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第一节 抗体的结构
一、抗体的基本结构
各类抗体的基本结构都是由四条肽链构成的“Y”字形对称结构,即两条相同的分子量较大的重链(heavy chain,H 链)和两条相同的分子量较小的轻链(light chain,L 链)组成,重链之间以及重链、轻链之间由二硫键连接,形成一“Y”字形结构(图3-1),又称免疫球蛋白或抗体的单体。
1.重链与轻链
抗体的重链由450~550 个氨基酸残基组成,分子量约为50~75kDa。 根据重链氨基酸组成和排列顺序的不同以及免疫原性的差异,可将其分为五类,即μ 链、γ 链、α 链、δ 链、ε 链;它们分别与轻链组成五类相应的抗体分子,称为IgM、IgG、IgA、IgD、IgE。 同一类Ig 又可分为不同的亚类,人IgG 可分为IgG1~IgG4四个亚类;IgA 可分为IgA1 和IgA2 两个亚类;IgM 也分为IgM1 和IgM2 两个亚类,IgD 和IgE 尚未发现亚类。
抗体的轻链由211~217 个氨基酸残基组成,分子量约为25kDa。 根据轻链恒定区氨基酸组成、排列和免疫原性的不同,可将其分为κ 型和λ 型。 天然的免疫球蛋白分子两条轻链的型别总是相同的,但同一个体内可存在分别带有κ 链或λ 链的抗体分子。 不同种属生物体内两型轻链的比例不同,正常人血清中κ型和λ 型免疫球蛋白浓度之比约为2 ∶1,而小鼠则为1 ∶2。 若κ ∶λ 比例出现异常反映免疫系统可能异常,例如人类Ig 的λ 链过多,提示可能有产生λ 链的B 细胞肿瘤。 根据λ 链恒定区个别氨基酸残基的差异,又可将λ 分为λ1~λ4 四个亚型。
同一物种不同个体Ab 分子的类、亚类、型、亚型的结构和免疫原性是相同的,不同物种间则不相同。因此,一种动物的Ab 分子免疫另一种动物后,能够产生抗类、亚类、型、亚型结构的抗体,即二抗。 这种在同种动物相同、不同种动物相异的存在于Ab 分子的类、亚类、型、亚型的结构称为Ab 分子的同种型抗原结构,即Ab 分子的同种型。
2.可变区与恒定区
对不同的抗体分子的氨基酸序列分析发现,在轻链氨基端(N 端)1/2 以及重链N端1/4(或1/5)约110 个氨基酸序列的区域内,氨基酸残基的组成和排列顺序多变,故称其为可变区(variable region,V 区);其余近羧基端(C 端)氨基酸残基的组成和排列顺序相对稳定,称为恒定区(constant region,C 区),分别占轻链的1/2 和重链的3/4(或4/5)。
在可变区内,氨基酸残基的组成和排列顺序的变化程度并不均一,重链和轻链V 区(分别称为VH 和VL)中,各有三个区域的氨基酸组成和排列顺序有更大的变异性,称为超变区(hypervariable region,HVR)或互补决定区(complementarity determining region,CDR),分别为CDR1、CDR2 和CDR3。 VH 和VL 的3 个CDR 共同构成免疫球蛋白的抗原结合部位,负责识别并结合抗原表位。 不同抗体的CDR 序列不同,因此决定了抗体与抗原表位结合的特异性和多样性。 CDR 之外区域的氨基酸组成和排列顺序变化相对较小,称为骨架区(framework region,FR),VH 和VL 各有FR1~FR4 四个骨架区,对维持免疫球蛋白分子可变区的空间构型起着重要的作用(图3-2)。
图3-1 抗体的基本结构示意图
图3-2 免疫球蛋白V 区和C 区结构示意图
抗体重链和轻链的C 区分别称为CH 和CL。 κ 型和λ 型抗体的CL 的长度基本一致,但不同类抗体的CH 的长度不一,如IgG、IgA 和IgD 的CH 区有CH1~CH3 三个结构域,IgM 和IgE 的CH 区有CH1~CH4 四个结构域。 同一种属的个体,针对不同抗原所产生的同一类别抗体,其V 区各异,但C 区氨基酸组成和排列顺序比较恒定,即免疫原性相同(即同种型相同)。 而针对相同抗原不同类别的抗体,其C 区的差异很大。 C 区不仅作为完整抗体分子的一部分存在,而且当抗体的V 区特异性识别及结合抗原时,可通过C 区发挥激活补体、调理吞噬、介导ADCC 等重要的生物学作用,最终清除抗原。
3.铰链区
在抗体重链的CH1 与CH2 之间,有一个易伸展弯曲的区域,即铰链区(hinge region),该区约含30 个氨基酸残基,一般由一或数个链间二硫键连接,其中因富含脯氨酸,故具有一定的伸展性。 当抗体与抗原结合时,由于铰链区能改变抗体两个“Y”形臂之间的距离,有利于可变区与抗原分子表面不同距离的抗原表位结合,或能同时与两个抗原分子表面相应的抗原表位结合,也利于抗体分子补体结合位点暴露并激活补体。 五类抗体分子中,IgG、IgA、IgD 重链CH1 与CH2 之间有铰链区,IgM 和IgE 则无。 铰链区也对蛋白酶敏感,经蛋白酶处理的免疫球蛋白,产生不同的水解片段。
4.功能区
抗体重链和轻链可通过链内二硫键折叠形成若干球状结构,每个球状结构由约110 个氨基酸残基组成,称为结构域,它们与抗体的生物学功能有关,又称为功能区(见图3-2)。 轻链有两个功能区(VL 和CL)。 IgG、IgA、IgD 重链有四个功能区(VH、CH1、CH2、CH3);IgM 和IgE 重链有五个功能区,即多一个CH4。 各功能区的主要功能是:①VH 和VL 是与抗原表位特异性结合的部位;②IgG 的CH2 和IgM 的CH3 有补体C1q 结合位点,与补体经典途径激活有关;③IgG 的CH2 可介导IgG 通过胎盘转运到胎儿体内,发挥天然被动免疫作用;④IgG 的CH3 和IgE 的CH3、CH4 可结合不同细胞表面的Fc 受体,产生不同的免疫效应。 例如,IgG 的CH3 与巨噬细胞表面的IgG Fc 受体(FcγR)结合,可促进巨噬细胞的吞噬作用;IgE 的CH3、CH4 与肥大细胞、嗜碱性粒细胞表面的IgE Fc 受体(FcεR)结合,介导Ⅰ型超敏反应。
二、抗体的其他成分
除上述基本结构外,某些类别的抗体还有其他辅助成分,即J 链和分泌片。
1.J 链
J 链(joining chain),是一条富含半胱氨酸的多肽链,由浆细胞合成,主要功能是将单体Ab 分子连接为多聚体。 两个IgA 单体由J 链连接组成二聚体, 并与分泌片共价结合;五个IgM 单体由二硫键相互连接,并通过二硫键与J 链连接组成五聚体。 IgG、IgD 和IgE 为单体,无J 链。
2.分泌片
分泌片(secretory piece,SP),是一种含糖的肽链,由黏膜上皮细胞合成和分泌,是分泌型IgA(secretory IgA,SIgA)的重要组成部分。 分泌片的主要功能是介导IgA 二聚体从黏膜下转运至黏膜表面,并保护SIgA 的铰链区免受蛋白酶水解(图3-3)。
图3-3 免疫球蛋白的J 链和分泌片
三、抗体的水解片段
在一定条件下,抗体分子肽链的某些部分易被蛋白酶水解为各种片段。 木瓜蛋白酶和胃蛋白酶是最常用的两种蛋白水解酶,它们水解IgG 后所形成的片段见图3-4。
1.木瓜蛋白酶水解片段
木瓜蛋白酶可在IgG 重链铰链区链间二硫键近氨基端(N 端)将其断裂为三个片段:即两个完全相同的抗原结合片段(fragment antigen binding,Fab),和一个可结晶片段(fragment crystallizable,Fc)。 每个Fab 段由一条完整的轻链和部分重链(VH 和CH1)组成。 该片段具有单价抗体活性,只能与一个相应抗原表位结合,不能形成凝集反应或沉淀反应;Fc 段主要由CH2 和CH3 功能区组成,是IgG 与效应分子或表达IgGFc 受体的免疫效应细胞结合部位。 IgG 同种型抗原表位主要存在于Fc 段,用人IgG 免疫动物可获得针对人IgG Fc 段的抗体,此类抗体为抗Ig 同种型抗体,属于二抗。
2.胃蛋白酶水解片段
胃蛋白酶水解IgG 的部位是在重链链间二硫键的近羧基端(C 端),可获得一个大分子的F(ab′)2 片段和若干小分子片段pFc′。 F(ab′)2 是由两个Fab 及铰链区组成,由于抗体分子的两个臂仍由二硫键连接,因此具有双价抗体活性,可同时与两个抗原表位结合,故能形成凝集反应或沉淀反应。 小片段pFc′无生物学活性。 根据此酶解特性,用胃蛋白酶水解破伤风抗毒素等抗体制剂,使其具有同种型抗原表位的Fc 段裂解,可大大减少临床使用时可能引起的超敏反应。
图3-4 免疫球蛋白的水解片段
木瓜蛋白酶作用于铰链区链间二硫键近N 端的两条重链,将IgG 裂解为2 个完全相同的Fab 段和1 个Fc 段。胃蛋白酶作用于铰链区链间二硫键近C 端的两条重链,将IgG 裂解为1 个大片段F(ab′)2 和多个小片段pFc′