免疫球蛋白分子的結構與功能

免疫球蛋白分子的結構與功能一、免疫球蛋白分子的基本結構Porter等對血清IgG抗體的研究證明，Ig分子的基本結構是由四肽鏈組成的。即由二條相同的分子量較小的肽鏈稱為輕鏈和二條相同的分子量較大的肽鏈稱為重鏈組成的。輕鏈與重鏈是由二硫鍵連接形成一個四肽鏈分子稱為Ig分子的單體，是構成免疫球蛋白分子的基本結構。Ig單體中四條肽鏈兩端游離的氨基或羧基的方向是一致的，分別命名為氨基端（N端）和羧基端（C端）。圖2-3免疫球蛋白分子的基本結構示意圖（一）輕鏈和重鏈由于骨髓瘤蛋白（M蛋白）是均一性球蛋白分子，并證明本周蛋白（BJ）是Ig分子的L鏈，很容易從患者血液和尿液中分離純化這種蛋白，并可對來自不同患者的標本進行比較分析，從而為Ig分子氨基酸序列分析提供了良好的材料。1．輕鏈（lightchain,L）輕鏈大約由214個氨基酸殘基組成，通常不含碳水化合物，分子量約為24kD。每條輕鏈含有兩個由鏈內二硫鍵內二硫所組成的環(huán)肽。L鏈共有兩型：kappa(κ)與lambda(λ)，同一個天然Ig分子上L鏈的型總是相同的。正常人血清中的κ：λ約為2：1。2．重鏈（heavychain,H鏈）重鏈大小約為輕鏈的2倍，含450～550個氨基酸殘基，分子量約為55或75kD。每條H鏈含有4～5個鏈內二硫鍵所組成的環(huán)肽。不同的H鏈由于氨基酸組成的排列順序、二硫鍵的數目和們置、含的種類和數量不同，其抗原性也不相同，根據H鏈抗原性的差異可將其分為5類：μ鏈、γ鏈、α鏈、δ鏈和ε鏈，不同H鏈與L鏈（κ或λ鏈）組成完整Ig的分子分別稱之為IgM、IgG、IgA、IgD和IgE。γ、α和δ鏈上含有4個肽，μ和ε鏈含有5個環(huán)肽。（二）可變區(qū)和恒定區(qū)通過對不同骨髓蛋白或本周蛋白H鏈或L鏈的氨基酸序列比較分析，發(fā)現其氨基端（N-末端）氨基酸序列變化很大，稱此區(qū)為可變區(qū)（V），而羧基末端（C-末端）則相對穩(wěn)定，變化很小，稱此區(qū)為恒定區(qū)。1．可變區(qū)（variableregion,V區(qū)）位于L鏈靠近N端的1/2（約含108～111個氨基酸殘基）和H鏈靠近N端的1/5或1/4（約含118個氨基酸殘基）。每個V區(qū)中均有一個由鏈內二硫鍵連接形成的肽環(huán)，每個肽環(huán)約含67～75個氨基酸殘基。V區(qū)氨基酸的組成和排列隨抗體結合抗原的特異性不同有較大的變異。由于V區(qū)中氨基酸的種類為排列順序千變萬化，故可形成許多種具有不同結合抗原特異性的抗體。L鏈和H鏈的V區(qū)分別稱為VL和VH。在VL和VH中某些局部區(qū)域的氨基酸組成和排列順序具有更高的變休程度，這些區(qū)域稱為高變區(qū)（hypervariableregion,HVR）。在V區(qū)中非HVR部位的氨基酸組面和排列相對比較保守，稱為骨架區(qū)（fuameworkrugion）。VL中的高變區(qū)有三個，通常分別位于第24～34、50～65、95～102位氨基酸。VL和VH的這三個HVR分別稱為HVR1、HVR2和HVR3。經X線結晶衍射的研究分析證明，高變區(qū)確實為抗體與抗原結合的位置，因而稱為決定簇互補區(qū)（complementarity-determiningregi-on,CDR）。VL和VH的HVR1、HVR2和HVR3又可分別稱為CDR1、CDR2和CDR3，一般的CDR3具有更高的高變程度。高變區(qū)也是Ig分子獨特型決定簇（idiotypicdeterminants）主要存在的部位。在大多數情況下H鏈在與抗原結合中起更重要的作用。圖2-4與表位結合高變區(qū)示意圖（G表示相對保守的甘氨酸）2．恒定區(qū)（constantregion,C區(qū)）位于L鏈靠近C端的1/2（約含105個氨基酸殘基）和H鏈靠近C端的3/4區(qū)域或4/5區(qū)域（約從119位氨基酸至C末端）。H鏈每個功能區(qū)約含110多個氨基酸殘基，含有一個由二锍鍵連接的50～60個氨基酸殘基組成的肽環(huán)。這個區(qū)域氨基酸的組成和排列在同一種屬動物Ig同型L鏈和同一類H鏈中都比較恒定，如人抗白喉外毒素IgG與人抗破傷風外毒素的抗毒素IgG，它們的V區(qū)不相同，只能與相應的抗原發(fā)生特異性的結合，但其C區(qū)的結構是相同的，即具有相同的抗原性，應用馬抗人IgG第二體（或稱抗抗體）均能與這兩種抗不同外毒素的抗體（IgG）發(fā)生結合反應。這是制備第二抗體，應用熒光、酶、同位毒等標記抗體的重要基礎。（三）功能區(qū)Ig分子的H鏈與L鏈可通過鏈內二硫鍵折疊成若干球形功能區(qū)，每一功能區(qū)（domain）約由110個氨基酸組成。在功能區(qū)中氨基酸序列有高度同源性。1．L鏈功能區(qū)分為L鏈可變區(qū)（VL）和L鏈恒定區(qū)（CL）兩功能區(qū)。2．H鏈功能區(qū)IgG、IgA和IgD的H鏈各有一個可變區(qū)（VH）和三個恒定區(qū)（CH1、CH2和CH3）共四個功能區(qū)。IgM和IgE的H鏈各有一個可變區(qū)（VH）和四個恒定區(qū)（CH1、CH2、CH3和CH4）共五個功能區(qū)。如要表示某一類免疫蛋白H鏈恒定區(qū)，可在C（表示恒定區(qū)）后加上相應重鏈名稱（希臘字母）和恒定區(qū)的位置（阿拉伯數字），例如IgG重鏈CH1、CH2和CH3可分別用Cγ1、Cγ2和Cγ3來表示。IgL鏈和H鏈中V區(qū)或C區(qū)每個功能區(qū)各形成一個免疫球蛋白折疊（immunoglobulinfold,Igfold）,每個Ig折疊含有兩個大致平行、由二硫連接的β片層結構（betapleatedsheets），每個β片層結構由3至5股反平行的多肽鏈組成?？勺儏^(qū)中的高變區(qū)在Ig折疊的一側形成高變區(qū)環(huán)（hypervariableloops），是與抗原結合的位置。3．功能區(qū)的作用（1）VL和VH是與抗原結合的部位，其中HVR（CDR）是V區(qū)中與抗原決定簇（或表位）互補結合的部位。VH和VL通過非共價相互作用，組成一個FV區(qū)。單位Ig分子具有2個抗原結合位點（antigen-bindingsite），二聚體分泌型IgA具有4個抗原結合位點，五聚體IgM可有10個抗原結合位點。（2）CL和CH上具有部分同種異型的遺傳標記。（3）CH2：IgGCH具有補體Clq結合點，能活化補體的經典活化途徑。母體IgG借助CH2部分可通過胎盤主動傳遞到胎體內。（4）CH3：IgGCH3具有結合單核細胞、巨噬細胞、粒細胞、B細胞和NK細胞Fc段受體的功能。IgMCH3（或CH3因部分CH4）具有補體結合位點。IgE的Cε2和Cε3功能區(qū)與結合肥大細胞和嗜堿性粒細胞FCεRI有關。4．鉸鏈區(qū)（hingeregion）鉸鏈區(qū)不是一個獨立的功能區(qū)，但它與其客觀存在功能區(qū)有關。鉸鏈區(qū)位于CH1和CH2之間。不同H鏈鉸鏈區(qū)含氨基酸數目不等，α1、α2、γ1、γ2和γ4鏈的鉸鏈區(qū)較短，只有10多個氨基酸殘基；γ3和δ鏈的鉸鏈區(qū)較長，約含60多個氨基酸殘基，其中γ3鉸鏈區(qū)含有14個半胱氨酸殘基。鉸鏈區(qū)包括H鏈間二硫鍵，該區(qū)富含脯氨酸，不形成α-螺旋，易發(fā)生伸展及一定程度的轉動，當VL、VH與抗原結合時此氏發(fā)生扭曲，使抗體分子上兩個抗原結合點更好地與兩個抗原決定簇發(fā)生互補。由于CH2和CH3構型變化，顯示出活化補體、結合組織細胞等生物學活性。鉸鏈區(qū)對木瓜蛋白酶、胃蛋白酶敏感，當用這些蛋白酶水解免疫球蛋白分子時常此區(qū)發(fā)生裂解。IgM和IgE缺乏鉸鏈區(qū)。（四）J鏈和分泌成分1．J鏈（joiningchain）存在于二聚體分泌型IgA和五聚體IgM中。J鏈分子量約為15kD，由于124個氨基酸組成的酸性糖蛋白，含有8個半胱氨酸殘基，通過二硫鍵連接到μ鏈或α鏈的羧基端的半胱氨酸。J鏈可能在Ig二聚體、五聚體或多聚體的組成以及在體內轉運中的具有一定的作用。2．分泌成分（secretorycomponent,SC）又稱分泌片（secretorypiece）,是分泌型IgA上的一個輔助成分，分子量約為75kD，糖蛋白，由上皮細胞合成，以共價形式結合到Ig分子，并一起被分泌到粘膜表面。SC的存在對于抵抗外分泌液中蛋白水解酶的降解具有重要作用。（五）單體、雙體和五聚體1．單體由一對L鏈和一對H鏈組成的基本結構，如IgG、IgD、IgE血清型IgA。2．雙體由J鏈連接的兩個單體，如分泌型IgA（secretoryIgA,SIgA)二聚體（或多聚體）IgA結合抗原的親合力（avidity）要比單體IgA高。圖2-5分泌型IgA結構示意圖3．五聚體由J鏈和二硫鍵連接五個單體，如IgM。μ鏈Cys414（Cμ3）和Cys575(C端的尾部)對于IgM的多聚化極為重要。在J鏈存在下，通過兩個鄰近單體IgMμ鏈Cys之間以及J鏈與鄰μ鏈Cys575之間形成二硫鍵組成五聚體。由粘膜下漿細胞所合成和分泌的IgM五聚體，與粘膜上皮細胞表面pIgR(poly-Igreceptor,pIgR)結合，穿過粘膜上皮細胞到粘膜表面成為分泌型IgM(secretoryIgM)。（六）酶解片段1．本瓜蛋白酶的水解片段Porter等最早用木瓜蛋白酶（papain）水解兔IgG,從而區(qū)劃獲知了Ig四肽鏈的基本結構和功能。（1）裂解部位：IgG鉸鏈區(qū)H鏈鏈間二硫鍵近N端側切斷。（2）裂解片段：共裂解為三個片段：①兩個Fab段（抗原結合段，fragmentofantigenbinding）,每個Fab段由一條完整的L鏈和一條約為1/2的H鏈組成，Fab段分子量為54kD。一個