Immunology / Gankovskaia_L._Основы общен иммунологии

Цель изучения темы: познакомиться со строением антител, получить представление об их классах и основных функциях.

Требования к уровню подготовки студентов: необходимо иметь представление об иммунокомпетентных клетках, их роли в реализации иммунных процессов. Иметь базовые знания по биохимии.

Основные вопросы темы:

1.Общая характеристика и строение молекулы антитела.

2.Механизмы взаимодействия антигенов и антител.

3.Свойства и эффекторные функции антител.

4.Характеристика основных классов антител.

Основные понятия и термины: Паратоп — участок молекулы антитела,

образованный вариабельными доменами, комплементарный определенному участку (эпитопу) молекулы антигена и способный специфически с ним связываться.

Аффинность, или аффинитет (англ. af-nity — сродство) — прочность взаимодействия антигена и антитела. Это показатель силы связи между эпитопом и паратопом.

Авидность (англ. avidity — жадность) — функциональная аффинность целой молекулы антитела, определяемая числом антигенсвязывающих участков и их способностью взаимодействовать с эпитопами. Чем больше антитело связывает эпитопов, тем выше его авидность.

Изотипы — детерминанты, определяющие структурные особенности константных областей тяжелых цепей иммуноглобулинов, т.е. изотип определяется типом тяжелых цепей. Изотипы одинаковы у всех особей одного вида. В зависимости от изотипа выделяют классы и субклассы иммуноглобулинов.

Аллотипы — индивидуальные аллельные варианты иммунглобулинов в пределах одного изотипа, обусловленные внутривидовой вариабельностью константных доменов или каркасных участков вариабельных доменов.

Идиотипы — детерминанты, локализованные в вариабельных доменах, определяющие специфичность молекулы иммуноглобулина. В зависимости от идиотипа иммуноглобулины отличаются по антигенной специфичности, то есть имеют различное строение вариабельных доменов.

3.1. Общая характеристика и‚строение молекулы антитела

Антитела представляют собой гликопротеиновые молекулы, относящиеся к семейству иммуноглобулинов (англ. immunoglobulins, Ig), способные специфически связываться с антигенами. Термины «антитела» и «иммуноглобулины» являются синонимами в том смысле, что антитела можно рассматривать как специфические иммуноглобулины, избирательно реагирующие с эпитопами антигенов. Антитела являются основными эффекторами адаптивного гуморального иммунного ответа.

Б

Рис. 3.1. А. Принципиальная схема строения иммуноглобулина Б. 3D-модель молекулы иммуноглобулина (материал с сайта visualscience.ru).

менами, причем один из них также является вариабельным (VН), а остальные — константными (СН1−СН4). Пространственное сочетание вариабельных доменов L- и H-це- пей формирует два активных центра — антигенсвязывающие участки иммуноглобулина (паратопы). При обработке ферментом папаином молекула иммуноглобулина расщепляется на три фрагмента. Два из них имеют одинаковую молекулярную массу (45 кДа) и связывают антигены, поэтому их называют Fab-фрагментами (англ. fragment antigen-binding). Третий фрагмент массой 55 кДа обладает способностью легко кристаллизоваться, в связи с чем он получил название Fc-фрагмент (англ. fragment cristallizable) (рис. 3.2).

Вариабельные домены, отличаясь исключительно высоким разнообразием внутри каждого организма (что отражено в их названии), формируют огромное множество иммуноглобулинов, комплементарных различным антигенам, т.е. с различной антигенной специфичностью — идиотипы иммуноглобулинов. Другими словами, различные идиотипы отличаются между собой

Их классическая четвертичная структура включает 4 полипептидные цепи: две легкие L-цепи (от англ. Light — легкий) и две тяжелые H-цепи (от англ. Heavy — тяжелый). Тяжелые и легкие цепи формируют два антигенсвязывающих участка (рис. 3.1). Связь цепей друг с другом осуществляется за счет многочисленных дисульфидных мостиков.

Третичная структура L-цепей образована двумя доменами, причем один из них является вариабельным (VL), а другой константным (СL). Н-цепи образованы 4−5 до-

Рис. 3.2. Структура иммуноглобулина на примере IgG.

строением вариабельных доменов, образующих антигенсвязывающие участки.

Константные домены обусловливают структурно-функциональные особенности L-

иH-цепей, определяющие цепей. У человека существует 2 изотипа L-цепей (κ и λ)

и5 изотипов H-цепей (μ, δ, γ, ε, α). Изотип H-цепей определяет соответствующие классы иммуноглобулинов: IgM, IgD, IgG, IgE, IgA. Кроме того, дополнительные особенности γ

иα Н-цепей позволяют выделить субклассы иммуноглобулинов IgG1, IgG2, IgG3, IgG4, IgA1, IgA2. Структура иммуноглобулинов может варьировать от человека к человеку, в зависимости от индивидуальных генетических различий, обычно такие различия невелики

ихарактеризуются вариабельностью некоторых аминокислотных остатков, входящих в состав тяжелых и легких цепей.

3.2. Механизмы взаимодействия антигенов и‚антител

Основной задачей антител является специфическое связывание с молекулами антигенов. Оно обеспечивается пространственной комплементарностью между паратопом антитела (антигенсвязывающим участоком, образованным вариабельными доменами тяжелой и легкой цепей Fab-фраг- мента) и эпитопом антигена. В этом случае между молекулами антигена и антитела возникают многочисленные нековалентные связи: электростатические взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и гидрофобные взаимодействия.

Электростатические взаимодействия

образуются между противоположно заряженными группами атомов антигенов и антител. По-видимому, основная роль принадлежит

связи между фиксированными положительно заряженными аминными (NH3+) и отрицательно заряженными карбоксильными (СОО–) группами. Притяжение между этими группами имеет большое значение при взаимодействии между молекулами белка и может приводить к изменению их конформации.

Силы Ван-дер-Ваальса являются силами притяжения, возникающими только на очень близких расстояниях, при перекрывании электронных облаков сблизившихся атомов. Они обусловлены электростатическим притяжением отрицательно заряженных электронов одного атома с положительно заряженным ядром другого атома.

Водородные связи устанавливаются между полярными группами белковых молекул. Будучи очень слабыми, они возникают на очень малых расстояниях между группами. Однако они играют важную роль во взаимодействии между биологическими активными макромолекулами, так как именно они в значительной мере обеспечивают комплементарность поверхностей.

Гидрофобные взаимодействия возникают в результате стремления гидрофобных групп к взаимной ассоциации, что ослабляет их связь с молекулами воды и приводит к возникновению сил притяжения между ними.

Все перечисленные силы важны для обеспечения избирательного взаимодействия активного центра антител со специфической антигенной детерминантой в реакции антиген−антитело. Чем больше сил задействовано в этой реакции, тем прочнее будет связь между антигеном и антителом. Как было сказано выше, силу связывания одного эпитопа с одним активным центром иммуноглобулина называют . Поскольку антитела

Рис. 3.5. Фагоцитоз комплекса антиген–анти- тело, опосредованный через Fc рецепторы на поверхности фагоцитирующей клетки.

но увеличивается, так как фагоцитируются не единичные антигены, а комплексы агглютинированных антигенов (рис. 3.5);

3) антителозависимая клеточная цитотоксичность. NK-клетки и другие клетки экспрессируют Fc-γ рецепторы III типа (СD16). Через эти рецепторы NK-клетки связывают Fc-фрагменты IgG, прикрепленные к поверхности инфицированных или опухолевых клеток, и запускают перфорин-

Рис. 3.6. Антителозависимая клеточная цитотоксичность, опосредуемая через Fc-рецепторы на NK-клетке.

гранзимовый механизм цитотоксичности, уничтожая клетку-мишень (рис. 3.6);

4) связывание комплекса антигена (аллергена) и IgE-антитела тучными клетками

ибазофилами через высокоаффинные Fc-ε рецепторы I типа индуцирует дегрануляцию этих клеток и высвобождение медиаторов воспаления (гистамин, лейкотриены, простагландины). Это приводит к развитию сосудистых реакций: расширению сосудов, повышению их проницаемости, возникновению отека, задержке антигена в очаге и замедлению его распространения (рис. 3.7).

Таким образом, с помощью Fc-рецеп- торов антитела вовлекают клетки врожденного иммунитета, такие как макрофаги, нейтрофилы, NK-клетки, эозинофилы

итучные клетки, в деструкцию антигена

иего удаление из организма. Кроме того, Fc-

Fc-

Рис. 3.7. Дегрануляция тучной клетки при связывании Fc-ε рецепторов с комплексом IgE− аллерген.

фрагмент IgG обладает доменом, обеспечивающим его трансплацентраную передачу от матери к плоду во время беременности.

3.4. Характеристика основных классов иммуноглобулинов

Как было указано выше, существует 5 основных классов иммуноглобулинов, отдельные из них включают несколько подклассов. Главное различие между классами состоит в структуре константной части тяжелых цепей, формирующих структуру соответствующих иммуноглобулинов (рис. 3.8). Поскольку тяжелые цепи полностью формируют Fc-фрагмент, отвечающий за эффекторные функции антитела, различие в их структуре порождает различия в свойствах и возможностях реализации различных эффекторных механизмов.

IgM. Молекула IgM представляет пентамерный комплекс, образованный из пяти мономеров-иммуноглобулинов классического строения, соединенных Fc-фрагментами с помощью дисульфидных связей и J-цепи. Такой комплекс имеет большую молекулярную массу (970 кДа), поэтому он плохо проникает в ткани. В процессе иммунного ответа первыми вырабатываются IgM антитела. IgM, связавшись с антигеном, претерпевает конформационные изменения, после чего приобретает наибольшую способность связывать и активировать белки системы комплемента. Благодаря форме пентамера, IgM обладает высокой авидностью, поэтому основная физиологическая функция IgM — нейтрализация патогенов в кровяном русле. Помимо пентамера, IgM в мономерной форме присутствует на мембране В-лимфоцитов, выполняя роль антигенраспознающего рецептора (BCR).

Рис. 3.8. Структура иммуноглобулинов разных классов.

IgG. Иммуноглобулины этого изотипа имеют классическую мономерную форму и составляют большинство антител при вторичном иммунном ответе. Благодаря низкой молекулярной массе IgG свободно проникает в ткани, а также является единственным иммуноглобулином, способным проходить через плацентарный барьер. Существует четыре подкласса IgG: IgG1, IgG2, IgG3, IgG4; различия в их свойствах представлены в табл. 3.1. IgG1 и IgG3 способны активировать систему комплемента, усиливать фагоцитарную активность и активировать клетки-киллеры. IgG2 и IgG4 участвуют в прямой нейтрализации патогенов.

IgA присутствует в крови в виде мономера и участвует в нейтрализации антигенов, попавших в кровоток. Но главная

функция IgA — это обеспечение специфической защиты на уровне слизистых оболочек. В больших количествах IgA присутствует во внешних секретах (слюна, слезы, пищеварительные соки, молозиво) и в секретах слизистых оболочек. Секреторный IgA (sIgA) продуцируется плазматическими клетками лимфоидных фолликулов слизистых оболочек. Здесь он представляет собой димер, состоящий из двух молекул иммуноглобулинов, соединенных между собой J-цепью. Димеры sIgA путем эндоцитоза захватываются клетками эпителия, в специальной везикуле этот комплекс транспортируется через клетку и выделяется в составе слизи. В состав молекулы sIgA входит так называемый секреторный компонент, который защищает ее от действия протеолитичес-

4)Способность активировать комплемент.

5)Все перечисленное верно.

5.КОМПЛЕМЕНТ АКТИВИРУЮТ

1)IgM.

2)IgA.

3)IgG.

4)IgE.

5)IgD.

6.В ПЕРВИЧНОМ ИММУННОМ ОТВЕТЕ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО УЧАСТВУЕТ

1)IgM.

2)IgA.

3)IgG.

4)IgE.

5)IgD.

7.ПРИ СВЯЗЫВАНИИ АНТИТЕЛ

С Fc-РЕЦЕПТОРАМИ НА КЛЕТКАХ ВРОЖДЕННОГО ИММУНИТЕТА МОЖЕТ ПРОИСХОДИТЬ

1)Активация системы комплемента.

2)Запуск цитотоксического действия.

3)Образование поры в клетке.

4)Усиление фагоцитарной активности.

5)Привлечение Т-лимфоцитов.

8.ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ ОТЛИЧИЕ IGG ОТ IGD ЗАКЛЮЧАЕТСЯ

1)В строении легких цепей.

2)В строении тяжелых цепей.

3)В способности образовывать полимеры.

4)Способности закрепляться в мембране B-лимфоцитов.

5)Все перечисленное верно.

9.ЧЕРЕЗ ПЛАЦЕНТАРНЫЙ БАРЬЕР МОГУТ ПРОХОДИТЬ

1)IgM.

2)IgA.

3)IgG.

4)IgE.

5)IgD.

10.ВО ВТОРИЧНОМ ИММУННОМ ОТВЕТЕ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО УЧАСТВУЕТ

1)IgM.

2)IgA.

3)IgG.

4)IgE.

5)IgD.

ОТВЕТЫ К‚ТЕСТОВЫМ ЗАДАНИЯМ

1 – 2, 3.

2 – 1, 4, 5.

3 – 1, 4.

4 – 2.

5 – 1, 3.

6 – 1.

7 – 2, 4.

8 – 2.

9 – 3.

10 – 3.

Цель изучения темы: получить представление о системе врожденного иммунитета, ее клеточном составе и гуморальных факторах, распознающих рецепторах.

Требования к уровню подготовки студентов: необходимо знать органы и ткани иммунной системы, клеточный состав иммунной системы, основные функции, понятие рецепторов и принципы взаимодействия лиганд–рецептор.

Основные вопросы темы:

1.Знакомство с понятием врожденного иммунитета и его отличительными свойствами.

2.Изучение распознающих рецепторов врожденного иммунитета.

3.Характеристика гуморальных факторов врожденного иммунитета и механизма их действия.

4.Изучение клеточных элементов врожденного иммунитета.

5.Оценка фагоцитоза.

Основные понятия и термины:

Врожденный иммунитет — наследственно закрепленная система защиты организма от любых патогенных и непатогенных микроорганизмов, а также эндогенных продуктов тканевой деструкции.

Паттерн-распознающие рецепторы (TLR и др.) — рецепторы клеток врожденного иммунитета, распознающие консервативные, общие для многих типов микроорганизмов структуры, так называемые патоген-ас- социированные молекулярные паттерны,

например ЛПС, пептидогликаны, флагеллин и т.д.

Система комплемента — система сывороточных белков с каскадным ферментативным действием.

Противомикробные пептиды — группа катионных молекул, способных поражать микроорганизмы за счет разности зарядов.

Фагоциты — клетки, обладающие фагоцитарной активностью.

Фагоцитоз — один из механизмов иммунной защиты от биологической агрессии, проявляющийся в поглощении и переваривании корпускулярных частиц, в том числе микроорганизмов и погибших эндогенных клеток.

Fс-рецепторы — специализированные рецепторы клеток врожденного иммунитета, взаимодействующие с Fс-фрагментом антител.

4.1. Понятие врожденного иммунитета и‚его отличительные свойства

Как самая ранняя форма иммунной защиты организма, врожденный иммунитет сформировался на начальных этапах эволюции многоклеточных организмов около 1,5 млрд лет назад. Подтверждением этому служит наличие разнообразных генов врожденной защиты у беспозвоночных животных и растений.

Действие факторов врожденного иммунитета направлено на защиту от патогенов и продуктов повреждения тканей.

Система врожденного иммунитета реализует свои функции:

1)через разнообразные клетки, как правило, миелоидного происхождения (мак-