Биоорганическая химия. Учебное пособие

Тема 32. Биохимия иммунной системы

Антитела обнаруживают высокую специфичность в отноше нии чужеродных белков, вызвавших их образование. Функцио нально различные белки из одного и того же организма вызывают образование различных антител. Гомологичные белки разных ор ганизмов в иммунологическом отношении не идентичны. Гомо логичными называются белки, выполняющие у различных орга низмов одни и те же функции. Специфичность антител отражает филогенетические взаимоотношения между видами. Структур ные различия между гомологичными белками различных видов животных, обнаруживаемые при помощи реакции антиген анти тело, отражают различия в аминокислотных последовательностях этих белков. Чем более близки между собой два вида организмов, тем больше сходства в аминокислотных последовательностях го мологичных белков.

Антитела, специфичные в отношении различных антигенов, различаются по аминокислотной последовательности.

Молекулы антител (иммуноглобулинов) синтезируются плаз матическими клетками позвоночных. Способность позвоночных

кобразованию множества специфических антител в ответ на мно жество различных антигенов напоминает способность бактерий

кобразованию множества различных ферментов в ответ на мно жество различных индукторов.

Согласно клонально селективной гипотезе все антителооб разующие клетки «генетически» идентичны, однако существует множество клонов таких клеток. Клетки каждого клона способны синтезировать лишь один тип антител с характерной для данного клона аминокислотной последовательностью, т. е. в каждом кло не постоянно репрессирован синтез всех антител, кроме одного. В отсутствии антигена имеется лишь очень небольшое число кле ток данного клона, так как в организме синтезируется малое ко личество определенного антитела. Введение антигена вызывает интенсивное размножение клеток соответствующего клона, что вызывает резкое возрастание количества специфического антите ла, образуемого данным клоном. Способность антигена «выби рать» и стимулировать пролиферацию определенного клона объясняется специфическим взаимодействием антигена с по верхностью клетки, точнее, с антителами, локализованными на поверхности антителообразующей клетки.

351

Тема 32. Биохимия иммунной системы

Вариабельность антител обусловлена тем, что ДНК каждой антителообразующей клетки содержит огромное количество раз личных генов, кодирующих множество различных L и Н цепей, причем в каждой клетке почти все эти гены постоянно репресси рованы. Получается, что каждая клетка заранее «подготовлена» к синтезу только одного определенного типа антител еще до того, как встретит антиген. Такая «подготовленность» клетки насле дуется.

3. Реакция антиген—антитело. Взаимодействие между антиге ном (АГ) и антителом (АТ) происходит в зоне, называемой связую щим звеном молекулы Ig. За реакцию отвечают боковые цепи гид рофобных аминокислот. Реакция между АГ и АТ формально протекает по уравнению:

К1

АГ + АТ ====АГ – АТ

К2

Прочность связи невелика и соответствует границе между гид рофобной и водородной связями. Легкость возникновения связи объясняется значением константы ассоциации комплекса АГ–АТ, которое примерно равно 105–109. Взаимодействие АГ–АТ представляет собой 2 стадийный процесс, причем первая стадия лимитирована диффузией антигена, а во второй стадии идет собственно реакция, после чего происходит изменение кон формации молекулы Ig, включая ее Fc часть. Способность молеку лы антитела образовывать 2 связи объясняет, почему одна молекула антитела может вступить в реакцию с двумя детерминантными группами, локализованными на поверхности одного или двух ан тигенов. Если антиген представлен белком, то обычно реагируют одинаковые по размерам молекулы. Если соотношение АГ : АТ равно 2 : 1, то возникают комплексы АГ—АТ, которые раствори мы, не подвергаются фагоцитозу, а если реакция происходит вну три сосудов, то они проходят через гломерулярные мембраны. Если же соотношение АГ : АТ = 1 : 2–1 : 5 и выше, то образуются соединения, которые в результате многократного взаимного при соединения отличаются очень большими размерами, поэтому не

352

Тема 32. Биохимия иммунной системы

растворимы и подвергаются фагоцитозу. На поверхности клетки находится огромное количество детерминантных групп и отрица тельных зарядов, которые обеспечивают взаимное отталкивание клеток. При реакции с антителом на поверхности одной клетки связы вается большое количество его молекул. При их избытке молекулы антигена могут перекрыть отрицательные заряды на поверхности цитоплазматической мембраны и происходит агре гация. В то же время отрицательные заряды поверхности клетки нейтрализуются положительными зарядами, между клетками об разуется пространство, которое вполне может быть заполнено ан тителами IgM, эти антитела являются универсальными антитела ми — блокирующими. Связываясь с детерминантными группами на поверхности клеток, они не приводят к агглютинации клеток.

4. Иммунокомпетентные клетки. Иммунная реактивность орга низма вязана с двумя основными типами клеток — макрофагами и лимфоцитами. Макрофаги представляют собой специализиро ванные фагоциты, возникшие как результат дифференцировки мо ноцитов; в зависимости от ткани, в которой они локализуются, различаются гистиоцит, звездчатый ретикулоэндотелиоцит, альвео лярный макрофаг, плевральный макрофаг, перитонеальный макро фаг, остеокласт. Основная функция макрофагов — устранение чужеродных частиц посредством фагоцитоза, что обеспечивается распознаванием «своего» от «чужого» и достигается обволакива нием чужеродной частицы каким либо гуморальным фактором, синтезированным клетками другого типа, в частности, иммуногло булинами, которые специфически связываются с антигеном своей зоной F(ab)2. Сегмент Fc, выступая наружу, образует сигнальный конец. Макрофаги с самого начала своей дифференцировки несут на цитоплазматической мембране рецепторы для Fc. Связывание фрагмента Fc c рецептором служит сигналом для связывания и по следующего фагоцитоза чужеродной частицы. Фагоцитированная частица в зависимости от своей природы может быть полностью разрушена лизосомальными ферментами макрофага, при этом ан тиген теряет свои антигенные свойства; но в ряде случаев инород ная частица может быть подвергнута только частичной деградации, в этом случае часть детерминантных групп антигена длительное время сохраняется внутри макрофага. На поверхности макрофагов

353

Тема 32. Биохимия иммунной системы

есть и другие рецепторы — специфичные для комплемента (С3). Свя зывание комплемента с этими рецепторами происходит только, если рецептор для Fc связан с комплексом антиген—антитело. Рецепторы для Fc имеют и другое функциональное значение. Если с этим ре цептором связан комплекс антиген—антитело, раньше чем наступит фагоцитоз, он может стать источником активации В лимфоцитов, соответствующих данному антигену, причем иммуногенность дан ного антигена значительно возрастает, если он находится в свобод ном состоянии.

Лимфоциты возникают из стволовых лимфоидных клеток кост ного мозга, функционально они подразделяются на 2 типа — Т лим фоциты и В лимфоциты. Дифференцировка Т лимфоцитов из стволовых клеток регулируется эпителиальными клетками вилоч ковой железы (тимусом), в ходе дифференцировки Т лимфоциты становятся компонентами клеточного иммунитета: они приобре тают способность вызывать отдаленную гиперсенсибилизацию, способность устранять продукты распада, вызывать расщепление структур, производить иммунологический контроль, направленный против чужеродных клеток и организмов. Указанные свойства проявляются в антигенном, т. е. белковом, составе их цитоплаз матических мембран — экспрессией генетической информации, прежде всего главного иммунокомпетентного комплекса. Процесс дифференцировки заканчивается появлением Т клеток различного типа. На поверхности рецепторов имеются различные типы белко вых антигенных рецепторов, они являются гликопротеидами, ко личество которых на поверхности одной клетки огромно. После окончания дифференцировки Т лимфоциты выходят за пределы вилочковой железы и накапливаются в депо — в лимфатических уз лах, в селезенке, пейеровых бляшках, они также перемещаются между лимфатической и кровеносной системами, определенное ко личество Т лимфоцитов способно без деления циркулировать в ор ганизме около 10 лет, именно эти лимфоциты (их 8–10%) считаются носителями иммунной памяти. В лимфоциты также возникают в костном мозге и стволовых лимфоидных клетках, в ходе даль нейшей дифференцировки В лимфоциты приобретают способ ность синтезировать иммуноглобулины; эти синтезированные

354

Тема 32. Биохимия иммунной системы

иммуноглобулины становятся составными частями их поверхности. Определено не сколько видов этих рецепторов:

1)2 рецептора, образованных IgM и Ig D; рецептор, обладаю щий природой IgG, появляется на поверхности клеток после ан тигенной стимуляции;

2)рецепторы для фрагмента Fc IgA;

3)рецепторы для связывания комплемента (С3, которые ти пичны для определенного типа В лимфоцитов);

4)антигены Ia, посредством которых обеспечивается син хронность некоторых функций при совместной деятельности Т

иВ лимфоцитов.

После дифференцировки В лимфоциты локализуются в лим фатических узлах, в селезенке, пейеровых бляшках. Период их жизни короток — около 1 недели. В лимфоциты способны синтези ровать иммуноглобулины и фиксировать их на своей цитоплазма тической мембране в качестве рецепторов. В лимфоциты являются предшественниками плазмоцитов — клеток, дифференцирован ных для производства больших количеств специфических анти тел — Ig. В лимфоциты способны обеспечить около 1 000 000 отдельных иммуноглобулинов. Генетические исследования пока зали, что вариабельные и постоянные части молекулы иммуно глобулинов кодированы самостоятельными генами, которые уже на уровне ДНК организованы так, что возникает и РНК, соответ ствующая одной цепи иммуноглобулина. Для возникновения специфического иммуноглобулина, присущего одному из 106 ан тигенов, необходимо, чтобы в молекуле ДНК возникала пере группировка очень большого количества генов, что происходит

врезультате неравномерного перекрещивания с возникновением дупликаций (делений) или вследствие транслокации на одной хромосоме. У возникших рекомбинантов большинство генов

вдействительности репрессировано, и при контакте с иммуно глобулином начинает работать только одна варианта. Таким обра зом, для синтеза определенного специфического иммуноглобули на существует лишь одна или несколько В клеток, которые после активации антигеном размножаются, превращаются в соответ ствующие плазмоциты, которые обеспечивают синтез иммуно глобулина в требуемом количестве. Эти процессы возникают до

355

Тема 32. Биохимия иммунной системы

контакта организма с определенным антигеном. При контакте с антигеном происходит повышенная пролиферация В лимфоци тов, их дифференцировка в плазмоциты, продуцирующие перво начально IgM, затем — IgG. В лимфоидной системе после прекра щения первичного воздействия антигена присутствует довольно большое количество лимфоцитов, способных отличать данный антиген; эти клетки также являются составной частью «иммуноло гической памяти». Такой принцип реакций приводит к сокраще нию времени синтеза соответствующего антитела при повторном контакте с данным антигеном. Образование иммуноглобулинов

вэтом случае минует стадию синтеза IgM — сразу начинается син тез иммуноглобулина G.

Превращение В лимфоцита в лимфобласт и в последующем

вплазмоцит происходит при участии Т лимфоцитов, В лимфо цитов и макрофагов.

Антиген или митоген не обязательно должен проникать внутрь клетки, достаточно связывания его с поверхностью клетки на опре деленное время. В результате этого контакта происходит резкое повышение активности лизолецитин ацилтрансферазы, которая ло кализована в мембране лимфоцита и имеет положительную коопе ративность с рецепторами митогенов. Этот фермент имеет высокое сродство к ненасыщенной арахидоновой кислоте, остатки которой связываются с С 2 лизолецитиновых молекул, которые возникают непосредственно перед этим в результате гидролитического расщеп ления фосфолипидов мембран под воздействием фосфолипазы А

или А2. Как результат этого, мембрана приобретает высокую теку честь, что снижает ее стабильность. Главным следствием увеличения текучести, следовательно, и проницаемости мембраны, является по вышенное проникновение в клетку ионов кальция, что имеет значе ние для взаимодействия с цГМФ, возникающей в мембране после активации гуанилатциклазы, происходящего под воздействием митогена. Разные концентрации цГМФ влияют на активность РНК полимеразы различно и даже противоположно. Повышение концентрации Са2+ в клетке активирует цГМФ зависимые протеин киназы, которые ингибируют активность аналогичных ферментов, связанных с цАМФ, происходит селективная регуляция реакций

356

Тема 32. Биохимия иммунной системы

фосфорилирования, например, на уровне ядра (негистоновые бел ки) и начинающих процесс транскрипции РНК. Повышение син теза РНК является одним из первых проявлений пролиферации лимфоцитов. Через 2 ч после начала действия повышается синтез белков. Транспорт аминокислот через мембраны внутрь лимфоци тов является основополагающим моментом протеосинтеза и проли ферации. Транспорт аминокислот происходит одновременно с транспортом Na+; отмечается активация Na+ K+ АТФазы, фер мента, транспортирующего Na+ из клетки, а К+ — внутрь клетки. Nа+ входит в клетку при транспорте аминокислот, но должен быть снова выведен из клетки в начале пролиферации. В результате акти вации синтетических процессов число лимфоцитов в течение суток удваивается. Синтез новых молекул АТФазы приводит к достиже нию нового уровня равновесия между транспортом ионов наружу и внутрь клетки. Повышенная активность процессов синтеза со провождается повышенным потреблением АТФ. В лимфоцитах уве личивается количество митохондрий, утилизация глюкозы и О2. Синтез новых молекул ДНК начинается несколько позднее — через 36 ч. На метаболизм лимфоцитов оказывают воздействие (кроме пе речисленных механизмов) также некоторые гормоны и ме диаторы: инсулин повышает взаимодействие между цГМЦ и транс портом глюкозы и К+, а ацетилхолин стимулирует синтез белков и ДНК. В лимфоциты, стимулированные на периферии, превращаются в лимфобласты и в плазматические клетки, которые способны про дуцировать иммуноглобулины в повышенном количестве. В лим фоциты живут несколько дней, после чего они фагоцитируются макрофагами. Т клетки также участвуют в этом процессе: они вы рабатывают специфические и неспецифические белковые факто ры, обладающие ингибирующими или активирующим дейст вием. Другим фактором являются белки, способные прямо связывать митоген; они возникают в Т лимфоцитах, а их мишенью являются В лимфоциты. Кодирующей областью белков являются отрезки J A большого иммунокомпетентного комплекса. В системе регуляции главная роль отводится рецепторам для Fc, находящимся на поверх ности В лимфоцитов. Связывание Fc части молекулы иммуногло булина Fc рецептором В лимфоцита ингибирует его трансформа

357

Тема 32. Биохимия иммунной системы

цию в плазмоцит и образование избыточного числа иммуноглобули нов. Вспомогательный эффект Th клеток — обеспечение блокировки рецепторов В лимфоцитов продуктами их синтеза или комплексом АГ—АТ, что препятствует связыванию рецепторов иммуноглобу линами. Продукты жизнедеятельности Ts клеток способствуют образованию связи между иммуноглобулинами и рецепторами В лимфоцитов.

Кроме участия в регуляции функций В лимфоцитов, Т лим фоциты после активации антигена проявляют свое собственное действие — цитотоксичность и синтез лимфокинов. Клетка эффек тор (дифференцированный Т лимфоцит) распознает чужеродную клетку на основании поверхностных углеводных групп на вырос тах мембран. После распознавания развивается длительный кон такт, связанный с микротубулярным аппаратом клетки эффекто ра, после чего чужеродная клетка погибает. Кроме собственного цитотоксического действия, Т лимфоциты продуцируют некото рые факторы белковой природы — лимфокины, которые в сово купности положительно влияют на течение иммунологического процесса («фактор переноса», «фактор, ингибирующий мигра цию» — ингибирует движение макрофагов к месту локализации антигенов).

Кроме антител, организм имеет и другие защитные механиз мы гуморальной защиты — комплемент и систему пропердина. В сыворотке крови содержатся группы белков, характеризующие ся способностью ассоциироваться друг с другом и постепенно об разовывать комплекс, называемый активным комплексом (С), который отвечает за лизис клеток, агглютинированных специфи ческим иммуноглобулином, в частности эритроцитов и грамм от рицательных бактерий. Комплемент — группа из 11 видов белков, находящихся в плазме крови. Они обозначаются буквой с порядко вым номером от 1 до 9. В физиологических условиях эти белки находятся в неактивном состоянии. Существуют 2 пути актива ции комплемента — классический и альтернативный. Классиче ский путь запускается антителом, связывающимся со специфиче ским антигеном.

358

Тема 32. Биохимия иммунной системы

Активация комплемента по классическому пути происходит поэтапно:

1)присоединение компонента С1 к комплексу антиген—ан титело;

2)каскадная активация компонентом С1 компонентов С4 и 2, которые, действуя в комплексе, образуют фермент конвертазу, расщепляющую С3;

3)активация основного компонента комплемента С3 ведет

кк фиксации его на чужеродной клетке и на тканевом базофиле, что сопровождается высвобождением гистамина;

4)с помощью С3 образуются в комплексе компоненты С5, С6, С7, которые притягивают лейкоциты к бактериальной клетке;

5)последовательное образование С8, С9, атака ими макромо лекул и клеток.

При альтернативном (пропердиновом) пути активация про исходит под воздействием веществ полисахаридной природы или

антителом. Оба пути приводят к активации компонента С3 комп лемента, дальше процесс идет одинаково и заканчивается наруше

нием целостности мембраны чужеродной клетки. С3 также связы вается поверхностью клеток и облегчает взаимодействие между ними. Все это реализуется при иммунном ответе и при взаимодейст вии отдельных лимфоцитов. При активации компонентов комп лемента возникают гликопептиды, которые имеют специфиче

ское действие на фагоциты, в основном нейтрофилы. С2, С4, С8 являются проявлением экспрессии генетической информации

большого иммунокомпетентного комплекса. С1 — комплекс, со стоящий из трех белков. В сыворотке крови в присутствии Са2+

пары молекул С1 взаимно связаны и образуют тетрамер с молеку лярной массой 350 000, обладают протеазной активностью. Один

из С1 компонентов комплемента отвечает за взаимодействие с Fc фрагментом IgG, но только после его взаимодействия с антиге ном. Взаимодействие происходит с тем местом, с которым связан и олигосахаридный компонент, необходимый для прохождения

самой реакции. Комплекс С1 легче всего связывается с IgM. Ак тивная протеаза (С1q, С1r) в дальнейшем связывается с компо нентом С4, часть которого образует комплекс С1, 4b, с которым

359

Тема 32. Биохимия иммунной системы

в дальнейшем связывается компонент С2, расщепляющийся при этом на активный фермент С2a (конвертазу) и фрагмент С2b. Ком плекс С1, 4b, 2а способен связывать С3. При связывании с ком плексом С3 расщепляется на С3а, обладающий анафилактическим действием, что сопровождается высвобождением гистамина, и фраг мент С3b, который входит в состав комп лекса С1, 4b, 2а, 3b, обла дающий протеолитическим действием. С3b комплекс обладает также способностью вступать во взаимодействие с компонентами бактериальной мембраны, что в свою очередь приводит к связы ванию лейкоцитов и фагоцитозу бактерий. Возникновение актив ного комплекса является условием активации С5; он расщепляется на анафилатоксин С5а, который обладает вместе с С3а выражен ным хемотаксическим действием, и фрагмент С5b, постепенно связывающий С6 и С7. Результатом всех этих реакций является возникновение комплекса MC5b, 6, 7, способного взаимодейство вать с цитоплазматической мембраной. Механизм взаимодей ствия с мембраной заключается в постепенном внедрении отдель ных белковых компонентов комплекса в липидный бислой. Это внедрение усиливается при присоединении комплексов С8 и С9. После присоединения первого из них уже начинается медленный лизис пораженной клетки, а после присоединения С9 скорость лизиса увеличивается. Основа процесса лизиса — под влиянием комплекса МС5b 9 на поверхности клетки образуются многочис ленные круглые отверстия, проникающие через всю толщу мем браны и образующие стабильные каналы, непроходимые для мак ромолекул, но делающие возможным свободный переход Nа+, Са2+ внутрь клетки, а К+ — в межклеточное пространство. Это приводит к гидратации и увеличению объема клетки, разрыву ее мембраны.

Система пропердина также приводит к лизису клетки. Она мо жет функционировать и в отсутствии антигена (из реакции исклю чаются С1, С2, С4 компоненты комплемента). Система пропердина представляет собой защитный механизм, функционирующий, если антитела не образуются. Она состоит из трех компонент — собст венно пропердина Р — основного белка с молекулярной массой 184 000, β гликопротеида, богатого глицином В и протеазы сери

360