+), пов'язані молекулами білка.

4. Проантігени- гаптени, здатні приєднуватися до білків організму та сенсибілізувати їх як аутоантигени.

5. Толерогени- Антигени, здатні пригнічувати імунологічні реакції з розвитком специфічної нездатності відповідати на них.

Види антигенів за ступенем чужорідності:

1. Видові антигени- Антигени певного виду організмів.

2. Групові антигени (аллоантигени)- Антигени, що зумовлюють внутрішньовидові відмінності у особин одного виду, що поділяють їх на групи (серогрупи у мікроорганізмів, групи крові у людини).

3. Індивідуальні антигени (ізоантигени)- Антигени конкретного індивідуума.

4. Гетерогенні (перехреснореагуючі, ксеноантигени) антигени- Антигени, загальні для організмів різних видів, далеко віддалених один від одного:

- антигенна мімікрія- тривала відсутність імунологічної реакції на антигени через схожість із антигенами господаря (мікроорганізми не розпізнаються як чужорідні);

- перехресні реакції- антитіла, що утворилися на антигени мікроорганізмів, вступають в контакт з антигенами господаря і можуть викликати імунологічний процес (наприклад: гемолітичний стрептокок має перехреснореагуючі антигени з антигенами міокарда і ниркових клубочків; вірус кору має перехреснореагуючі антигени розсіяного склерозу).

Антигени мікроорганізмів залежно від систематичного становища:

1. Видоспецифічні- Антигени одного виду мікроорганізмів.

2. Групоспецифічні- антигени однієї групи в межах виду (поділяють мікроорганізми на сіркогрупи).

3. Типоспецифічні- антигени одного типу (варіанту) у межах виду (поділяють мікроорганізми на серовари/серотипи).

Що таке антигени

Це будь-які речовини, що містяться в мікроорганізмах та інших клітинах (або виділені ними), які несуть у собі ознаки генетично чужорідної інформації та потенційно можуть бути розпізнані імунною системою організму. При введенні у внутрішнє середовище організму ці генетично чужорідні речовини здатні викликати імунну відповідь різних типів.

Кожен мікроорганізм, хоч би як примітивно він був влаштований, містить кілька антигенів. Чим складніше його структура, тим більше антигенів можна виявити у його складі.

Антигенні властивості мають різні елементи мікроорганізму - джгутики, капсула, клітинна стінка, цитоплазматична мембрана, рибосоми та інші компоненти цитоплазми, а також різні продукти білкової природи, що виділяються бактеріями у довкілля, у тому числі токсини та ферменти.

Розрізняють екзогенні антигени (що надходять до організму ззовні) і ендогенні антигени (аутоантигени - продукти власних клітин організму), і навіть антигени, викликають алергічні реакції, - алергени.

Що таке антитіла

Організм безперервно зустрічається з різноманітними антигенами. Він піддається атаці як ззовні - з боку вірусів і бактерій, так і зсередини - з боку клітин організму, що набувають антигенних властивостей.

– білки сироватки крові, які виробляються плазматичними клітинами у відповідь проникнення антигену в організм. Антитіла виробляються клітинами лімфоїдних органів і циркулюють у плазмі крові, лімфі та інших рідинах організму.

Головна важлива роль антитіл – це розпізнавання та зв'язування чужорідного матеріалу (антигена), а також запуск механізму знищення цього чужорідного матеріалу. Істотною і унікальною властивістю антитіл служить їхня здатність зв'язувати антиген у тому вигляді, в якому він проникає в організм.

Антитіла мають здатність відрізняти один антиген від іншого. Вони здатні до специфічної взаємодії з антигеном, але взаємодіють лише з тим антигеном (за рідкісним винятком), який індукував їх освіту та підходить до них за просторовою структурою. Ця здатність антитіла отримала назву комплементарності.

Повного розуміння молекулярного механізму утворення антитіл поки що не існує. Не вивчені молекулярні та генетичні механізми, що лежать в основі розпізнавання мільйонів різних антигенів, що зустрічаються у навколишньому середовищі.

Антитіла та імуноглобуліни

Наприкінці 1930-х років почалося вивчення молекулярної природи антитіл. Одним із способів дослідження молекул був електрофорез, який був у практику в ці ж роки. Електрофорез дозволяє розділити білки за їх електричним зарядом та молекулярною масою. При електрофорезі білків сироватки зазвичай виходить 5 основних смуг, які відповідають (від + до -) фракціям альбуміну, альфа1-, альфа2-, бета-і гамма-глобулінів.

У 1939 році шведський хімік Арне Тіселіус та американський імунохімік Елвін Кебет (Tiselius, Kabat) використовували електрофорез, щоб розділити на фракції сироватку крові імунізованих тварин. Вчені показали, що антитіла містяться у певній фракції білків сироватки. А саме – антитіла відносяться, в основному, до гамма-глобулінів. Так як частина потрапляла також в ділянку бета-глобулінів, то для антитіл було запропоновано найкращий термін – імуноглобуліни.

Відповідно до міжнародної класифікації, сукупність сироваткових білків, що мають властивості антитіл, називають імуноглобулінамита позначають символом Ig (від слова "Immunoglobulin").

Термін «імуноглобуліни»відбиває хімічну структуру молекул цих білків. Термін «антитіло»визначає функціональні властивості молекули та враховує здатність антитіла реагувати лише з певним антигеном.

Раніше передбачалося, що імуноглобуліни та антитіла – синоніми. В даний час існує думка, що всі антитіла є імуноглобулінами, але не всі імуноглобулінові молекули мають функцію антитіл.

Ми говоримо про антитіла лише щодо антигену, тобто. якщо антиген відомий. Якщо ми не знаємо антиген, комплементарний якомусь імуноглобуліну, який виявився у нас «у руках», ми маємо лише імуноглобулін. У будь-якій антисироватці, крім антитіл проти даного антигену, є велика кількість імуноглобулінів, антитільну активність яких не вдалося виявити, проте це не означає, що дані імуноглобуліни не є антитілами до будь-яких інших антигенів. Питання існування молекул імуноглобулінів, які спочатку не володіють властивостями антитіл, поки залишається відкритим.

Антитіла (АТ, імуноглобуліни, ІГ, Ig) є центральною фігурою гуморального імунітету. Основну роль в імунному захисті організму відіграють лімфоцити, які поділяються на дві основні категорії – Т-лімфоцити та В-лімфоцити.

Антитіла або імуноглобуліни (Ig) синтезуються В-лімфоцитами, а точніше антитілоутворюючими клітинами (АОК). Синтез антитіл починається у відповідь на потрапляння у внутрішнє середовище організму антигенів. Для синтезу антитіл B-клітин необхідний контакт з антигеном і викликане ним дозрівання B-клітин в антитілоутворюючі клітини. Значне число антитіл виробляють так звані плазматичні клітини - АОК, що утворилися з В-лімфоцитів, що виявляються в крові і тканинах. Імуноглобуліни містяться у великій кількості у сироватці, у міжклітинній рідині та інших секретах, забезпечуючи гуморальну відповідь.

Класи імуноглобулінів

Імуноглобуліни (Ig) розрізняються за структурою і за функціями, що виконуються. У людини виявлено 5 різних класів імуноглобулінів: IgG,IgA,IgM,IgE,IgD, частина яких ще поділяється на підкласи. Підкласи є в імуноглобулінів класів G (Gl, G2, G3, G4), А (А1, А2) та M (M1, M2).

Класи та підкласи, разом узяті, називають ізотипамиімуноглобулінів.

Антитіла різних класів розрізняються за розмірами молекул, зарядом білкової молекули, амінокислотним складом і вмістом вуглеводного компонента. Найбільш вивченим класом антитіл є IgG.

У сироватці крові людини у нормі переважають імуноглобуліни класу IgG. Вони становлять приблизно 70-80% від загальної кількості сироваткових антитіл. Зміст IgA – 10-15%, IgM – 5-10%. Зміст імуноглобулінів класу IgE та IgD дуже мало - близько 0.1% для кожного з цих класів.

Не слід думати, що антитіла проти того чи іншого антигену належать лише до одного з п'яти класів імуноглобулінів. Навпаки, антитіла проти того самого антигену можуть бути представлені різними класами Ig.

Найважливішу діагностичну роль відіграє визначення антитіл класів М і G, оскільки після інфікування людини першими з'являються антитіла класу М, потім класу G, останніми імуноглобуліни А і Е.

Імуногенність та антигенність антигенів

У у відповідь потрапляння антигенів в організм починається цілий комплекс реакцій, спрямований на звільнення внутрішнього середовища організму від продуктів чужорідної генетичної інформації. Така сукупність захисних реакцій імунної системи називається імунною відповіддю.

Імуногенністюназивається здатність антигену викликати імунну відповідь, тобто індукувати специфічну захисну реакцію імунної системи. Імуногенність також можна описати як здатність створювати імунітет.

Імуногенність значною мірою залежить від природи антигену, його властивостей (молекулярної ваги, рухливості молекул антигену, форми, структури, здатності до зміни), від шляху та режиму потрапляння антигену в організм, а також додаткових впливів та генотипу реципієнта.

Як зазначено вище, однією з форм реагування імунної системи у відповідь на впровадження в організм антигену є біосинтез антитіл. Антитіла здатні пов'язувати антиген, що викликав їхнє утворення, і тим самим захищати організм від можливої ​​шкідливої ​​дії чужорідних антигенів. У зв'язку з цим вводиться поняття антигенності.

Антигенність– це здатність антигену специфічно взаємодіяти з факторами імунітету, а саме вступати у взаємодію з продуктами викликаної саме цією речовиною імунної відповіді (антитілами та Т- та В-антиген-розпізнаючими рецепторами).

Деякий термін молекулярної біології

Ліпіди(від грец. λίπος - жир) - велика група досить різноманітних природних органічних сполук, що включає жири і жироподібні речовини. Ліпіди містяться у всіх живих клітинах і є одним із основних компонентів біологічних мембран. Вони нерозчинні у воді і добре розчиняються в органічних розчинниках. Фосфоліпіди- складні ліпіди, що містять у собі вищі жирні кислоти та залишок фосфорної кислоти.

Конформаціямолекул (від лат. conformatio - форма, побудова, розташування) - геометричні форми, які можуть набувати молекули органічних сполук при обертанні атомів або груп атомів (заступників) навколо простих зв'язків при збереженні незмінними порядку хімічного зв'язку атомів (хімічної будови), довжини зв'язків та валентних кутів.

Органічні сполуки (кислоти) особливої ​​структури. В їх молекулах одночасно містяться аміногрупи (NH 2) та карбоксильні групи (СООН). Усі амінокислоти складаються всього з 5 хімічних елементів: С, H, O, N, S.

Пептиди(грец. πεπτος – поживний) – сімейство речовин, молекули яких побудовані з двох і більше залишків амінокислот, з'єднаних у ланцюг пептидними (амідними) зв'язками. Пептиди, послідовність яких довша приблизно 10-20 амінокислотних залишків, називаються поліпептидами.

У поліпептидному ланцюгу розрізняють N-кінець, утворений вільною α-аміногрупою та С-кінець, Що має вільну α-карбоксильну групу Пептиди пишуться і читаються з N-кінця до С-кінця- з N-кінцевої амінокислоти до С-кінцевої амінокислоти.

Амінокислотні залишки- Це мономери амінокислот, що входять до складу пептидів. Амінокислотний залишок, що має вільну аміногрупу, називається N-кінцевим і пишеться зліва, а має вільну -карбоксильну групу - С-кінцевим і пишеться праворуч.

Білкамизазвичай називають поліпептиди, що містять приблизно 50 амінокислотних залишків. Як синонім терміна «білки» також використовується термін «протеїни» (від грецьк. protos - перший, найважливіший). Молекула будь-якого білка має чітко визначену досить складну, тривимірну структуру.

Амінокислотні залишки в білках прийнято позначати за допомогою трилітерного або однолітерного коду. Трьох-літерний код є абревіатурою від англійських назв амінокислот і часто використовується в науковій літературі. Однолітерний код здебільшого не має інтуїтивно зрозумілого зв'язку з назвами амінокислот і використовується в біоінформатиці для представлення послідовності амінокислот у вигляді тексту, зручного для комп'ютерного аналізу.

Пептидний кістяк.У поліпептидному ланцюгу багаторазово повторюється послідовність атомів -NH-CH-CO-. Ця послідовність і формує пептидний кістяк. Поліпептидний ланцюг складається з поліпептидного кістяка (скелета), що має регулярну структуру, що повторюється, і окремих бічних груп (R-груп).

Пептидні зв'язкиз'єднують амінокислоти в пептиди. Пептидні зв'язки утворюються при взаємодії α-карбоксильної групи однієї амінокислоти та α-аміногрупи від наступної амінокислоти. Пептидні зв'язки дуже міцні і мимоволі не розриваються за нормальних умов, що у клітинах.

Багаторазово повторювані в молекулах пептидів групи атомів-СО-NH-називаються пептидними групами. Пептидна група має жорстку планарну (плоську) структуру.

Конформація білків- Розташування поліпептидного ланцюга в просторі. Просторова структура, характерна для молекули білка, утворюється з допомогою внутрішньомолекулярних взаємодій. Лінійні поліпептидні ланцюги індивідуальних білків за рахунок взаємодії функціональних груп амінокислот набувають певної тривимірної структури, яка називається «конформацією білків».

Процес формування функціонально активної конформації білка має назву фолдинг. Жорсткість пептидного зв'язку зменшує кількість ступенів свободи поліпептидного ланцюга, що відіграє велику роль у процесі фолдингу.

Глобулярні та фібрилярні білки.Вивчені до теперішнього часу білки можна розділити на два великі класи за здатністю приймати в розчині певну геометричну форму: фібрилярні(витягнуті в нитку) і глобулярні(Згорнуті в клубок). Поліпептидні ланцюги білків фібрилярних витягнуті, розташовані паралельно один одному і утворюють довгі нитки або шари. У глобулярних білках поліпептидні ланцюги щільно згорнуті в глобули - компактні структури сферичної форми.

Слід зазначити умовність поділу білків на фібрилярні та глобулярні, оскільки існує велика кількість білків із проміжною структурою.

Первинна структура білка(primary structure of protein) - це лінійна послідовність амінокислот, що становлять білок, у поліпептидному ланцюзі. Амінокислоти з'єднані між собою пептидними зв'язками. Послідовність амінокислот записують, починаючи від С-кінця молекули, у напрямку до N-кінця поліпептидного ланцюжка.

П.С.Б – це найпростіший рівень структурної організації білкової молекули. Перша П.С.Б. була встановлена ​​Ф. Сенгер для інсуліну (Нобелівська премія за 1958 р.).

(secondary structure of protein)- укладання поліпептидного ланцюга білка в результаті взаємодії між близькорозташованими амінокислотами у складі одного і того ж пептидного ланцюжка - між амінокислотами розташованими через лічені залишки один від одного.

Вторинна структура білків - це просторова структура, яка утворюється в результаті взаємодій між функціональними групами, що входять до складу пептидного кістяка.

Вторинна структура білків обумовлена ​​здатністю груп пептидного зв'язку до водневих взаємодій-між функціональними групами -С=Про і - NH-пептидного кістяка. При цьому пептид прагне прийняти конформацію з утворенням максимальної кількості водневих зв'язків. Проте можливість освіти обмежується характером пептидного зв'язку. Тому пептидний ланцюг набуває не довільної, а строго певної конформації.

Вторинна структура утворюється із сегментів поліпептидного ланцюга, які беруть участь у формуванні регулярної сітки водневих зв'язків.

Іншими словами, під вторинною структурою поліпептиду розуміють конформацію його основного ланцюга (остова) без урахування конформації бічних груп.

Поліпептидна ланцюг білка, складаючись під дією водневих зв'язків у компактну форму, може утворювати кілька регулярних структур. Таких структур відомо кілька: α (альфа)-спіраль, β (бета)-структура (інша назва - β-складчастий шар або β-складчастий лист), безладний клубок і поворот. Рідкісним видом вторинної структури білків є π-спіралі. Спочатку дослідники вважали, що цей вид спіралі в природі не зустрічається, проте пізніше ці спіралі були відкриті в білках.

α-спіраль та β-структура є енергетично найбільш вигідними конформаціями, оскільки обидві вони стабілізовані водневими зв'язками. Крім того, і -спіраль, і -структура додатково стабілізуються завдяки щільній упаковці атомів основного ланцюга, які підігнані один до одного, як шматочки однієї картинки-головоломки.

Ці фрагменти та їх поєднання в деякому білку, якщо вони є, також називають вторинною структурою цього білка.

У структурі глобулярних білків можуть траплятися фрагменти регулярної будови всіх типів у будь-якій комбінації, але може бути і жодного. У фібрилярних білках всі залишки належать якомусь одному типу: наприклад, шерсть містить α-спіралі, а шовк - β-структури.

Таким чином, найчастіше вторинна структура білка - це укладання поліпептидного ланцюга білка в α-спіральні ділянки та β-структурні утворення (шари) за участю водневих зв'язків. Якщо водневі зв'язки утворюються між ділянками вигину одного ланцюга, їх називають внутрішньоланцюжковими, якщо між ланцюгами – міжланцюжкові. Водневі зв'язки розташовуються перпендикулярно до поліпептидного ланцюга.

α-спіраль-утворюється внутрішньоланцюжковими водневими зв'язками між NH групою одного залишку амінокислоти та CO-групою четвертого від неї залишку. Середня довжина α-спіралей у білках – 10 амінокислотних залишків.

У α-спіралі водневі зв'язки утворюються між атомом кисню карбонільної групи та воднем амідного азоту 4-ї від нього амінокислоти. В освіті цих водневих зв'язків залучені всі групи C=O та N-H основного поліпептидного ланцюга. Бічні ланцюги амінокислотних залишків розташовуються по периферії спіралі і беруть участь у освіті вторинної структури.

β-структуриформуються між лінійними областями пептидного остова одного поліпептидного ланцюга, утворюючи при цьому складчасті структури (кілька зигзагоподібних поліпептидних ланцюгів).

β-структура формується за рахунок утворення множини водневих зв'язків між атомами пептидних груп лінійних ланцюгів. У β-структурах водневі зв'язки утворюються між відносно віддаленими один від одного в первинній структурі амінокислотами або різними ланцюгами білка, а не близько розташованими, як має місце в α-спіралі.

У деяких білках β-структури можуть формуватися за рахунок утворення водневих зв'язків між атомами пептидного кістяка різних поліпептидних ланцюгів.

Поліпептильні ланцюги або їх частини можуть формувати паралельні або антипаралельні β-структури. Якщо пов'язані кілька ланцюгів поліпептиду спрямовані протилежно, а N- і С-кінці не збігаються, виникає антипаралельнаβ-структура, якщо збігаються - паралельнаβ-структура.

Інша назва β-структур - β-листи(β-складчасті шари, β-sheets). β-лист формується з двох або більше β-структурних ділянок поліпептидного ланцюга, званих β-тяжами (β-strands). Зазвичай β-листи зустрічаються в глобулярних білках і містять не більше 6 β-тяжів.

β-тяжі(β-strands)- це ділянки молекули білка, в яких зв'язки пептидного кістяка декількох поліпептидів, що йдуть поспіль, організовані в плоскій конформації. На ілюстраціях, β-тяжі білків іноді зображуються у вигляді плоских "стрічок зі стрілками", щоб підкреслити напрямок поліпептидного ланцюга.

Основна частина β-тяжів розташована по сусідству з іншими тяжами і утворює з ними велику систему водневих зв'язків між C=O та N-H групами основного білкового ланцюга (пептидного кістяка). β-тяжі можуть бути упаковані будучи стабілізованими поперечно двома або трьома водневими зв'язками між послідовними тяжами. Такий спосіб укладання і називається β-листом.

Безладний клубок- це ділянка пептидного ланцюга, яка не має будь-якої правильної, періодичної просторової організації. Такі ділянки в кожному білку мають свою фіксовану конформацію, яка визначається амінокислотним складом цієї ділянки, а також вторинною та третинною структурами суміжних областей, що оточують «безладний клубок». В областях безладного клубка пептидний ланцюг може порівняно легко згинатися, змінювати конформацію, в той час як α-спіралі і β-складчастий шар є досить жорсткими структурами.

Ще одна форма вторинної структури позначається як β-поворот. Цю структуру утворюють 4 або більше амінокислотних залишків з водневим зв'язком між першим і останнім, причому таким чином, що пептидна ланцюг змінює напрямок на 180°. Петльова структура такого повороту стабілізована водневим зв'язком між карбонільним киснем амінокислотного залишку на початку повороту і N-H групою третього по ходу ланцюга залишку в кінці повороту.

Якщо до β-повороту з двох кінців підходять антипаралельні β-тяжі, то утворюється вторинна структура, яка називається β-шпилькою(β-hairpin)

Третинна структура білка(tertiary structure of protein) - У розчині за фізіологічних умов поліпептидний ланцюг згортається в компактне утворення, що має певну просторову структуру, яку називають третинною структурою білка. Вона утворюється в результаті самоукладання за рахунок взаємодії між радикалами (ковалентні та водневі зв'язки, іонні та гідрофобні взаємодії). Вперше Т.Б. була встановлена ​​для білка міоглобіну Дж. Кендрю та М. Перуцем у 1959 р. (Нобелівська премія за 1962 р.). б.с.б. Майже повністю визначається первинної структурою білка. В даний час за допомогою методів рентгеноструктурного аналізу та ядерної магнітної спектроскопії (ЯМР-спектроскопія) визначено просторові (третинні) структури великої кількості білків.

Четвертична структура білка.Білки, що складаються з одного поліпептидного ланцюга, мають лише третинну структуру. Однак деякі білки побудовані з кількох поліпептидних ланцюгів, кожен з яких має третинну структуру. Для таких білків введено поняття четвертинної структури, яка є організацією кількох поліпептидних ланцюгів з третинною структурою в єдину функціональну молекулу білка. Такий білок з четвертинною структурою називається олігомером, а його поліпептидні ланцюги з третинною структурою – протомірами чи субодиницями.

Кон'югат(conjugate, лат. conjugatio – з'єднання) – штучно синтезована (хімічно або шляхом рекомбінації in vitro) гібридна молекула, в якій з'єднані (об'єднані) дві молекули з різними властивостями; широко використовується в медицині та експериментальній біології.

Гаптени

Гаптени- це «неповноцінні антигени» (термін запропонований імунологом К. Ландштейнер). При введенні в організм у нормальних умовах гаптени не здатні індукувати в організмі імунну відповідь, оскільки мають вкрай низьку імуногенність.

Найчастіше гаптенами є низькомолекулярні сполуки (молекулярна маса менше 10 кДа). Вони розпізнаються організмом реципієнта як генетично чужорідні (тобто мають специфічність), але в силу низької молекулярної маси самі по собі не викликають імунних реакцій. Однак властивість антигенності вони не втратили, що дозволяє їм специфічно взаємодіяти з готовими факторами імунітету (антитілами, лімфоцитами).

За певних умов вдається за ставити імунну систему макроорганізму специфічно реагувавши на гаптен як на повноцінний антиген. Для цього необхідно штучно укрупнити молекулу гаптена - з'єднати її міцним зв'язком із досить великою білковою молекулою або іншим полімером-носієм. Синтезований таким чином кон'югат буде мати всі властивості повноцінного антигену і викликати імунну відповідь при введенні в організм.

Епітопи (антигенні детермінанти)

Організм здатний утворити антитіла майже до будь-якої частини молекули антигену, але при нормальній імунній відповіді цього зазвичай не відбувається. Комплексні антигени (білки, полісахариди) мають спеціальні ділянки, на які власне і формується специфічна імунна відповідь. Такі ділянки отримали назву епітопи(epitope), від грец. epi - на, над, над і topos - місце, місцевість. Синонім - антигенна детермінанта.

Ці ділянки складаються з небагатьох амінокислот чи вуглеводів, кожна ділянка - це група амінокислотних залишків білкового антигену або ділянка полісахаридного ланцюга. Епітопи здатні взаємодіяти як зі специфічними рецепторами лімфоцитів, тим самим індукуючи імунну відповідь, так і з антигензв'язуючими центрами специфічних антитіл.

Епітопи різноманітні за своєю структурою. Антигенною детермінантою (епітопом) може бути ділянка поверхні білка, утворена радикалами амінокислот, гаптен або простетична група білка (пов'язаний з білком небілковий компонент), особливо часто полісахаридні групи глікопротеїнів.

Антигенні детермінанти чи епітопи – це певні ділянки тривимірної структури антигенів. Існують різні типи епітопів. лінійніі конформаційні.

Лінійні епітопи утворені лінійною послідовністю амінокислотних залишків.

Внаслідок вивчення будови білків було з'ясовано, що білкові молекули мають складну просторову структуру. При зсіданні (у клубок) макромолекули білка можуть зближуватися залишки, віддалені один від одного в лінійній послідовності, утворюючи конформаційну антигенну детермінанту.

Крім того, існують кінцеві епітопи (розташовані на кінцевих ділянках молекули антигену) та центральні. Визначають також «глибинні», або приховані антигенні детермінанти, які проявляються при руйнуванні антигену.

Молекули більшості антигенів мають чималі розміри. Одна макромолекула білка (антиген), що складається з кількох сотень амінокислот, може містити багато різних епітопів. Деякі білки можуть мати ту саму антигенну детермінанту в декількох примірниках (повторні антигенні детермінанти).

Проти одного епітопу утворюється широкий спектр різних антитіл. Кожен із епітопів здатний стимулювати продукцію різних специфічних антитіл. До кожного епітопів можуть вироблятися специфічні антитіла.

Існує явище імунодомінантності, яке проявляється в тому, що епітопи відрізняються за здатністю індукувати імунну відповідь

Не всі епітопи у складі білка характеризуються рівною антигенністю. Як правило, деякі епітопи антигену мають особливу антигенність, що проявляється у переважному утворенні антитіл проти цих епітопів. Встановлюється ієрархія в спектрі епітопів молекули білка – деякі з епітопів є домінуючими і більшість антитіл утворюється саме до них. Такі епітопи названі імунодомінантними епітопами. Вони майже завжди розташовані на визначних частинах молекули антигену.

Будова антитіл (імуноглобулінів)

Імуноглобуліни IgG на основі експериментальних даних. Кожен амінокислотний залишок молекули білка зображений у вигляді маленької кульки. Візуалізація побудована за допомогою програми RasMol.

Протягом XX століття біохіміки прагнули з'ясувати, які варіанти імуноглобулінів є і яка структура молекул цих білків. Структура антитіл встановлювалася під час різноманітних експериментів. В основному вони полягали в тому, що антитіла оброблялися протеолитическими ферментами (папаїном, пепсином), і піддавалися алкілування та відновлення меркаптоетанолом.

Потім досліджувалися властивості отриманих фрагментів: визначалася їхня молекулярна маса (хроматографією), четвертинна структура (рентгеноструктурним аналізом), здатність зв'язуватися з антигеном і т.п. Також використовувалися антитіла до даних фрагментів: з'ясовувалося, чи антитіла можуть до одного типу фрагментів зв'язуватися з фрагментами іншого типу. На основі отриманих даних було побудовано модель молекули антитіл.

Більше 100 років досліджень структури та функцій імуноглобулінів лише підкреслили складну природу цих білків. В даний час будова молекул імуноглобулінів людини не описана повністю. Більшість дослідників сконцентрували свої зусилля не так на описі структури цих білків, але в з'ясуванні механізмів, з яких антитіла взаємодіють з антигенами. Крім того, молекули антитіл Тому вивчення антитіл, збережених у незмінному вигляді, стає складним завданням. Набагато частіше вдається з'ясувати точну будову окремих фрагментів антитіл.

Незважаючи на передбачувану різноманітність імуноглобулінів, їх молекули вдалося класифікувати за структурами, що входять до цих молекул. Ця класифікація полягає в тому, що імуноглобуліни всіх класів побудовані за загальним планом, мають певну універсальну будову.

Молекули імуноглобулінів – це складні просторові утворення. Всі без винятку антитіла належать до одного типу білкових молекул, що мають глобулярну вторинну структуру, що відповідає їх назві – «імуноглобуліни» (вторинна структура білка – це спосіб укладання у просторі поліпептидного ланцюга). Вони можуть бути мономерами або полімерами, побудованими з кількох субодиниць.

Тяжкі та легкі поліпептидні ланцюги в структурі імуноглобулінів

Пептидні ланцюги імуноглобулінів. Схематичне зображення. Варіабельні ділянки виділені пунктиром.

Структурна одиниця імуноглобуліну - мономер, молекула, що складається з поліпептидних ланцюгів, з'єднаних один з одним дисульфідними зв'язками (S-S містками).

Якщо молекулу Ig обробити 2-меркаптоетанолом (реактивом, що руйнує дисульфідні зв'язки), то вона розпадеться на пари поліпептидних ланцюгів. Отримані поліпептидні ланцюги класифікують за молекулярною масою: легкі та важкі. Легкі ланцюги мають низьку молекулярну масу (близько 23 кД) і позначаються буквою L від англ. Light – легкий. Тяжкі ланцюги Н (від англ. Heavy - важкий) мають високу молекулярну масу (варіює в межах 50 - 73 кД).

Так званий мономерний імуноглобулін містить два L-ланцюга і два H-ланцюга. Легкі та важкі ланцюги утримуються разом дисульфідними містками. Дисульфідні зв'язки з'єднують легкі ланцюги з важкими, а також важкі ланцюги між собою.

Основною структурною субодиницею всіх класів імуноглобулінів є пара «легкий ланцюг – важкий ланцюг» (L-H). Структура імуноглобулінів різних класів і підкласів розрізняється за кількістю та розташуванням дисульфідних зв'язків між важкими ланцюгами, а також за кількістю (L-H)-субодиниць у молекулі. Н-ланцюги скріплюються різним числом дисульфідних зв'язків. Типи важких і легких ланцюгів, що входять до складу різних класів імуноглобулінів, також різняться.

На малюнку представлена ​​схема організації IgG як типовий імуноглобулін. Як і всі імуноглобуліни, IgG містить два однакові важкі (Н) ланцюги та два однакові легкі (L) ланцюги, які об'єднані в чотириланцюгову молекулу за допомогою міжланцюгових дисульфідних зв'язків (-S-S-). Єдиний дисульфідний зв'язок, що з'єднує Н- і L-ланцюга, локалізується недалеко від С-кінця легкого ланцюга. Між двома важкими ланцюгами також є дисульфідний зв'язок.

Домени у складі молекули антитіла

Легкі та важкі поліпептидні ланцюги у складі молекули Ig мають певну структуру. Кожен ланцюг умовно поділено на специфічні ділянки, які називають доменами.

Як легкі, так і важкі ланцюги не є прямолінійною ниткою. Усередині кожного ланцюга через регулярні і приблизно рівні проміжки 100-110 амінокислот існують дисульфідні містки, які формують петлі в структурі кожного ланцюга. Наявність дисульфідних містків означає, що кожна петля в пептидних ланцюгах повинна формувати компактний глобулярний домен. Таким чином, кожен поліпептидний ланцюг у складі імуноглобуліну утворює кілька глобулярних доменів у вигляді петель, що включають приблизно 110 амінокислотних залишків.

Можна сказати, що молекули імуноглобулінів зібрані з окремих доменів, кожен з яких розташовується навколо дисульфідного містка і гомологічним іншим.

У кожному з легких ланцюгів молекул антитіл існують два внутрішньоланцюжкові дисульфідні зв'язки, відповідно кожен легкий ланцюг має по два домени. Число таких зв'язків у важких ланцюгах по-різному; важкі ланцюги містять чотири або п'ять доменів. Домени розділені нескладно організованими відрізками. Наявність таких змін було підтверджено прямими спостереженнями та за допомогою генетичного аналізу.

Первинна, вторинна, третинна та четвертинна структура імуноглобулінів

Будова молекули імуноглобуліну (як і інших білків) визначається первинною, вторинною, третинною та четвертинною структурою. Первинна структура - це послідовність амінокислот, що становлять легкі та важкі ланцюги імуноглобулінів. Рентгеноструктурний аналіз показав, що легкі та тяжкі ланцюги імуноглобулінів складаються з компактних глобулярних доменів (так званих імуноглобулінових доменів). Домени покладені в характерну третинну структуру, названу імуноглобуліновим укладанням (immunoglobulin fold).

Імуноглобулінові домени - це області у третинній структурі молекули Ig, яким властива певна автономія структурної організації. Домени формуються різними відрізками одного й того ж поліпептидного ланцюга, згорнутими в «клубки» (глобули). До глобули включається приблизно 110 амінокислотних залишків.

Домени мають подібну один до одного загальну структуру і певні функції. Усередині доменів пептидні фрагменти, що входять до складу домену, утворюють компактно покладену антипаралельну β-складчасту структуру, стабілізовану водневими зв'язками (вторинна структура білка). Ділянок з α-спіральною конформацією у структурі доменів практично не міститься.

Вторинна структура кожного з доменів сформована за допомогою укладання протяжного поліпептидного ланцюга back and forth upon itself в два антипаралельних β-шари (β-листа), що містять кілька β-складок. Кожен β-аркуш має плоску форму - поліпептидні ланцюги у β-складках майже повністю витягнуті.

Два β-аркуші, з яких складається імуноглобуліновий домен, покладені в структуру, названу β-сендвічем ("ніби два шматки хліба один на одного"). Структура кожного імуноглобулінового домену стабілізована за рахунок внутрішньодоменного дисульфідного зв'язку - β-листи ковалентно пов'язані дисульфідним зв'язком між цистеїновими залишками кожного β-листа. Кожен β-аркуш складається з антипаралельних β-тяжів, з'єднаних петлями різної довжини.

Домени, у свою чергу, пов'язані між собою продовженням поліпептидного ланцюга, який триває за межі β-складчастих листів. Наявні між глобулами відкриті ділянки поліпептидного ланцюга особливо чутливі до протеолітичних ферментів.

Глобулярні домени пари з легкого та важкого ланцюга взаємодіють між собою, утворюючи четвертинну структуру. Завдяки цьому формуються функціональні фрагменти, які дозволяють полекулі антитіла специфічно зв'язувати антиген і водночас виконувати ряд біологічних ефекторних функцій.

Варіабельні та постійні домени

Домени в пептидних ланцюгах відрізняються за постійністю амінокислотного складу. Розрізняють варіабельні та постійні домени (області). Варіабельні домени позначаються буквою V від англ. variable – «мінливий» і називаються V-доменами. Постійні (константні) домени позначають буквою C, від англ constant – «постійний» і називають С-доменами.

Імуноглобуліни, що продукуються різними клонами плазматичних клітин, мають різні за амінокислотною послідовністю варіабельні домени. Константні домени подібні або дуже близькі для кожного ізотипу імуноглобуліну.

Кожен домен позначають літерою, що означає його приналежність до легкого або важкого ланцюга, і числом, що вказує на його положення.

Перший домен на легкому та важкому ланцюгах всіх антитіл вкрай варіабельний за послідовністю амінокислот; він позначається як V L і V H відповідно.

Другий і наступні домени на обох важких ланцюгах набагато постійніші за послідовністю амінокислот. Вони позначаються C H або H 1 , H 2 і H 3. Імуноглобуліни IgM і IgЕ мають додатковий H 4 -домен на важкій ланцюга, розташований за доменом H 3 .

Половину легкого ланцюга, що включає карбоксильний кінець, називають константною областю C L , a N-кінцеву половину легкого ланцюга - варіабельною областю V L .

З доменом С Н 2 також пов'язані ланцюжки вуглеводів. Імуноглобуліни різних класів сильно відрізняються за кількістю та розташуванням вуглеводних груп. Вуглеводні компоненти імуноглобулінів мають схожу будову. Вони складаються із постійного ядра та варіабельної зовнішньої частини. Вуглеводні компоненти впливають на біологічні властивості антитіл.

Fab- та Fc-фрагменти молекули імуноглобуліну

Варіабельні домени легкого та важкого ланцюга (V H і V L) разом з найближчими до них константними доменами (H 1 і C L 1) утворюють Fab-фрагменти антитіл (fragment, antigen binding). Ділянка імуноглобуліну, що зв'язується зі специфічним антигеном, формується N-кінцевими варіабельними областями легких та важких ланцюгів, тобто. V H - та V L -доменами.

Решту, представлену C-кінцевими константними доменами важких ланцюгів, позначають як Fc-фрагмент (fragment, crystallizable). Fc-фрагмент включає інші C H -домени, скріплені дисульфідними зв'язками. У місці з'єднання Fab- і Fc-фрагментів розташована шарнірна область, що дозволяє антиген-зв'язуючих фрагментів розгортатися для більш тісного контакту з антигеном.

Шарнірна область

На межі Fab-і Fc-фрагментів розташовується т.зв. "шарнірна область", що має гнучку структуру. Вона забезпечує рухливість між двома Fab-фрагментами Y-подібної молекули антитіла. Рухливість фрагментів молекули антитіла один щодо одного – це важлива структурна характеристика імуноглобулінів. Такий тип межпептидного з'єднання надає структурі молекули динамічність - він дозволяє легко змінювати конформацію в залежності від навколишніх умов та стану.

Шарнірна область – це ділянка важкого ланцюга. Шарнірна область містить дисульфідні зв'язки, що з'єднують важкі ланцюги між собою. У кожного класу імуноглобулінів шарнірна область має свою будову.

У імуноглобулінів (можливо, за винятком IgM та IgE) шарнірна область складається з короткого сегмента амінокислот і виявляється між ділянками С H 1 і H 2 важких ланцюгів. Цей сегмент складається переважно із залишків цистеїну та проліну. Цистеїни залучені у формування дисульфідних містків між ланцюгами, а пролінові залишки запобігають складання в глобулярну структуру.

Типова будова молекули імуноглобуліну на прикладі IgG

Схематичне зображення плоскому малюнку неточно відбиває структуру Ig; насправді варіабельні домени легкого і важкого ланцюгів не розташовуються паралельно, а тісно, ​​хрест-навхрест переплетені один з одним.

Типову будову імуноглобуліну зручно розглянути з прикладу молекули антитіла класу IgG. Усього в молекулі IgG 12 доменів - по 4 на важких ланцюгах і по 2 на легких ланцюгах.

До складу кожного легкого ланцюга входить два домени - один варіабельний (V L, ​​variable domain of the light chain) і один константний (CL, constant domain of the light chain). До складу кожного важкого ланцюга – один варіабельний (V H , variable domain of the heavy chain) та три константні домени (C H 1–3, constant domains of the heavy chain). Приблизно четверту частину важкого ланцюга, що включає N-кінець, відносять до варіабельної області Н-ланцюга (V H), решта її - це константні області (СН1, СН2, СН3).

Кожна пара варіабельних доменів V H і V L , розташованих у сусідніх важких і легких ланцюгах, утворює варіабельний фрагмент (Fv, variable fragment).

Типи важких та легких ланцюгів у складі молекул антитіл

За відмінностями первинної структури постійних областей ланцюга поділяються на типи. Типи визначаються первинною амінокислотною послідовністю ланцюгів та ступенем їх глікозилювання. Легкі ланцюги поділяються на два типи: κ і λ (каппа і лямбда), важкі - на п'ять типів: α, γ, μ, ε і δ (альфа, гамма, мю, епсілон та дельта). Серед різноманіття важких ланцюгів альфа-, мю- та гамма-типів виділяють підтипи.

Класифікація імуноглобулінів

Імуноглобуліни класифікують за типом H-ланцюгів (важких ланцюгів). Постійні області важких ланцюгів у імуноглобулінів різних класів неоднакові. Імуноглобуліни людини поділені на 5 класів та ряд підкласів, за типами важких ланцюгів, що входять до їх складу. Ці класи отримали назву IgA, IgG, IgM, IgD та IgE.

Самі Н-ланцюги позначені грецькою літерою, що відповідає великій латинській літері назви одного з імуноглобулінів. У IgA важкі ланцюги α (альфа), IgM - μ (мю), IgG - γ (гама), IgE - ε (епсілон), IgD - δ (дельта).

У імуноглобулінів IgG, IgM та IgA є ряд підкласів. Поділ на підкласи (субтипи) також відбувається залежно від особливостей Н-ланцюгів. У людини існує 4 підкласи IgG: IgG1, IgG2, IgG3 та IgG4, що містять важкі ланцюги 1, 2, 3 і 4 відповідно. Ці H-ланцюги відрізняються невеликими деталями Fc-фрагменту. Для μ-ланцюга відомі 2 підтипу-μ1- і μ2-. IgA має 2 підкласи: IgA1 та IgA2 з α1- та α2-підтипами α-ланцюгів.

У кожній молекулі імуноглобуліну всі важкі ланцюги відносяться до однакового типу, відповідно до класу або підкласу.

Усі 5 класів імуноглобулінів складаються з важких та легких ланцюгів.

Легкі ланцюги (L-ланцюга) у імуноглобулінів різних класів одні й ті самі. У всіх імуноглобулінів легкі ланцюги можуть бути або обидві (каппа) або обидві (лямбда). Імуноглобуліни всіх класів поділяють на К- та L-типи, залежно від присутності у складі їх молекул легких ланцюгів κ- або λ-типів, відповідно. Людина співвідношення K- і L-типів становить 3:2.

Класи та підкласи, разом узяті, називають ізотипами імуноглобулінів. Ізотип антитіл (клас, підклас імуноглобулінів – IgM1, IgM2, IgG1, IgG2, IgG3, IgG4, IgA1, IgA2, IgD, IgE) визначається C-доменами важких ланцюгів.

Кожен клас включає безліч індивідуальних імуноглобулінів, що відрізняються за первинною структурою варіабельних областей; загальна кількість імуноглобулінів всіх класів дорівнює ≈ 10^7.

Будова молекул антитіл різних класів

Схеми будови імуноглобулінів. (А) - мономерні IgG, IgE, IgD, IgA; (Б) - полімерний секреторний Ig A (slgA) та IgM (В); (1) – секреторний компонент; (2) - сполучний J-ланцюг.

1. Класи антитіл IgG, IgD та IgE

Молекули антитіл класів IgG, IgD та IgE мономерні; вони мають Y-подібну форму.

На долю імуноглобулінів класу IgG припадає 75% від загальної кількості імуноглобулінів людини. Знаходяться вони як у крові, так і поза судинами. Важливою властивістю IgG є їхня здатність проходити через плаценту. Таким чином, материнські антитіла потрапляють в організм новонародженої дитини і захищають її від інфекції в перші місяці життя (природний пасивний імунітет).

IgD переважно знаходяться на мембрані В-лімфоцитів. Мають будову, подібну до IgG, 2 активні центри. Тяжкий ланцюг (δ-ланцюг) складається з варіабельного та 3 константних доменів. Шарнірна область δ-ланцюга найдовша, локалізація вуглеводів у цьому ланцюзі також незвичайна.

IgЕ – концентрація цього класу імуноглобулінів у сироватці крові надзвичайно низька. Молекули IgЕ в основному фіксовані на поверхні опасистих клітин та базофілів. За своєю будовою IgЕ схожий з IgG, має 2 активні центри. Тяжкий ланцюг (ε-ланцюг) має один варіабельний і 4 константні домени. Передбачається, що IgЕ має важливе значення у розвитку антигельмінтозного імунітету. IgЕ грає головну роль у патогенезі деяких алергічних захворювань (бронхіальна астма, сінна лихоманка) та анафілактичного шоку.

2. Класи антитіл IgM та IgA

Імуноглобуліни IgM та IgA формують полімерні структури. Для полімеризації IgM і IgA включають до свого складу додатковий поліпептидний ланцюжок з молекулярною масою 15 кД, звану J-ланцюгом (joint-зв'язок, від англ. joining - з'єднання). Цей J-ланцюг пов'язує термінальні цистеїни на С-кінцях відповідно важких μ- та α-ланцюгів IgM та IgA.

На поверхні зрілих B-лімфоцитів молекули IgM розташовуються як мономерів. Однак у сироватці вони існують у вигляді пентамерів: молекула IgM складається з п'яти структурних молекул, що розташовані радіально. Пентамер IgM сформований з п'яти мономерів-«рогаток», подібних до IgG, з'єднаних між собою дисульфідними зв'язками і J-ланцюгом. Їхні Fc-фрагменти направлені в центр (де і з'єднані J-ланцюгом), а Fab-фрагменти - назовні.

В IgM важкі (Н) ланцюги складаються з 5 доменів, оскільки містять 4 константні домени. Тяжкі ланцюги IgM не мають шарнірної області; її роль виконує домен З H 2 , який має деяку конформаційну лабільність.

IgM синтезується в основному при первинній імунній відповіді і переважно міститься у внутрішньосудинному руслі. Кількість Ig M у сироватці крові здорових людей становить близько 10% від загальної кількості Ig.

Антитіла IgA побудовані з різної кількості мономерів. Імуноглобуліни класу А ділять на два види: сироватковий та секреторний. Більшість (80%) IgА, присутніх у сироватці крові, має мономерну структуру. Менше 20% IgA у сироватці представлено димерними молекулами.

Секреторні IgA перебувають над крові, а складі екзосекретів на слизових оболонках і позначаються sIgА. У секретах слизових оболонок IgА представлені як димерів. Секреторний IgA формує димер із двох «рогаток» (Ig-мономерів). С-кінці важких ланцюгів у молекулі sIgА з'єднані між собою J-ланцюгом та білковою молекулою, яка називається «секреторний компонент».

Секреторний компонент виробляється епітеліальними клітинами слизових оболонок. Він приєднується до молекули IgA у її проходження через епітеліальні клітини. Секреторний компонент захищає sIgА від розщеплення та інактивації протеолітичними ферментами, які містяться у великій кількості у секреті слизових оболонок.

Основна функція sIgА – захист слизових оболонок від інфекції. Роль sIgA у забезпеченні місцевого імунітету дуже значна, т.к. загальна площа слизових оболонок в організмі дорослої людини становить кілька сотень квадратних метрів і набагато перевищує поверхню шкіри.

Висока концентрація sIgА виявляється у жіночому грудному молоці, особливо у перші дні лактації. Вони захищають шлунково-кишковий тракт новонародженого від інфекції.

Діти народжуються без IgA та отримують його з молоком матері. Достовірно показано, що діти, які перебувають на природному вигодовуванні, значно рідше хворіють на кишкові інфекції та захворювання дихальних шляхів у порівнянні з дітьми, які отримують штучне харчування.

Антитіла класу IgА становлять 15-20% загального вмісту імуноглобулінів. IgА не проникають через плацентарний бар'єр. Ig A синтезується плазматичними клітинами, що знаходяться переважно в підслизових тканинах, на слизовій епітеліальній поверхні дихальних шляхів, урогенітального та кишкового тракту, майже у всіх екскреторних залозах. Частина Ig А потрапляє в загальну циркуляцію, але більша частина секретується місцево на слизових оболонках у вигляді sIgA і служить місцевим захисним імунологічним бар'єром слизових. Сироватковий IgA та sIgA це різні імуноглобуліни, sIgA немає у сироватці крові.

У осіб з імунодефіцитом IgA відзначається схильність до аутоімунних захворювань інфекцій дихальних шляхів, гайморових та лобових пазух, кишкових розладів.

Розщеплення молекули імуноглобуліну ферментами

Протеолітичні ферменти (такі як папаїн або пепсин) розщеплюють молекули імуноглобулінів на фрагменти. У цьому під впливом різних протеаз можна отримати різні продукти. Отримані у такий спосіб фрагменти імуноглобулінів можна використовуватиме дослідницьких, чи медичних цілей.

Глобулярна структура імуноглобулінів та здатність ферментів розщеплювати ці молекули на великі складові у строго певних місцях, а не руйнувати їх до олігопептидів та амінокислот, вказує на надзвичайну компактність структури.

1. Розщеплення молекули імуноглобуліну папаїном. Fab- та Fc-фрагменти антитіл.

Наприкінці 50-х – на початку 60-х років, англійський вчений Р.Р. Портер проаналізував структурні характеристики антитіл IgG, за допомогою поділу їх молекули папаїном (очищеним ферментом папайового соку). Папаїн руйнує імуноглобулін у шарнірній ділянці, вище міжланцюгових дисульфідних зв'язків. Цей фермент розщеплює молекулу імуноглобуліну на три фрагменти приблизно однакових розмірів.

Два з них отримали назву Fab-фрагментів(Від англ. Fragment antigen-binding - фрагмент антигензв'язуючий). Fab-фрагменти є повністю ідентичними і, як показали дослідження, призначені для зв'язування з антигеном. Ділянку важкого ланцюга у складі Fab-фрагменту називають Fd; він складається з доменів V H і H 1.

Третій фрагмент може бути викристалізований із розчину і не може зв'язувати антиген. Цей фрагмент названий Fc-фрагментом(Від англ. fragment crystallizable - фрагмент кристалізації). Він відповідає за біологічні функції молекули антитіла після зв'язування антигену та Fab-частини неушкодженої молекули антитіла.

Fc-фрагмент має однакову структуру у антитіл кожного класу та підкласу та різну - у антитіл, що належать до різних підкласів та класів.

Fc-фрагмент молекули взаємодіє з клітинами імунної системи: нейтрофілами, макрофагами та іншими мононуклеарними фагоцитами, що несуть на своїй поверхні рецептори для Fc-фрагменту. Якщо антитіла зв'язалися з патогенними мікроорганізмами, вони можуть своїм Fc-фрагментом взаємодіяти з фагоцитами. Завдяки цьому клітини збудника будуть зруйновані цими фагоцитами. Фактично антитіла діють у разі як молекули-посередники.

Згодом стало відомо, що Fc-фрагменти імуноглобулінів у межах одного ізотипу у даного організму суворо ідентичні незалежно від специфічності антитіла антигену. За цю інваріантність їх почали називати константними областями (fragment constant – Fc, абревіатура збіглася).

2. Розщеплення молекули імуноглобуліну пепсином.

Інший протеолітичний фермент - пепсин - розщеплює молекулу в іншому місці, ближче до С-кінця Н-ланцюгів, ніж це робить папаїн. Розщеплення відбувається «нижче» дисульфідних зв'язків, що скріплюють Н-ланцюги. В результаті при дії пепсину утворюється двовалентний антигензв'язуючий F(аb")2-фрагмент і укорочений pFc"-фрагмент. Фрагмент pFc" являє собою C-кінцеву частину Fc-області.

Пепсин відсікає pFc"-фрагмент від великого фрагмента з константою седиментації 5S. Цей великий фрагмент отримав назву F(ab")2 оскільки він, як і вихідне антитіло, бівалентний щодо зв'язування антигену. Він являє собою з'єднані Fab-фрагменти, пов'язані дисульфідним містком шарнірної області. Ці Fab-фрагменти одновалентні та гомологічні з папаїновими Fab-фрагментами I і II, але їх Fd-фрагмент приблизно на десять амінокислотних залишків більше.

Антиген-зв'язувальні центри антитіл (паратопи)

У Fab-фрагмент імуноглобуліну входять V-домени обох ланцюгів, C L і C H 1-домени. Антиген-зв'язувальна ділянка Fab-фрагменту отримала кілька назв: активний або антиген-зв'язуючий центр антитіл, антидетермінанта або паратоп.

В освіті активних центрів беруть участь варіабельні відрізки легких та важких кіл. Активний центр є щілиною, розташованою між варіабельними доменами легкого і важкого ланцюгів. У формуванні активного центру беруть участь обидва ці домени.

Молекули імуноглобуліну. L – легкі ланцюги; H – важкі ланцюги; V – варіабельна область; С – константна область; N-кінцеві області L- і Н-ланцюгів (V-область) утворюють два антигензв'язувальні центри у складі Fab-фрагментів.

Кожен Fab-фрагмент імуноглобулінів IgG має один антиген-зв'язуючий центр. Активні центри антитіл інших класів, здатні взаємодіяти з антигеном, розташовані також у Fab-фрагментах. Антитіла IgG, IgA та IgE мають по 2 активні центри, IgM - по 10 центрів.

Імуноглобуліни можуть пов'язувати антигени різної хімічної природи: пептиди, карбогідрати, цукри, поліфосфати, стероїдні молекули.

Істотною та унікальною властивістю антитіл є їх здатність вступати у зв'язування з цільними, нативними молекулами антигенів, безпосередньо в тому вигляді, в якому антиген проник у внутрішнє середовище організму. Для цього не потрібна жодна попередня метаболічна обробка антигенів.

Структура доменів у складі молекул імуноглобулінів

Вторинна структура поліпептидних ланцюгів молекули імуноглобуліну має доменну будову. Окремі ділянки важких і легких ланцюгів згорнуті до глобулів (доменів), які з'єднані лінійними фрагментами. Кожен домен має приблизно циліндричну форму і являє собою β-складчасту структуру, сформовану з антипаралельних β-складок. В рамках базової структури між C- і V-доменами є певна різниця, яку можна розглянути на прикладі легкого ланцюга.

На малюнку схематично зображено укладання одиночного поліпептидного ланцюга білка Бенс-Джонса, що містить V L і C L домени. Схема побудована за даними рентгеноструктурного аналізу – методу, що дозволяє встановлювати тривимірну структуру білків. На схемі можна бачити подібності та відмінності між V- та C-доменами.

У верхній частині малюнка схематично показано просторове укладання постійного (C) та варіабельного (V) доменів легкого ланцюга молекули білка. Кожен домен - це циліндрична "бочкоподібна" (barrel-shaped) структура, в якій ділянки поліпептидного ланцюга (β-тяжі), що йдуть у протилежних напрямках (тобто антипарелельні) упаковані так, що формують два β-листи, що утримуються разом дисульфідною зв'язком.

Кожен із доменів, V- і C-, складається з двох β-аркушів (шарів з β-складчастою структурою). Кожен β-аркуш містить кілька антипаралельних (що йдуть у протилежних напрямках) β-тяжів: у С-домені β-листи містять чотири і три β-тяжа, у V-домені - обидва шари складаються з чотирьох β-тяжів. На малюнку β-тяжі показані жовтим і зеленим для домену C і червоним і синім для домену V.

У нижній частині малюнку імуноглобулінові домени розглянуті докладніше. У цій половині картинки відображено схему взаємного розташування β-тяжів для V- і C-доменів легкого ланцюга. Можна ясніше розглянути спосіб укладання їх поліпептидних ланцюгів, що створює підсумкову структуру при формуванні з них β-листів. Щоб показати укладання, β-тяжі позначені літерами латинського алфавіту, відповідно до порядку їх появи у послідовності амінокислот, що становлять домен. Порядок проходження в кожному β-листі – це характеристика імуноглобулінових доменів.

β-листи (шари) у доменах пов'язані дисульфідним містком (зв'язком) приблизно в середині кожного домену. Ці зв'язки відображені на малюнку: між шарами зображено дисульфідний зв'язок, що з'єднує складки і F і стабілізує структуру домену.

Основна різниця між V- і C-доменами полягає в тому, що V-домен більше і містить додаткові β-тяжі, позначені, як C? і C?. На малюнку β-тяжі C і C, наявні у V-доменів, але відсутні у C-доменів виділені блакитним прямокутником. Можна бачити, що кожен поліпептидний ланцюг формує гнучкі петлі між послідовними β-тяжами при зміні напрямку. У V-домені гнучкі петлі, сформовані між деякими з β-тяжів, входять до структури активного центру молекули імуноглобуліну.

Гіперваріабельні області у складі V-доменів

Рівень варіабельності всередині варіабельних доменів розподілено нерівномірно. Не весь варіабельний домен мінливий за своїм амінокислотним складом, а лише його мала частина - гіперваріабельніобласті. На частку припадає близько 20 % амінокислотної послідовності V-доменів.

У структурі цільної молекули імуноглобуліну V H - і V L -домени об'єднані. Їхні гіперваріабельні області примикають один до одного і створюють єдину гіперваріабельну ділянку у вигляді кишені. Це ділянка, яка специфічно зв'язується з антигеном. Гіперваріабельні ділянки визначають комплементарність антитіла антигену.

Оскільки гіперваріабельні ділянки відіграють ключову роль у розпізнаванні та зв'язуванні антигену, їх ще називають ділянками, що визначають комплементарність – CDR (Сomplementarity determining regions). У варіабельних доменах важкого та легкого ланцюгів виділяють по три CDR (V L CDR1-3, V H CDR1-3).

Між гіперваріабельними областями розташовані відносно постійні ділянки амінокислотної послідовності, які називаються каркасними ділянками (framework region, FR). На їхню частку припадає близько 80% амінокислотної послідовності V-доменів. Роль таких ділянок полягає у підтримці щодо однотипної тривимірної структури V-доменів, яка необхідна для забезпечення афінної взаємодії гіперваріабельних ділянок з антигеном.

У послідовності варіабельного домену області 3 гіперваріантні області чергуються з 4 відносно інваріантними «каркасними» ділянками FR1-FR4,

H1-3 - CDR-петлі, що входять до складу ланцюгів.

Особливий інтерес є просторове розташування гіперваріабельних областей у трьох окремих петлях варіабельного домену. Ці гіперваріабельні області, хоч і знаходяться на великому віддаленні один від одного в первинній структурі легкого ланцюга, але при утворенні тривимірної структури вони виявляються розташованими в безпосередній близькості один до одного.

У просторовій структурі V-доменів гіперваріабельні послідовності розташовані в зоні вигинів поліпептидного ланцюга, спрямованої назустріч відповідним ділянкам V-домену іншого ланцюга (тобто CDR легкого та важкого ланцюгів спрямовані назустріч один одному). Внаслідок взаємодії варіабельного домену H- та L-ланцюгів і формується антигензв'язувальна ділянка (активний центр) імуноглобуліну. За даними електронної мікроскопії, він є порожниною довжиною 6 нм і шириною 1,2-1,5 нм.

Просторова структура цієї порожнини, обумовлена ​​будовою гіперваріабельних ділянок, визначає здатність антитіл розпізнавати та зв'язувати конкретні молекули на основі просторової відповідності (специфічність антитіл). У формування активного центру роблять внесок і просторово розділені ділянки Н- і L-ланцюгів. Гіперваріабельні ділянки V-доменів входять до складу активного центру не повністю - поверхня антигензв'язувальної ділянки захоплює лише близько 30% CDR.

Гіперваріабельні області важкого та легкого ланцюга визначають індивідуальні особливості будови антигензв'язуючого центру для кожного клону Ig та різноманіття їх специфічностей.

Надвисока варіабельність CDR та активних центрів забезпечує унікальність молекул імуноглобулінів, що синтезуються В-лімфоцитами одного клону, не тільки за структурою, а й за здатністю зв'язувати різні антигени. Незважаючи на те, що структура імуноглобулінів досить добре відома і саме CDR відповідають за їх особливості, досі не ясно, який саме домен відповідає за зв'язування антигену найбільшою мірою.

Взаємодія антитіл та антигенів (взаємодія епітопу та паратопу)

В основі реакції антиген-антитіло лежить взаємодія між епітопом антигену та активним центром антитіла, заснований на їх просторовій відповідності (комплементарності). В результаті зв'язування патогену з активним центром антитіла відбувається нейтралізація патогену та утрудняється його проникнення у клітини організму.

У процесі взаємодії з антигеном бере участь не вся молекула імуноглобуліну, а лише її обмежена ділянка - антиген-зв'язуючий центр, або паратоп, який локалізований у Fab-фрагменті молекули Ig. При цьому антитіло взаємодіє не з усією молекулою антигену одночасно, а лише з її антигенною детермінантою (епітопом).

Активний центр антитіл є структурою, просторово комплементарною (специфічною) детермінантою групи антигену. Активний центр антитіл має функціональну автономію, тобто. здатний зв'язувати антигенну детермінанту у ізольованому вигляді.

З боку антигену за взаємодію з активними центрами антигенрозпізнаючих молекул відповідальні епітопи, які взаємодіють зі специфічними антитілами. Епітоп безпосередньо вступає в іонні, водневі, ван-дер-ваальсові та гідрофобні зв'язки з активним центром антитіла.

Специфічна взаємодія антитіл з молекулою антигену пов'язана з відносно невеликою ділянкою її поверхні, що відповідає за розміром антиген-зв'язуючому ділянці рецепторів і антитіл.

Зв'язок антигену з антитілом здійснюється за рахунок слабких взаємодій у межах антигензв'язуючого центру. Всі ці взаємодії проявляються лише за близького контакту молекул. Така невелика відстань між молекулами може бути досягнута лише за рахунок комплементарності епітопу та активного центру антитіла.

Іноді той самий антигензв'язуючий центр молекули антитіла може зв'язуватися з декількома різними антигенними детермінантами (зазвичай ці антигенні детермінанти дуже схожі). Такі антитіла називають перехресно-реагуючими, здатними до поліспецифічного зв'язування

Наприклад, якщо антиген А має загальні епітопи з антигеном Б, то частина антитіл, специфічних до А, буде реагувати також з Б. Цей феномен названий перехресною реактивністю.

Повні та неповні антитіла. Валентність

Валентність– це кількість активних центрів антитіла, які здатні поєднуватися з антигенними детермінантами. Антитіла мають різну кількість активних центрів у молекулі, що визначає їх валентність. У зв'язку з цим, розрізняють повніі неповніантитіла.

Повні антитіла мають щонайменше двох активних центрів. Повні (дво- та п'ятивалентні) антитіла при взаємодії in vitro з антигеном, у відповідь на який вони вироблені, дають візуально видимі реакції (аглютинації, лізису, преципітації, зв'язування комплементу та ін.).

Неповні або моновалентні антитіла відрізняються від звичайних (повних) антитіл тим, що мають лише один активний центр, другий центр у таких антитіл не працює. Не означає, що другий активний центр молекули відсутня. Другий активний центр у подібних імуноглобулінів екранований різними структурами, або має низьку авидність. Такі антитіла можуть взаємодіяти з антигеном, блокувати його, зв'язуючи епітопи антигену та перешкоджаючи контакту з ним повних антитіл, але не викликають агрегацію антигену. Тому вони також називаються блокуючими.

Реакція між неповними антитілами та антигеном не супроводжується макроскопічними феноменами. Неповні антитіла при специфічній взаємодії з гомологічним антигеном не дають видимого серологічної реакції, т.к. що неспроможні аггрегировать частки у великі конгломерати, лише блокують їх.

Неповні антитіла утворюються незалежно від повних і виконують самі функції. Вони також представлені різними класами імуноглобулінів.

Ідіотипи та ідіотопи

Антитіла є складними білковими молекулами, які самі собою можуть мати антигенні властивості і викликати утворення антитіл. У їхньому складі розрізняють кілька типів антегенних детермінантів (епітипів): ізотипи, алотипи та ідіотипи.

Різні антитіла відрізняються один від одного своїми варіабельними областями. Антигенні детермінанти варіабельних областей (V-областей) антитіл називаються ідіотопами. Ідіотопи можуть бути побудовані з характерних ділянок V-областей тільки H-ланцюгів або L-ланцюгів. Найчастіше, у освіті ідіотоп беруть участь обидва ланцюга одночасно.

Ідіотопи можуть відноситися до антиген-зв'язуючої ділянки (сайт-асоційовані ідіотопи) або не мати до нього відношення (неасоційовані ідіотопи).

Сайт-асоційовані ідіотопи залежать від структури антигензв'язувальної ділянки антитіла (що належить до Fab-фрагменту). Якщо ця ділянка зайнята антигеном, то антиідіотопічний антитіло вже не може реагувати з антитілом, що має цей ідіотоп. Інші ідіотопи, мабуть, не мають такого тісного зв'язку з антигензв'язуючими ділянками.

Набір ідіотопів на молекулі будь-якого антитіла позначають як ідіотип. Таким чином, ідіотип складається з набору ідіотопів – антигенних детермінантів V-області антитіла.

Групові конституційні варіанти антигенної структури важких кіл називаються алотипами. Алотипи - детермінанти, що кодуються алелями цього імуноглобулінового гена.

Ізотипи - детермінанти, за якими розрізняються класи та підкласи важких ланцюгів та варіанти κ (каппа) та λ (лямбда) легких ланцюгів.

Афінність та авидність антитіл

Сила зв'язування антитіл може бути охарактеризована імунохімічними характеристиками: авидністю та афінністю.

Під афінністюрозуміють силу зв'язування активного центру молекули антитіла з детермінантою антигену. Силу хімічного зв'язку одного антигенного епітопу з одним із активних центрів молекули Ig називають афінністю зв'язку антитіла з антигеном. Афінність кількісно прийнято оцінювати за константою дисоціації (в моль-1) одного антигенного епітопу з одним активним центром.

Афінність - це точність збігу просторової конфігурації активного центру (паратопа) антитіла та антигенної детермінанти (епітопу). Чим більше утворюється зв'язків між епітопом і паратопом, тим вище будуть стійкість і тривалість життя імунного комплексу, що утворився. Імунний комплекс, утворений низькоафінними антитілами, є надзвичайно нестійким і має малу тривалість існування.

Спорідненість антитіл до антигену називається авідністюантитіл. Авидністю зв'язку антитіла з антигеном називають сумарну силу міцності та інтенсивності зв'язку цільної молекули антитіла з усіма ангітегнними епітопами, які їй вдалося зв'язати.

Авидність антитіл характеризується швидкістю утворення комплексу «антиген-антитіло», повнотою взаємодії та міцністю комплексу, що утворюється. В основі авидності, як і в основі специфічності антитіл, лежить первинна будова детермінанти (активного центру) антитіла і пов'язана з нею ступінь адаптації поверхневої конфігурації поліпептидів антитіл до детермінанти (епітопу) антигену.

Авидність визначається як афінністю взаємодії між епітопами та паратопами, так і валентністю антитіл та антигену. Авидність залежить від числа антигензв'язуючих центрів у молекулі антитіла та їх здатність зв'язуватися з численними епітопами даного антигену.

Типова молекула IgG при залученні в реакцію обох антиген-зв'язувальних ділянок зв'язуватиметься з мультивалентним антигеном щонайменше в 10000 разів сильніше, ніж у тому випадку, коли велечений лише одну ділянку.

Найбільшу авидність мають антитіла класу М, оскільки вони мають 10 антигензв'язуючих центрів. Якщо спорідненість окремих антиген-зв'язувальних ділянок IgG і IgM однакова, молекула IgM (має 10 таких ділянок) виявить незрівнянно більшу авидність до мультивалентного антигену, ніж молекула IgG (що має 2 ділянки). Завдяки високій загальній авидності антитіла IgM - основний клас імуноглобулінів, що виробляються на початку імунної відповіді, - можуть ефективно функціонувати навіть за низької спорідненості окремих зв'язувальних ділянок.

Відмінність в авідіості дуже важлива, оскільки антитіла, що утворюються на ранніх стадіях імунної відповіді, зазвичай мають значно меншу спорідненість до антигену, ніж ті, які виробляються пізніше. Підвищення середньої спорідненості антитіл, що продукуються, з часом після імунізації називається дозріванням спорідненості.

Специфічність взаємодії антигенів та антитіл

В імунології під специфічністю розуміють вибірковість взаємодії індукторів та продуктів імунних процесів, зокрема антигенів та антитіл.

Специфічність взаємодії для антитіл - це здатність імуноглобуліну реагувати тільки з певним антигеном, а саме - здатність зв'язуватися з певною антигенною детермінантою. Феномен специфічності ґрунтується на наявності активних центрів у молекулі антитіл, що вступають у контакт з відповідними детермінантами антигену. Вибірковість взаємодії зумовлена ​​комплементарністю між структурою активного центру антитіла (паратопа) та структурою антигенної детермінанти (епітопу).

Специфікою антигену називають здатність антигену індукувати імунну відповідь до певного епітопу. Специфічність антигену багато в чому визначається властивостями його епітопів.

Однією з найважливіших функцій імуноглобулінів є зв'язування антигену та утворення імунних комплексів. Білки-антитіла специфічно реагують з антигенами, утворюючи імунні комплекси – комплекси антитіл, пов'язаних із антигенами. Такий зв'язок відрізняється нестійкістю: імунний комплекс, що утворився (ІЧ), може легко розпадатися на складові його компоненти.

До кожної молекули антигену може приєднатися кілька молекул антитіл, оскільки на антигені є кілька антигенних детермінантів і до кожної з них можуть утворюватися антитіла. Через війну виникають складні молекулярні комплекси.

Утворення імунних комплексів є невід'ємним компонентом нормальної імунної відповіді. Формування та біологічна активність імунних комплексів залежать, насамперед, від природи антитіл та антигену, що входять до їх складу, а також від їх співвідношення. Особливості імунних комплексів залежать від властивостей антитіл (валентність, афінність, швидкість синтезу, здатність пов'язувати комплемент) та антигену (розчинність, розмір, заряд, валентність, просторовий розподіл та щільність епітопів).

Взаємодія антигенів та антитіл. Реакція антиген-антитіло

Реакція антиген-антитіло - утворення комплексу між антигеном та спрямованими до нього антитілами. Вивчення таких реакцій має значення для розуміння механізму специфічного взаємодії біологічних макромолекул і з'ясування механізму серологічних реакцій.

Ефективність взаємодії антитіла з антигеном істотно залежить від умов, у яких відбувається реакція, насамперед від pH середовища, осмотичної щільності, сольового складу та температура середовища. Оптимальними для реакції антиген-антитіло є фізіологічні умови внутрішнього середовища макроорганізму: близька до нейтральної реакція середовища, присутність фосфат-, карбонат-, хлорид- та ацетат-іонів, осмолярність фізіологічного розчину (концентрація розчину 0,15 М), а також температура 36- 37 °С.

Взаємодія молекули антигену з антитілом чи його активним Fab-фрагментом супроводжується змінами просторової структури молекули антигену.

Оскільки при з'єднанні антигену з антитілом не виникає хімічних зв'язків, міцність цієї сполуки визначається просторовою точністю (специфічністю) взаємодіючих ділянок двох молекул – активного центру імуноглобуліну та антигенної детермінанти. Міра міцності зв'язку визначається афінністю антитіла (величиною зв'язку одного антигензв'язуючого центру з індивідуальним епітопом антигену) та його авидністю (сумарною силою взаємодії антитіла з антигеном у разі взаємодії полівалентного антитіла з полівалентним антигеном).

Всі реакції антиген-антитіло оборотні; комплекс "антиген-антитіло" може дисоціювати з виділенням антитіл. При цьому зворотна реакція антиген-антитіло протікає значно повільніше, ніж пряма.

Можна виділити два основні шляхи, за допомогою яких може бути частково або повністю розділений комплекс антиген - антитіло. Перший полягає у витісненні антитіл надлишком антигену, а другий - у впливі на імунний комплекс зовнішніх факторів, що призводять до розриву зв'язків (зменшення спорідненості) між антигеном та антитілом. Часткову дисоціацію комплексу "антиген-антитіло" може бути досягнуто в загальному випадку при підвищенні температури.

При використанні серологічних методів найбільш універсальним способом дисоціації імунних комплексів, утворених найрізноманітнішими антитілами, служить їхня обробка розведеними кислотами та лугами, а також концентрованими розчинами амідів (сечовини, гуанідину солянокислого).

Гетерогенність антитіл

Антитіла, що утворилися за імунної відповіді організму, неоднорідні і відрізняються одне від одного, тобто. вони гетерогенні. Антитіла гетерогенні за своїми фізико-хімічними, біологічними властивостями і насамперед за своєю специфічністю. Головна основа гетерогенності (різноманіття специфічностей) антитіл – різноманітність їх активних центрів. Остання пов'язана з варіабельністю амінокислотного складу у V-областях молекули антитіла.

Також антитіла гетерогенні за приналежністю до різних класів та підкласів.

Гетерогенність антитіл пов'язана також з тим, що імуноглобуліни містять 3 види антигенних детермінант: ізотипічні, що характеризують належність імуноглобуліну до певного класу; алотипові, що відповідають алельним варіантам імуноглобуліну; ідіотипові, що відбивають індивідуальні особливості імуноглобуліну. Система ідіотип-антіїдіотип становить основу так званої мережевої теорії Ерне.

Ізотипи, алотипи, ідіотипи антитіл

Імуноглобуліни містять три види антигенних детермінант: ізотипічні (однакові для кожного представника даного виду), алотипові (детермінанти, різні у представників даного виду) та ідіотипічні (детермінанти, що визначають індивідуальність даного імуноглобуліну і є різними у антитіл одного класу, підкласу).

У кожного біологічного виду важкі та легкі ланцюги імуноглобулінів мають певні антигенні особливості, відповідно до яких важкі ланцюги розділені на 5 класів (γ, μ, α, δ, ε), а легені на 2 типи (κ і λ). Ці антигенні детермінанти називають ізотипічними (ізотипи), для кожного ланцюга вони однакові у кожного представника цього біологічного виду.

Разом з тим, є внутрішньовидові відмінності названих ланцюгів імуноглобулінів - алотипи, зумовлені генетичними особливостями організму-продуцента: їх ознаки генетично детерміновані. Наприклад, у важких ланцюгів описано понад 20 алотипів.

Навіть тоді, коли антитіла до конкретного антигену ставляться одного класу, підкласу і навіть алотипу, вони характеризуються специфічними відмінностями друг від друга. Ці відмінності названі ідіотипами. Вони характеризують «індивідуальність» цього імуноглобуліну залежно від специфічності антигену-індуктора. Це залежить від особливостей будови V-доменів H- і L-ланцюгів, безлічі різних варіантів їх амінокислотних послідовностей. Усі зазначені антигенні відмінності визначаються за допомогою специфічних сироваток.

Класифікації антитіл відповідно до реакцій, у яких вони можуть брати участь

Спочатку антитіла умовно класифікували за їх функціональними властивостями на нейтралізуючі, лізуючі та коагулюючі. До нейтралізуючих були віднесені антитоксини, антиферменти та вірус-нейтралізуючі лізини. До коагулюючих – аглютинини та преципітини; до лізуючих – гемолітичні та комплемент-зв'язуючі антитіла. З урахуванням функціональної здатності антитіл були дані назви серологічних реакцій: аглютинація, гемоліз, лізис, преципітація та ін.

Дослідження антитіл. Фаговий дисплей.

Донедавна вивчення антитіл було утруднено технічними причинами. Імуноглобуліни в організмі – це складна суміш білків. Фракція імуноглобулінів сироватки крові є сумішшю величезної кількості різних антитіл. Причому відносне зміст кожного виду їх, зазвичай, дуже мало. Донедавна отримання чистих антитіл з імуноглобулінової фракції було важкодоступним. Складність виділення індивідуальних імуноглобулінів тривалий час була перешкодою як їхнього біохімічного дослідження, так встановлення їх первинної структури.

Останніми роками сформувалася нова галузь імунології – інженерія антитіл, що займається отриманням неприродних імуноглобулінів із заданими властивостями. Для цього зазвичай використовуються два основних напрямки: біосинтез повнорозмірних антитіл та отримання мінімальних фрагментів молекули антитіл, які необхідні для ефективного та специфічного зв'язування з антигеном.

Сучасні технології одержання антитіл in vitro копіюють селекційні стратегії імунної системи. Однією з таких технологій є фаговий дисплей, який дає змогу отримувати фрагменти антитіл людини різної специфічності. Гени цих фрагментів можуть бути використані для конструювання повнорозмірних антитіл.

Крім того, часто терапевтичні препарати, створені на основі антитіл, не вимагають залучення їх ефекторних функцій за допомогою Fc-домену, наприклад, при інактивації цитокінів, блокуванні рецепторів або нейтралізації вірусів. Тому одна з тенденцій у конструюванні рекомбінантних антитіл полягає у зменшенні їх розміру до мінімального фрагмента, що зберігає як зв'язуючу активність, так і специфічність.

Такі фрагменти в деяких випадках можуть бути кращими через їх здатність краще проникати в тканини і швидше виводитися з організму, порівняно з повнорозмірними молекулами антитіл. Разом з тим, потрібний фрагмент може бути напрацьований в E.coli або дріжджах, що суттєво знижує його вартість у порівнянні з антитілами, отриманими з використанням культур клітин ссавців. До того ж такий спосіб напрацювання дозволяє уникнути біологічної небезпеки, пов'язаної із застосуванням антитіл, виділених з донорської крові.

Мієломні імуноглобуліни

Білок Бенс-Джонс. Приклад молекули такого імуноглобуліну, який є димером легких каппа-ланцюгів

Термін імуноглобуліни відноситься не тільки до нормальних класів антитіл, але і до великого числа патологічних білків, які зазвичай називають мієломними білками. Ці білки синтезуються у великій кількості при множинні мієломи, злоякісному захворюванні, при якому специфічні клітини антитілоутворюючої системи, що переродилися, продукують великі кількості певних білків, наприклад білки Бенс-Джонса, мієломні глобуліни, фрагменти імуноглобулінів різних класів.

Білки Бенс-Джонса є або одиночними κ- або λ-ланцюгами, або димерами з двох однакових ланцюгів, пов'язаних одним дисульфідним зв'язком; вони екскретуються із сечею.

Мієломні глобуліни містяться у високій концентрації в плазмі хворих на множинну мієлому; їх Н- та L-ланцюги мають унікальну послідовність. У свій час припускали, що мієломні глобуліни є патологічними імуноглобулінами, характерними для пухлини, в якій вони утворюються, але тепер вважають, що кожен з них є одним з індивідуальних імуноглобулінів, випадково «вибраним» із багатьох тисяч нормальних антитіл, що утворюються в організмі людини.

Встановлено повну амінокислотну послідовність кількох індивідуальних імуноглобулінів, у тому числі мієломних глобулінів, білків Бенс-Джонса, а також легкого та важкого ланцюгів одного і того ж мієломного імуноглобуліну. На відміну від антитіл здорової людини всі білкові молекули кожної групи мають однакову амінокислотну послідовність і є одним з багатьох тисяч можливих антитіл індивідуума.

Гібридоми та моноклональні антитіла

Отримання антитіл потреб людини починається з імунізації тварин. Після кількох ін'єкцій антигену (у присутності стимуляторів імунної відповіді) у сироватці крові тварин накопичуються специфічні антитіла. Такі сироватки називаються імунними. З них спеціальними методами виділяють антитіла.

Однак імунна система організму тварини виробляє спеціальні антитіла на безліч антигенів. В основі цієї здатності лежить наявність різноманітності клонів лімфоцитів, кожен із яких виробляє антитіла одного типу з вузькою специфічністю. Загальна кількість клонів у мишей, наприклад, досягає 10^7 -10^10 ступеня.

Тому імунні сироватки містять багато молекул антитіл з різною специфічністю, тобто мають спорідненість з багатьма антигенними детермінантами. Антитіла, отримані з імунних сироваток, спрямовані як проти антигену, яким проводилася імунізація, так і проти інших антигенів, з якими зустрічалася тварина-донор.

Для сучасного імунохімічного аналізу та клінічного застосування дуже важливими є специфічність та стандартизованість застосовуваних антитіл. Необхідно отримувати абсолютно ідентичні антитіла, що неможливо зробити за допомогою імунних сироваток.

У 1975 Ж. Келер і С. Мільштейн (G. Köhler, C. Milstein) вирішили цю проблему, запропонувавши метод отримання гомогенних антитіл. Вони розробили так звану «гібридомну технологію» – методику отримання клітинних гібридів (гібридом). За допомогою цього методу отримують гібридні клітини, здатні необмежено розмножуватися та синтезувати антитіла вузької специфічності. моноклональні антитіла.

Для отримання моноклональних антитіл виробляють злиття клітин плазмоцитарної пухлини (плазмоцитоми або множинної мієломи) з клітинами селезінки імунізованої тварини, найчастіше миші. Технологія Кёлера і Мільштейна включає кілька етапів.

Миші вводять специфічний антиген, який викликає продукцію антитіл проти цього антигену. Селезінку мишей видаляють і гомогенізують для одержання суспензії клітин. Ця суспензія містить B-клітини, які продукують антитіла проти введеного антигену.

Клітини селезінки потім змішують із клітинами мієломи. Це пухлинні клітини, які здатні безперервно рости в культурі, у них також немає резервного шляху синтезу нуклеотидів. Деякі антитілопродукуючі клітини селезінки та клітини мієломи зливаються, утворюючи гібридні клітини. Ці гібридні клітини тепер здатні безперервно зростати в культурі та продукувати антитіла.

Суміш клітин поміщають у селективне середовище, яке дозволяє рости лише гібридним клітинам. Гинуть нестерпні мієломні клітини і В-лімфоцити.

Гібридні клітини проліферують утворюючи клон гібридом. Гібридоми перевіряють на продукцію необхідних антитіл. Вибрані гібридоми потім культивують для отримання великих кількостей моноклональних антитіл, які не містять сторонніх антитіл і настільки однорідних, що можуть розглядатися як чисті хімічні реагенти.

Слід зазначити, що антитіла, які продукуються однією культурою гібридом, зв'язуються тільки з однією антигенною детермінантою (епітопом). У зв'язку з цим до антигену з кількома епітопами можна отримати стільки моноклональних антитіл, скільки у нього є антигенний детермінант. Також можна відібрати клони, які продукують антитіла лише однієї потрібної специфічності.

Розробка технології отримання гібридом мала революційне значення в імунології, молекулярній біології та медицині. Вона дозволила створити нові наукові напрями. Завдяки гібридомам відкрилися нові шляхи для вивчення та лікування злоякісних пухлин та багатьох інших захворювань.

В даний час гібридоми стали основним джерелом моноклональних антитіл, що використовуються в фундаментальних дослідженнях та біотехнології при створенні тест-систем. Моноклональні антитіла набули широкого поширення при діагностиці інфекційних хвороб сільськогосподарських тварин та людини.

Завдяки моноклональним антитілам стали рутинними імуноферментний аналіз, реакція імунофлюоресценції, методи проточної цитометрії, імунохроматографії, радіоімунний аналіз.

Розроблено безліч технологій, що дозволили вдосконалити синтез антитіл. Це - технології рекомбінації ДНК, методи клонування клітин та інші трансгенні технології. У 90-х роках за допомогою методів генної інженерії вдалося звести до мінімуму відсоток мишачих послідовностей амінокислот у штучно синтезованих антитілах. Завдяки цьому, крім мишачих, були отримані химерні, гуманізовані та людські антитіла.