第四章 免疫球蛋白

核酸蛋白质化学生命科学技术学院第四章免疫球蛋白免疫球蛋白（immunoglobulin,Ig）是机体受抗原刺激后，由淋巴细胞特别是浆细胞合成的一类具有抗体活性的球蛋白。主要分布于体内血清或外分泌液中。人有5类，分别以IgG、IgA、IgM、IgD和IgE表示第一节免疫球蛋白的结构概况第二节免疫球蛋白的空间结构第三节免疫球蛋白的功能第四节免疫球蛋白的基因第五节免疫球蛋白与疾病第一节免疫球蛋白的结构概况Ig最显著的特点是与抗原特异结合及其分子的不均一性一、Ig分子的基本结构—四链结构单位二、结构域和功能域三、轻链和重链四、铰链区和Ig分子酶解碎片五、Ig中糖的结合六、Ig分子的不均一性一、Ig分子的基本结构—四链结构单位各种不同类别的Ig都含有4条多肽链组成的基本结构单位，即2条相同而分子量较大的重链（heavychain,H链）和2条相同而分子量较小的轻链（lightchain,L链）重链和轻链之间以及重链和重链之间均借链间二硫键共价结合，加上分子内的非共价键维系整个稳定的Ig分子结构在重链上尚结合着糖链，故Ig又属糖蛋白某几种类别的免疫球蛋白分子又以四链结构为基本单位通过共价键进一步形成多聚体Ig，如二聚体的分泌型IgA和五聚体的IgMCH1VLCLVHCH2CH3HingeRegionCarbohydrateDisulfidebondIg分子的四链结构单位二、结构域和功能域根据Ig分子中轻链和重链一级结构的氨基酸序列差异，可分为可变区（variableregion,V区）和恒定区（constantregion,C区）。V区中的氨基酸序列高度变异，而C区中的氨基酸基本恒定V区和C区在其三级结构上均保持相对独立性，它们各自通过一个链内二硫键形成一肽环，肽环内含有60~70个氨基酸残基，每一肽环又与其周围肽段紧密折叠成球状的结构域轻链有2条链内二硫键，分别组成VL和CL2个结构域；重链有4~5条链内二硫键，分别组成4~5个结构域，即VH、CH1、CH2、CH3和CH4（IgA、IgG和IgD有3个CH结构域；IgM和IgE有四个CH结构域）重链各恒定区结构域（CH1、CH2、CH3和CH4）之间有高度的同源性，它们又与CL同源。因此，结构域又称为同源区，反映了Ig分子在进化起源上的关联不同链之间的同源区在空间通过疏水作用可进一步折叠成更为紧密的结构，并具有一定的免疫学功能，称为功能区功能区成分功能V区VH/VL与相应抗原的决定簇发生特异性结合C1区CL/CH1与补体中C4b结合C2区CH2/CH2激活补体C1q和控制体内Ig代谢降解速率C3区CH3/CH3具有亲细胞性，与细胞表面Fc受体结合免疫球蛋白结构域免疫球蛋白功能域三、轻链和重链1.轻链由213或214个氨基酸残基组成，分子量为22,000。每条轻链含有2个结构域，即VL（1~109位氨基酸残基）和CL（110~214位氨基酸残基）2.重链由446个氨基酸残基组成，分子量为77,000~80,000，每条重链含有4~5个结构域，以VH（1~120位氨基酸残基）、CH1、CH2、CH3和CH4表示四、铰链区和Ig分子酶解碎片1.铰链区在Ig重链CH1和CH2之间，富含Cys和Pro重链的链间二硫键大多集中在此区域内由于Pro的存在，很难形成αhelix和βsheet，因此易于弯曲，可自由伸展，有相当的柔性，与酶接触易水解，是酶解的敏感部位不同类别的Ig有各自独特的铰链区2.酶解碎片Fab碎片（fragmentofantigenbinding）：2个，能与单价抗原结合，含有完整的轻链和重链VH、CH1Fc碎片（fragmentofcrystalline）：可以结晶，含有重链CH2、CH3（或再加上CH4）木瓜蛋白酶水解产物F(ab’)2：由二硫键将2个Fab部分连接在一起，能与二价抗原结合。若将二硫键还原，则分裂为2个Fab’碎片，也具有结合抗原的活性pFc’：无生物活性胃蛋白酶水解产物五、Ig中糖的结合Ig是糖蛋白，绝大部分的糖是以聚糖的形式结合于重链的C区内。聚糖一般由甘露糖（Man）、半乳糖（Gal）、N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc）、N-乙酰氨基半乳糖（GalNAc）和唾液酸（S.A.）组成，此外还存在少量岩藻糖（Fuc）人Ig中的聚糖有两种类型①N-乙酰氨基葡萄糖型：聚糖中的N-乙酰氨基葡萄糖与肽链上具有-Asn-X-Ser/Thr-（X为除Pro和Asp以外的任何氨基酸残基）序列的Asn残基通过N-糖苷键连接。又可根据所含单糖成分和连接方式差异分为简单型和复合型两种②N-乙酰氨基半乳糖型：聚糖中的N-乙酰氨基半乳糖与肽链上Ser或Thr通过O-糖苷键连接Ig中所连的聚糖数目、类型以及连接位置随免疫球蛋白的类别而异IgG：只含2~3条N-乙酰氨基葡萄糖型的聚糖，其含糖量最少，仅3%IgA1和IgE：含4~5条N-乙酰氨基半乳糖型的聚糖IgM：每一条μ链上有5个糖结合位点，含糖量最高，可达13%六、Ig分子的不均一性遗传标志：受遗传控制而使Ig分子上抗原决定簇中氨基酸组成和序列产生的不同，可分为：1.同种型2.同种异型3.独特型1.同种型(isotype)同种型是指同一物种所有个体均具有的Ig分子的抗原特异性。根据重链和轻链V区和C区的结构变化，可将重链和轻链分成类、亚类、型、亚型、群和亚群等各种不同的分子变异体IgM(kappa)IgG1(kappa)同种型①类根据重链C区的氨基酸组成及抗原性差异将重链分成5种类别，即γ、α、μ、δ和ε，分别为IgG、IgA、IgM、IgD和IgE的重链②亚类根据重链和轻链之间二硫键连接位置差异和重链之间二硫键数目不同可将同一类Ig分子分成几种不同的亚类。如人IgG有4种亚类：IgG1、IgG2、IgG3和IgG4；IgA有2种亚类：IgA1和IgA2IgG的4种亚类③型根据各类Ig轻链C区抗原特异性差异可分为两型：κ型和λ型。单个Ig分子的两条轻链总是同一型的，但同一个体中κ型和λ型可同时存在④亚型根据Ig的λ链C区中个别氨基酸残基不同，可将λ链分成4个亚型标志氨基酸位置+/–Oz193Lys/ArgKern156Gly/SerMz147Val/Ala174Asn/LysMcg116Asp/Ala118Thr/Ser167Lys/Thrλ链的同种型标志⑤群和亚群根据同一类IgV区的同源性可将其分成3种群，即VH、Vκ和Vλ通过Ig各群的V区氨基酸组成和序列比较，发现从N端起前20个氨基酸的序列变异较大，而其他位置上的氨基酸序列相对稳定。因此又可将群分为亚群VH：VHⅠ、VHⅡ和VHⅢ3种亚群Vκ：VκⅠ、VκⅡ和VκⅢ3种亚群Vλ：VλⅠ、VλⅡ、VλⅢ、VλⅣ和VλⅤ5种亚群2.同种异型(allotype)同种异型是指同种不同个体之间的Ig分子具有的抗原特异性。其异型标志位于重链或κ链C区，不同个体之间仅一个或几个氨基酸残基不同人类Ig的几种异型标志表达在IgG的Gm、IgA的Am和κ链的Km异型标志第152位氨基酸第191位氨基酸Km(1)ValLeuKm(1,2)AlaLeuKm(3)AlaValKm的异型标志IgG1(kappa)Person2IgG1(kappa)Person1同种异型3.独特型(idiotype)独特型是指每一个Ig分子V区中多个抗原决定簇的总和，其单一的决定簇称为独特型抗原决定簇独特型不仅有别于同种间其他个体受同一抗原刺激所产生的Ig，并且还和自身具有其他抗原结合专一性的Ig分子不同IgG1(kappa)Person2anti-BIgG1(kappa)Person1anti-A由以上可知，Ig分子的不均一性由两方面原因造成外源性：抗原大分子具有多个抗原决定簇，每一个决定簇都可诱发产生一种Ig，因此机体受多个决定簇的抗原刺激后所产生的Ig分子是针对个别决定簇的Ig分子的混合物内源性：即3种遗传标志。如两型的轻链可与各类、各亚类的重链组合，而重链、轻链本身又存在各种异型标志，专一性不同的Ig分子还有各种各样的独特型变异体，这些都决定了Ig分子的不均一性第二节免疫球蛋白的空间结构一、Fab区空间结构二、Fc区的空间结构三、抗原结合部位构造一、Fab区空间结构含有四个结构域，即两个V区（VH，VL）、两个C区（CH1，CL）每一个结构域都由两层βheet组成，每层中含有3段或4段走向相反的多肽链。层与层之间由二硫键相连结构域内充满疏水性侧链，在每段走向相反的相邻肽链之间均有氢键存在C区中肽链排列较有规则，表面之间高度互补；而V区有一些额外肽环不参与两层βheet构造，表面之间互补性差，形成圆锥形穴槽，成为抗原结合部位CLdomainVLdomain轻链单体的三级结构因为结构域又是同源区，各结构域一级结构的相似性决定了它们空间构象的相似性，所以各种轻链的VH与VL同源区应有相似的空间构象，各类重链的VH和VL各同源区也应有相似的空间构象。这称为免疫球蛋白分子的基本折叠结构二、Fc区的空间结构有4个结构域，每个结构域也由两层βheet组成有糖链结合部位各肽段间由氢键维系三、抗原结合部位构造VH与VL中氨基酸序列变化有一定规律性。轻链有3个特殊易变部位，在第30位、第50位和第100位氨基酸残基附近；重链有4个特殊易变部位，在第30、50、80和第100位氨基酸残基附近。这些部位称为超变区或互补决定区（complementarity-determingregion,CDR），分别以L1、L2、L3、H1、H2、H3和H4表示。这些超变区直接参与了抗原结合部位组成人IgG1(New)Fab的抗原结合部位第三节免疫球蛋白的功能免疫球蛋白的功能与其分子结构密切相关。Ig具有双重功能：识别抗原并与抗原发生特异性结合效应功能，即激活补体C1q和亲细胞性因此，Ig分子像一个“转换器”，当它和抗原结合后能激发Ig分子构象发生变化，铰链区部分发生转动，使Ig分子上被掩盖的功能区暴露出来，导致一系列的生物学效应一、与抗原特异性结合取决于Ig结合部位与抗原决定簇之间在空间结构上的高度互补抗原结合部位是由重链和轻链的各超变区组成，这些超变区的氨基酸残基大多存在于Ig分子表面，由于超变区中的氨基酸残基变化频繁，形成形状或大小各异、由多个氨基酸残基组成的穴槽，以适应各种相应的抗原决定簇互补嵌入，这就是Ig与相应抗原特异性结合的分子基础二、激活补体C1q激活补体可通过两条途径，即经典途径（classicalpathway）和替代途径（alternativepathway）。IgG1、IgG3和IgM常通过经典途径激活补体当Ig与相应抗原结合后，Ig分子产生变构作用，使原来呈“T”形的Ig分子在铰链区发生转动而变成“Y”形，并暴露出CH2区中的补体结合部位，有利于C1q结合。由于C1q分子结构特殊，它要求与其结合的两个受体空间距离很近，故单个天然的IgG分子一般不能激活C1q，只有当C1q被两个以上IgG分子结合才能发生补体顺序性激活。IgM分子为一五聚体，且它的补体结合位点在Fc段，因此激活C1q时只需一个IgM分子三、亲细胞性Ig的Fc部位能与多种细胞表面受体结合，如巨噬细胞、肥大细胞、中性粒细胞和嗜碱性粒细胞等。由于这种结合是特异性的，故不同类型Ig的Fc端可与不同的细胞结合，且Fc结合部位亦各异电镜下观察IgE与嗜碱性粒细胞的结合示意图四、通过胎盘在人类5种Ig中，唯独IgG能通过胎盘。由于胎儿血循环中的IgG浓度常高于其母体，故IgG通过胎盘到达胎儿血液中是一个主动转运过程。若将IgG酶解成Fab碎片，虽然其分子小，但仍不能通过胎盘，表明IgG分子γ链上的Fc可选择性地与胎盘微血管壁可逆性结合而通过，而其他各类Ig的Fc无此特性，故不能通过胎盘免疫球蛋白功能小结第四节免疫球蛋白的基因一、免疫球蛋白的轻链基因二、免疫球蛋白的重链基因三、基因重排四、重链类别转换五、免疫球蛋白的多样性每种肽链的编码基因可分为编码V区的和编码C区的两大部分不同的V基因是由少数原先分隔