Иммуноглобулины синтезируются. Как известно, иммуноглобулины синтезируются клетками, которые образуются в результате дифференцировки полипотентной стволовой клетки. В какие клетки непосредственно синтезируют антитела? Сколько же это молекул

Механизм этого процесса был выяснен с помощью опытов по культивированию отдельных клеток, образующих антитела. Оказалось, что синтез антител протекает под контролем генов

Д. Носсаль

Организм человека в состоянии производить любое из тысяч, а может быть, даже миллионов различных антител; каждое антитело приспособлено для связывания специфического антигена. Каким же образом человеческий организм осуществляет столь сложную задачу? Синтезируются ли антитела в клетках, подобно остальным белкам, под контролем специальных генов? Предположим, что это так; тогда для синтеза различных антител в клетках должно содержаться огромное количество специальных генов. Кроме того, необходим сложный механизм регуляции, включающий нужный ген при попадании в организм того или иного антигена: бактерии, вируса или другого инородного объекта белковой природы.

Работая с культурами клеток, мы попытались получить ответы на все эти вопросы. Вообще говоря, производство антител в клетках напоминает крупное промышленное производство, выпускающее на разных специализированных фабриках широкий ассортимент товаров. Анализируя эту систему, можно выделить в ней три элемента: во-первых, сами фабрики-клетки, синтезирующие антитела; во-вторых, продукция - молекулы антитела; в-третьих, потребители, определяющие, так сказать, спрос,- молекулы антигена. Мы подробно рассмотрим каждый из элементов и попробуем показать, каким образом достигается столь высокая продуктивность всей системы.

Еще лет двадцать назад господствовало мнение, что антитела образуются в больших клетках, поглощающих антигены,- так называемых макрофагах или «пожирающих клетках».

Позднее шведская исследовательница Астрид Фагреус в своей классической работе впервые высказала предположение, что на самом деле антитела образуются в особых специализированных клетках, так называемых плазмацитах; плазмациты в большом количестве появляются в месте заражения, как только начинается воспаление. Фагреус обнаружила, что примерно через два дня после внутривенного введения вакцины подопытному животному в его селезенке (основном источнике лейкоцитов) начинали появляться «плазмабласты».

Эти молодые плазмациты быстро делились и спустя несколько дней становились более специализированными: клеточное ядро съеживалось, а окружающая цитоплазма увеличивалась в объеме, причем было обнаружено, что она богата рибонуклеиновой кислотой (РНК). Но известно, что РНК контролирует синтез белка; следовательно, плазмацит должен был активно производить белок, иными словами - антитело. Впоследствии А. Куне и его сотрудники подтвердили, что в плазмацитах действительно содержится антитело.

«Молекулы и клетки», под ред. Г.М.Франка

Прежде всего мы выяснили, что макрофаги очень активно заглатывают антиген. Макрофаги, лежащие в глубине лимфатических узлов, оказались, как мы и ожидали, переполненными антигеном. Антиген был обнаружен, кроме того, еще в одной системе, не известной до сих пор. В наружной части лимфатического узла мы заметили настоящее сплетение тонких нитей - выростов цитоплазмы макрофага (смотрите рисунок ниже).…

Организм наделен многочисленными клонами клеток, причем клетки каждого клона потенциально способны взаимодействовать только с одним антигеном. Этот антиген лишь пускает в ход уже готовые клетки, которые начинают производить антитела определенного типа. Как мы видели, плазмабласты, скапливающиеся вокруг наполненной антигеном сети лимфатического узла, находятся в тесном контакте с антигеном. Не исключено, что простого поверхностного контакта клеток…

Благодаря исследованиям, проведенным в нашей лаборатории, мы можем теперь с уверенностью сказать, что эти клетки действительно образуют антитела. Нам удалось проследить этот процесс, культивируя отдельные плазмациты в маленьких капельках. Этот метод позволяет измерять количество образованных живыми клетками антител и изучать их природу и химические свойства. В первых опытах мы выбрали в качестве антигена белок, выделенный…

Действие антител настолько специфично, что они быстро обездвиживают Salmonella typhi, но совершенно не влияют, даже в высокой концентрации, на близко родственный штамм Salmonella paratyphi А (смотрите рисунок ниже). Опыт, показывающий специфичность антител Крысе ввели антиген, вызывающий иммобилизацию клеток Salmonella typhi. Затем выделили клетки, образующие антитела. Если эти клетки привести в контакт с бактериями Salmonella typhi,…

Создается впечатление, что отдельный плазмабласт претерпевает, как правило, девять последовательных делений, дающих «клон» или колонию клеток, после чего деление прекращается. Клон состоит не только из зрелых плазмацитов, но также и из некоторого числа «запоминающих» клеток, которые при любой повторной встрече с тем же антигеном будут его активно нейтрализовать. Не исключено, что эти клетки способны соединяться…

Мы предвидели, что специализация должна быть достаточно строгой; действительность превзошла все наши ожидания. Оказалось, что, за редким исключением, каждая клетка производит антитела только одного типа, даже если остальные плазмациты в лимфатических узлах заняты выработкой антител другого типа. Иначе говоря, существует четкое разделение труда. Преобладает принцип: одна клетка - одно антитело. Примерно в одном случае из…

Организм, получивший прививку или перенесший инфекцию, отвечает на повторное введение того же антигена столь быстрым и интенсивным синтезом соответствующего антитела, что инфекция пресекается в самом начале. В чем же здесь дело? Производят ли плазмациты больше антител, чем в первый раз, или же повторное введение антигена стимулирует образование самих плазмацитов? Экспериментальным путем мы установили, что организм…

Мы воспользовались радиоавтографией (смотрите рисунок ниже) для определения скорости, с которой наши клетки синтезируют рибонуклеиновую кислоту (РНК), дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и белки. Схема изотопного метода Прежде всего (1) в среду, содержащую плазмабласт, добавляют тритий, радиоактивный изотоп водорода (капля этой среды наносится на нижнюю поверхность покровного стекла). Меченый водород включается в тимидин, который затем в виде…

В клетках многих типов рибосомы соединяются в так называемые полисомы1, напоминая бусинки на нитке, причем такой «ниткой» в полисоме служит молекула информационной РНК, в которой закодирована информация о синтезе белков; рибосомы считывают эту информацию с цепи РНК так же, как машина считывает задание с перфорированной ленты. Судя по некоторым электронным микрофотографиям, рибосомы в плазмацитах также,…

Как известно, при нейтрализации антигена антителом они каким-то образом связываются друг с другом. Где же в четырехкомпонентной струк-туре антитела может находиться активный центр связывания, который «запирается» на антигене? Существует два мнения на этот счет. По данным Р. Портера, соединительный центр находится в А-цепи. В то же время Г. Эдельман, основываясь на результатах своих экспериментов, полагает,…

Лимфатическая система человека выполняет ряд важных защитных функций, которые предупреждают развитие патогенных микроорганизмов или вирусов в жидких средах, клетках и тканях. За гуморальный иммунитет отвечают В-лимфоциты, которые при дальнейшем созревании синтезируют иммуноглобулины (Ig). Строение этих веществ позволяет находить, помечать и уничтожать пришедшие в организм антигены. В чем заключаются

Плазматические клетки

Все лимфатические клетки организма человека делятся на две большие группы: Т-лимфоциты и В-лимфоциты. Первые отвечают за клеточный иммунитет, поглощая антигены в процессе фагоцитоза. Задача вторых заключается в синтезе специфических антител - гуморальный иммунитет.

В-лимфоциты детерминируются во вторичных лимфоидных органах (лимфатические узлы, селезенка), а затем формируют популяцию плазмоцитов, которые также называются плазматическими клетками. Они в дальнейшем мигрируют в красный костный мозг, слизистые оболочки и ткани.

Плазмоциты достигают больших размеров (до 20 мкм), окрашиваются базофильно, т. е. в фиолетовый цвет с помощью красителей. В центре этих клеток находится крупное ядро с характерными глыбками гетерохроматина, которые напоминают спицы колеса.

Цитоплазма окрашивается светлее, чем ядро. В ней располагается мощный транспортный центр, состоящий из эндоплазматической сети и аппарата Гольджи. АГ развит достаточно сильно, формируя так называемый светлый дворик клетки.

Все перечисленные структуры направлены на синтез антител, которые отвечают за гуморальный иммунитет. Строение молекулы иммуноглобулина имеет свои особенности, поэтому важно постепенное и качественное созревание этих структур в процессе синтеза.

Собственно, для этого и развита такая густая сеть ЭПС и аппарата Гольджи. Также плазмоцитов, заключенный в ядре, направлен преимущественно на синтез белков антител. Зрелые являются примером высокой степени детерминации, поэтому редко делятся.

Строение антител иммуноглобулина

Эти высоко специализированные молекулы являются гликопротеидами, т. к. имеют белковую и углеводную части. Нас интересует скелет иммуноглобулинов.

Молекула состоит из 4 пептидных цепей: две тяжелые (Н-цепи) и две легкие (L-цепи). Они соединяются друг с другом с помощью дисульфидных связей, и в результате мы можем наблюдать форму молекулы, напоминающую рогатку.

Строение иммуноглобулинов направлено на соединение с антигенами с помощью специфических Fab-фрагментов. На свободных концах “рогатки” каждый такой участок образован двумя вариабельными доменами: одним от тяжелой и одним от легкой цепи. Каркасом служат постоянные домены (по 3 на каждой тяжелой и по одному на легких цепях).

Подвижность вариабельных концов иммуноглобулина обеспечивается наличием шарнирного участка в месте, где формируется дисульфидная связь между двумя Н-цепями. Так намного упрощается процесс взаимодействия антиген-антитело.

Остается нерассмотренным третий конец молекулы, который не взаимодействует с чужеродными молекулами. Он называется Fc-участком и отвечает за прикрепление иммуноглобулина к мембранам плазмоцитов и других клеток. Кстати, легкие цепи могут быть двух видов: каппа (κ) и лямбда (λ). Они соединены между собой дисульфидными связями.Также имеется пять видов тяжелых цепей, по которым классифицируют различные типы иммуноглобулинов. Это α-(альфа), δ-(дельта), ε-(эпсилон), γ-(гамма) μ- (мю) цепи.

Некоторые антитела способны образовывать полимерные структуры, которые стабилизируются за счет дополнительных J-пептидов. Так образуются димеры, тримеры, тетрамеры или пентомеры Ig определенного типа.

Еще одна дополнительная S-цепь характерна для секреторных иммуноглобулинов, строение и биохимия которых позволяют им функционировать в слизистых оболочках полости рта или кишечника. Эта дополнительная цепь предотвращает разрушение молекул антител природными ферментами.

Строение и классы иммуноглобулинов

Разнообразие антител в нашем организме предопределяет вариабельность функций гуморального иммунитета. Каждый класс Ig имеет свои отличительные характеристики, по которым нетрудно догадаться об их роли в иммунной системе.

Строение и функции иммуноглобулинов напрямую зависят друг от друга. На молекулярном уровне они отличаются аминокислотной последовательностью тяжелой цепи, типы которой мы уже упомянули. Следовательно, выделяют 5 видов иммуноглобулинов: IgG, IgA, IgE, IgM и IgD.

Особенности иммуноглобулина G

IgG не образует полимеры и не встраивается в мембраны клеток. В составе молекул выявлено присутствие гамма-тяжелой цепи.

Отличительной чертой этого класса является тот факт, что только данные антитела способны проникать через и формировать иммунную защиту зародыша.

IgG составляет 70-80 % всех сывороточных антител, поэтому молекулы легко обнаруживаются лабораторными методами. В крови 12 г/л - среднее содержание этого класса, и такой показатель обычно достигается уже к 12 годам.

Строение иммуноглобулина G позволяет выполнять следующие функции:

Иммуноглобулин А: особенности и функции

Этот класс антител встречается в двух формах: сывороточной и секреторной.

В сыворотке крови IgA составляет 10-15 % всех антител, а его среднее количество составляет 2,5 г/л к 10-летнему возрасту.

Больше нас интересует секреторная форма иммуноглобулина А, т. к. около 60 % молекул данного класса антител сосредоточены в слизистых оболочках организма.

Строение иммуноглобулина А также отличается своей вариативностью за счет наличия J-пептида, который может участвовать в образовании димеров, тримеров или тетрамеров. За счет этого один такой комплекс антител способен связывать большое количество антигенов.

Во время образования IgA к молекуле присоединяется еще один компонент - S-белок. Его главной задачей является защита всего комплекса от разрушительного действия ферментов и других клеток лимфатической системы человека.

Иммуноглобулин А содержится в слизистых оболочках желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы и дыхательных путей. Молекулы IgA обволакивают антигенные частицы, тем самым препятствуя их адгезии на стенках полых органов.

Функции этого класса антител следующие:

Нейтрализация антигенов.
Являются первым барьером среди всех молекул гуморального иммунитета.
Опсонируют и маркируют антигены.

Иммуноглобулин М

Представители класса IgM выделяются большими размерами молекулы, т. к. их комплексы являются пентамерами. Всю конструкцию поддерживает J-белок, а каркасом молекулы являются тяжелые цепи ню-типа.

Пентамерная структура характерна для секреторной формы этого иммуноглобулина, однако существуют и мономеры. Последние крепятся к мембранам В-лимфоцитов, тем самым помогая клеткам обнаруживать патогенные элементы в жидкостях организма.

Всего 5-10 % составляет IgM в сыворотке крови, а его содержание в среднем не превышает 1 г/л. Антитела данного класса являются самыми древними в эволюционном плане, а синтезируются они только В-лимфоцитами и их предшественниками (плазмоциты на это не способны).

Количество антител М повышается у новорожденных, т.к. это является фактором интенсивной секреции IgG. Такая стимуляция положительно влияет на развитие иммунитета младенца.

Строение иммуноглобулина М не позволяет проникать через плацентарные барьеры, поэтому обнаружение этих антител в жидкостях плода становится сигналом о нарушении обменных механизмов, инфекции или дефекте плаценты.

Функции IgM:

Особенности иммуноглобулина D

Данный вид антител изучен достаточно мало, поэтому их роль в организме до конца не выяснена. Встречаются IgD только в виде мономеров, в сыворотке крови эти молекулы составляют не больше 0,2 % от всех антител (0,03 г/л).

Основная функция иммуноглобулина D - это рецепция в составе мембраны В-лимфоцитов, однако только 15 % всей популяции этих клеток имеют IgD. Прикрепляются антитела с помощью Fc-конца молекулы, а тяжелые цепи относятся к дельта-классу.

Строение и функции иммуноглобулина Е

Этот класс составляет незначительную долю всех антител сыворотки крови (0,00025 %). IgE, он же реагин, обладают высокой цитофильностью: мономеры этих иммуноглобулинов прикрепляются к мембранам тучных клеток и базофилов. В результате IgE влияет на выработку гистамина, который приводит к развитию воспалительных реакций.

В строении иммуноглобулина Е присутствуют тяжелые цепи эпсилон-типа.

Из-за малого количества эти антитела очень сложно обнаруживаются лабораторными методами в сыворотке крови. Повышенное содержание IgE является важным диагностическим признаком возникновения аллергических реакций.

Выводы

Строение иммуноглобулинов напрямую влияет на их функции в организме. Гуморальный иммунитет играет большую роль в поддержании гомеостаза, поэтому все антитела должны работать четко и слаженно.

Иммунитет – это способ защиты организма от генетически чужеродных веществ – антигенов экзогенного и эндогенного происхождения, направленный на поддержание и сохранение гомеостаза, структурной и функциональной целостности организма, биологической (антигенной) индивидуальности каждого организма и вида в целом.

Выработка антител по первичному и вторичному иммунному ответу.

Различают два варианта выдачи иммунного ответа в форме биосинтеза антител: первичный ответ - после первой встречи организма с данным антигеном, и вторичный ответ - при повторном контакте его с одним и тем же антигеном спустя 2-3 недели.

Первичный иммунный ответ. 1) Биосинтез антител начинается не сразу после контакта с антигеном, а после некоторого латентного периода, продолжающегося 3-5 дней. В течение этого периода происходит процесс распознавания антигена и формирования клеток, которые способны синтезировать антитела к нему; 2) скорость синтеза антител относительно невелика; 3) титры синтезируемых антител не достигают максимальных значений; 4) первыми синтезируются антитела, относящиеся к иммуноглобулинам класса IgМ, затем IgG. Позже всех появляются, да и то не во всех случаях, IgА и IgЕ.

Вторичный иммунный ответ.

1) Латентный период очень непродолжительный, в пределах нескольких часов;

2) кривая, характеризующая скорость накопления антител, идет значительно круче вверх, чем при первичном ответе, и имеет логарифмический характер;

3) титры антител достигают максимальных значений;

4) синтезируются сразу антитела, относящиеся к классу IgG.

Вторичный иммунный ответ обусловлен формированием клеток иммунной памяти.

Иммунная память на клеточном уровне - это результат генерации особых антиген- специфических популяций Т- и В-клеток памяти. Она проявляется как в отношении выработки антител, так и в отношении других форм иммунного ответа и может сохраняться долгое время.

Клетки памяти представляют собой ту часть Т- и В-антигенстимулированных лимфоцитов, которые после 2-3 делений переходят в покоящееся состояние и длительное время рециркулируют в организме.

Современные теории, объясняющие происхождение и специфичность антител. Клонально-селективная теория и ее основные предпосылки. Особенности генетического контроля биосинтеза антител.

Антитела являются уникальными сывороточными белками - глобулинами, которые вырабатываются в ответ на поступление в организм антигена и способны с ним специфически взаимодействовать. Совокупность сывороточных белков, обладающих свойствами антител, называют иммуноглобулинами и обозначают символом Ig

Уникальность антител заключается в том, что они способны взаимодействовать только с тем антигеном, который индуцировал их образование.

Антитела - это белки, а синтез каждого белка запрограммирован соответствующим геном.

Схематически полный ген L-цепи иммуноглобулинов: L (область, коди рующая лидерный пептид, необходимый для секреции иммуноглобулинов из клетки) - интрон - V-ген - интрон -J-ген - интрон - С-ген.

Схематически полный ген Н-цепи иммуноглобулинов: L-ген - интрон - V-ген - интрон - D-ген - интрон - J-ген - интрон - С-ген.

Точки объединения зародышевых генов строго не фиксированы. Это увеличивает количество возможных вариантов полипептидных цепей, а в том случае, когда они участвуют в формировании активных центров, то и их разнообразия. Кроме того, в период созревания В-лимфоцитов в V-генах происходят точечные соматические мутации, которые окончательно подгоняют структуру активного центра антитела к структуре детерминанта антигена. Считается, что общее количество вариантов антител возрастает за счет неточности сплайсинга и соматических мутаций еще в 100 раз и составляет около 2 млрд:

Таким образом, приобретенный иммунитет может быть обеспечен к любому возбудителю, к любому возможному чужеродному антигену. Решающий вклад в обеспечение многообразия иммуноглобулинов (специфичности антител) вносят следующие механизмы:

1. наличие множества зародышевых генов иммуноглобулинов;

2. внутригенные рекомбинации, обусловленные экзон-интронной структурой V-, D-,J-, С-генов;

3. ассоциация различных L-цепей с различными Н-цепями;

4. неточность сплайсинга;

соматические мутации V-генов в зрелых В-лимфоцитах.

Конечным результатом активизации и созревания В-лимфоцитов является образование антител, которые реагируют специфически с эпитопами, идентифицированными первоначально его рецепторами. Плазматические клетки синтезируют и секретируют антитела. Они распространены во всех лимфоидных органах и тканях, а также в основании ворсинок слизистой оболочки кишечника, вокруг кровеносных капилляров, в сальнике и соединительной ткани.

Индуцированные вирусами антитела играют важную роль в профилактике вирусных болезней . В некоторых случаях совершенно очевидно, что болезнь предупреждают нейтрализующие антитела (например, при полиомиелите, ящуре, ньюкаслской болезни, кори, гриппе и др.). Не исключено, что антитела играют важную роль в ограничении распространения вируса из ворот инфекции, но они не всегда могут подавить уже развившуюся системную инфекцию или предотвратить реактивацию латентной инфекции (герпетический везикулярный дерматит, ветряная оспа, герпесвирусные болезни животных).

В синтезе и секреции антител или иммуноглобулинов участвует множество лимфоцитов и плазматических клеток. Считается, что первой клеткой, вовлекаемой в иммунный ответ, является клетка, чувствительная к антигену, распознающая его, или рецепторная, разрушающая антиген и каким-то образом передающая закодированную в нем специфическую информацию эффекторной, то есть другому лимфоциту или плазматической клетке, которые в конечном итоге синтезируют и секретируют антитела. На пути к синтезу антител особенно важны макрофаги, распространенные во всем организме и способные захватывать и перерабатывать антиген. К таким клеткам, прежде всего, относятся моноциты и нейтрофилы. В первые дни после инфицирования, когда антитела еще отсутствуют, борьба организма с вирусной инфекцией ведется с использованием механизмов резистентности. Катаболическая элиминация антигена предшествует иммунной, являющейся результатом соединения антигена с антителами. Индуктивная фаза иммунного ответа - это такой период, когда в сыворотке крови антител не обнаруживается. Однако в это время в лимфоидных тканях можно легко найти одиночные клетки, способные к секреции антител.

Длительность латентного периода значительно зависит от многих факторов: типа вирусной инфекции, антигенности, дозы и пути введения вакцины, от возраста, вида и общего физиологического состояния реципиента. После завершения латентного периода в организме появляются антитела. Часто первые антитела появляются в крови еще до полного устранения антигена из кровотока. Если это происходит, и антиген соединяется с антителом, то комплексы антиген-антитело быстро выводятся из организма еще до появления несколькими днями позже легко определяемых свободных антител. Если антиген попадает в организм впервые, то возникает так называемый первичный иммунный ответ. Антитела в этом случае накапливаются в низкой концентрации и, если антиген не будет введен вновь, появляются ненадолго. В случае, когда антиген вводят повторно, вскоре начинается более быстрое и сильное, чем при первичном ответе, повышение титра антител. Вторичный, или анамнестический, ответ отличается также длительностью сохранения высокого уровня антител. Возникновение гуморального и клеточного иммунитета сопровождается формированием так называемой иммунологической памяти, проявляющейся тем, что повторный контакт со специфическим антигеном вызывает ускоренный и усиленный иммунный ответ. Считают, что такой ответ зависит от наличия «клеток памяти» - особой субпопуляции лимфоцитов, ранее активизированных тем же антигеном. Количество клеток, продуцирующих антитела в селезенке инфицированных или вакцинированных кур, при парамиксовирусной инфекции достигало максимального уровня (0,1 % к количеству спленоцитов) на третий день после заражения или вакцинации.

Приблизительно через два дня после первичного введения антигена появляются IgM-продуцирующие клетки, количество которых достигает максимума к 4-6-му дню. Затем их численность снижается, и появляются IgG-продуцируюшие клетки. Синтез IgG происходит в течение более продолжительного периода, чем IgM. Если антиген вводят второй раз, то через 1-3 дня начинается мощный подъем уровня антител, через некоторое время достигающий максимума. Содержание антител при этом намного (в 10-50 раз) превышает значения, характерные для первичного ответа. Пробудить иммунологическую память можно даже спустя несколько лет после первичной иммунизации, когда показатели иммунологических реакций снижаются до нуля. Однако по мере угасания интенсивности первичного ответа уменьшается и интенсивность вторичного иммунного ответа. Существует физиологический предел, ограничивающий количество возможных повторных анамнестических ответов; организм обычно исчерпывает свой лимит после 3-5 реиммунизаций, если они проведены со сравнительно небольшими интервалами.

Инактивированная полиовирусная вакцина подобно естественному инфицированию вызывала развитие иммунологической памяти без значительной продукции гуморальных антител. Этот эффект находился в прямой зависимости от концентрации вирусного антигена в вакцине. Иммунологическая память дает человеку и животным большие преимущества в борьбе с вирусными инфекциями и лежит в основе иммунитета и вакцинопрофилактики.

Специфичность и память , присущие как гуморальному, так и клеточному иммунному ответу, могут зависеть от вирусного антигена. Так, гликопротеин D-вируса простого герпеса более активно индуцировал вирусспецифическую память, чем гликопротеин-В. В случае Т-зависимых антигенов пролиферация В-клеток и образование антител являются результатом взаимодействия с макрофагами и Т-клетками. При введении Т-независимых антигенов образование антител происходит без участия Т-хелперов. После встречи с антигеном В-клетки дифференцируются либо в зрелые плазматические клетки, которые секретируют иммуноглобулины только одного класса, либо в В-клетки памяти.

Первичный иммунный ответ предполагает обязательное участие макрофагов. При вторичном ответе стадия взаимодействия антигена с макрофагами исключается. Иммунологическая память, по-видимому, связана с долгоживущей, самовоспроизводимой популяцией лимфоцитов.

Говоря о специфичности иммунного ответа , необходимо отметить, что при вторичном иммунном ответе отчетливо проявляются антитела, реагирующие на близкородственные антигены. Чем выше уровень вторичного иммунного ответа и чем теснее родство антигенов, тем выраженнее ответ на родственные антигены. Это явление имеет важное практическое значение в деле вакцинопрофилактики ряда вирусных болезней, характеризующихся антигенной вариабельностью возбудителя.

Согласно существующим представлениям, организм животного способен синтезировать и секретировать >10 7 разнообразных антител . А так как популяция лимфоидных клеток клонирована, и каждый В-лимфоцит синтезирует антитело только одного типа, взаимодействующее с одной антигенной детерминантой, то в организме допускается существование не менее 108 различных клонов В-лимфоцитов.

Несмотря на многообразные неспецифические механизмы иммунной защиты организма, он не мог бы быть надежно защищен от антигенов, если бы не существовали механизмы специфической иммунной защиты, поскольку антигены эволюционировали параллельно с эволюцией иммунной системы и выработали ряд механизмов, позволяющих некоторым из них

Ø избегать прямого контакта с фагоцитами (резко изменив пространственную структуру своих поверхностных рецепторов)

Ø полностью избежать активации системы комплемента по альтернативному пути

Ø либо после активации системы комплемента по альтернативному пути и образования на поверхности патогена опсонизирующего фагоцитоз фактора С3b все равно не фагоцитироваться фагоцитами.

Эволюционным предкам человека необходимо было выработать механизмы, которые служили бы для защиты от каждого конкретного микроорганизма, как бы много таких микроорганизмов ни было. Формирование таких механизмов было обеспечено благодаря развитию специфических средств иммунной защиты. Такие специфические средства иммунной защиты могут обеспечиваться

Антитела (иммуноглобулины) представляют собой белковые молекулы , которые строго специфически взаимодействуют с определенными антигенами и

Ø либо непосредственно их обезвреживают,

Ø либо облегчают последующий фагоцитоз антигенов фагоцитами,

Ø либо активируют систему комплемента по классическому пути, в результате чего образуется мембранноатакующий комплекс, вызывающий повреждение антигена.

Несмотря на большое разнообразие антител, все они имеют общий план строения. В частности, в основе антител лежит Y-образная молекула , состоящая из четырех цепей : двух легких и двух тяжелых . Тяжелые цепи более длинные и занимают центральное положение в молекуле, а легкие цепи относительно короткие и прикрепляются снаружи к верхним участкам (N-концевым участкам) тяжелых цепей, тогда как нижние участки тяжелых цепей (С-концевые участки) образуют "хвост" молекулы. Тяжелые цепи соединены между собой и с легкими цепями с помощью дисульфидных связей (S-S-связей). Антигенраспознающими участками антитела являются верхние его плечи , образованные верхними (N-концевыми) частями легкой и тяжелой цепей.

Рис. Структура иммуноглобулина G

В антигенраспознающих участках тяжелой и легкой цепей молекулы антитела, в свою очередь, различают:

Ø 3 последовательно расположенные гипервариабельные области (CDR-области, от англ. Complementarity Determining Regions), эти области определяют специфичность антител, их аминокислотный состав сильно варьирует у различных антител. Именно эти области тяжелой и легкой цепей специфически (по принципу стереохимического соответствия) взаимодействуют с определенными антигенами. Причем антиген оказывается расположенным внутри плеча определенного антитела, т.е. окружен, с одной стороны гипервариабельными областями легкой, а с другой – тяжелой цепей. В гипервариабельных областях легких цепей обнаруживается большое количество аминокислотных остатков глицина, обуславливающих гибкость этих участков полипептидной молекулы. Существует предположение, согласно которому специфичность к антигену обеспечивается гипервариабельными участками тяжелой цепи, а "тонкая настройка" достигается благодаря хорошей конформационной гибкости легкой цепи

Ø и соединяющие эти гипервариабельные области промежуточные пептидные последовательности (аминокислотный состав которых мало отличается у разных антител), называемые каркасными областями (framework-областями). Каркасные области обеспечивают не только связь между гипервариабельными областями внутри цепи, но взаимодействие с каркасными участками вариабельного домена другой цепи (между вариабельными доменами легкой и тяжелой цепей).

Хвост молекулы антитела, образованный нижними (С-концевыми) частями двух тяжелых цепей, не обладает специфичностью (в молекулах антител, относящихся к одному классу, концевые части тяжелых цепей имеют сходное строение) и ответственен за связывание с рецепторами собственных клеток организма. Следовательно, у каждой молекулы антитела имеется как минимум:

ü два антигенраспознающих и соответственно антигенсвязывающих участка, соответствующих плечам молекулы и называемых Fab-фрагментами (от англ. fragment antigen binding)

ü и один неспецифичный фрагмент, обеспечивающий взаимодействие антитела с рецепторами собственных клеток организма и соответствующий хвосту молекулы антитела, образованному дистальными частями тяжелых цепей (т.н. Fc-фрагмент , получивший название от англ. fragment crystallizable).

В тяжелых цепях молекулы антител у места перехода плечей в хвост (т.е. в области "шейки" молекулы) содержится большое количество аминокислотных остатков пролина, что обеспечивает конформационную гибкость молекулы и необходимо для лучшего взаимодействия с антигенными детерминантами, находящимися на поверхности клеток. Область тяжелых цепей, соответствующая переходу плеча тяжелой цепи в хвост и обладающая высокой конформационной гибкостью, называется шарнирной областью антитела.

В зависимости от особенностей строения (аминокислотной последовательности) константных областей тяжелых цепей , молекулы иммуноглобулинов (Ig) классифицируются на 5 классов (или изотипов):

ü А (в их состав входят тяжелые цепи a-типа),

ü G (в их состав входят тяжелые цепи g-типа),

ü M (в их состав входят тяжелые цепи m-типа),

ü D (в их состав входят тяжелые цепи d-типа),

ü E (в их состав входят тяжелые цепи e-типа).

На основании особенностей строенияконстантных областей легких цепей иммуноглобулинов выделяют 2 разновидности (2 изотипа) легких цепей : c и l , причем в состав определенной молекулы антитела всегда входят идентичные легкие цепи (либо обе c-цепи, либо обе l-цепи). Таким образом, в пределах каждого класса иммуноглобулинов в зависимости от того, какие изотипы легких цепей входят в состав молекулы антитела, можно выделить два типа антител (например, иммуноглобулины класса G представлены двумя типами молекул: G c и G l , а класса М – М c и М l и т.д.).

Тяжелые и легкие цепи антител имеют сложную пространственную структуру. В частности, они состоят из последовательно расположенных глобулярных доменов , соединенных между собой линейными участками (состоящими приблизительно из 20 аминокислотных остатков). Каждый глобулярный домен имеет вид петли, которая объединяет в своем составе до 60 аминокислот и образуется в результате замыкания дисульфидных связей между определенными аминокислотными остатками цистеина внутри какой-то из цепей антитела.

Рис. Принцип доменной организации молекулы иммуноглобулина (на примере иммуноглобулина G). Каждый домен включает приблизительно 100-110 аминокислотных остатков; причем около 60 аминокислотных остатков домена оказываются заключенными в петлю дисульфидной (S-S-связью); около 20 аминокислотных остатков домена, которые не входят в состав петли, служат для соединения с другими доменами. Цифры обозначают последовательность аминокислотных остатков в полипептидных цепях. V L и C L – вариабельный и константный домены легкой цепи. V H – вариабельный домен тяжелой цепи, C H 1 C H 2 C H 3 – константные домены тяжелой цепи.

Рис. Компьютерная модель иммноглоблина G

Внутри доменов пептидные фрагменты, входящие в состав домена, образуют компактно уложенную антипараллельную b-складчатую структуру, стабилизированную водородными связями (вторичная структура белка ). Образованию b-складчатой структуры внутри домена способствуют аминокислотные остатки глицина. Таким образом, части тяжелых и легких цепей антител внутри доменов формируют b-складчатые структуры (вторичная структура белка ), которые, в свою очередь, укладываются с образованием петлеобразных доменов (третичная структура белка ). Благодаря слоистой b-складчатой структуре внутри домена три гипервариабельные области в каждой цепочке антитела оказываются максимально приближенными друг к другу.

Рис. Структура глобулярных доменов (вариабельного и константного)легкой цепи (по данным рентгеноструктурного анализа белков Бенс-Джонса). Одна поверхность каждого домена состоит из 4-х цепей (серые стрелки), образующих антипараллельную b-складчатую структуру, стабилизированную межцепочечными водородными связями (между группами СО и NH на протяжении всего пептидного остова). Другая поверхность каждого домена образована тремя цепями (розовые стрелки). Полипептидные цепи, образующие две поверхности домена связаны друг с другом межцепочечной дисульфидной связью (обозначена самой темной полосой). Описанная структура характерна для всех иммуноглобулиновых доменов. Особый интерес представляет расположение гипервариабельных областей в трех отдельных петлях вариабельного домена (гипервариабельные области обозначены красно-белыми полосатыми линиями, цифрами обозначены некоторые аминокислотные остатки в гипервариабельных областях). Эти гипервариабельные области, хотя и находятся на большом отдалении друг от друга в первичной структуре легкой цепи, но при образовании пространственной структуры они оказываются расположенными в непосредственной близости друг к другу, принимая участие в формировании антигенсвязывающего центра иммуноглобулина.

Рис. Пространственное расположение гипервариабельных участков внутри вариабельного домена тяжелой цепи иммуноглобулина G человека . Конформационная особенность вариабельного домена состоит в том, что все 3 гипервариабельных участка в результате формирования третичной структуры полипептидной цепи оказываются в непосредственной близости друг от друга (черные участки рисунка). Каркасные (инвариантные) участки обеспечивают взаимодействие с каркасными участками вариабельного домена легкой цепи. В результате взаимодействия вариабельного домена легкой и тяжелой цепей и формируется антигенсвязывающий центр иммуноглобулина.

Рис. Упрощенное двумерное изображение атигенсвязывающго центра антитела . Антигенсвязывающий центр антитела представляет собой полость, окруженную пептидными петлями гипервариабельных участков тяжелой и легкой цепей (на рисунке пронумерованы аминокислотные остатки гипервариабельных областей цепей).

Рис. Функциональное значение различных доменов иммуноглобулина G (схема). Домены легкой цепи обозначены буквами V L (вариабельный домен) и C L (константный домен); домены тяжелой цепи g-типа обозначены V H (вариабельный домен тяжелой цепи) и Сg1 Сg2 и Сg3 (константные домены тяжелой цепи)

Как уже было сказано выше, на основании особенностей строения константных областей тяжелых цепей молекул иммуноглобулинов, выделяют 5 их классов, каждый из которых характеризуется определенными особенностями организации Fc-фрагментов, обуславливающими то, с рецепторами каких эффекторных клеток организма будет взаимодействовать такой иммуноглобулин и некоторые другие его функциональные особенности. Преобладающим классом иммуноглобулинов во внутренних жидкостях организма (и преимущественно в тканевой жидкости) являются антитела класса G , которые в больших количествах продуцируются при вторичном иммунном ответе и обеспечивают защиту организма от бактерий, вирусов и токсинов. В частности, комплексы "IgG-антиген"

· усиливают фагоцитоз посредством опсонизации (т.е. комплексы "IgG-антиген" Fc-фрагментами IgG взаимодействуют с рецепторами мембраны нейтрофилов и макрофагов, повышая эффективность фагоцитоза антигенов),

· стимулируют внеклеточное уничтожение антигенов путем активации естественных киллеров (IgG, связанные с антигенами, своими Fc-фрагментами способны взаимодействовать не только с фагоцитами, но и с естественными киллерами, повреждающими мембрану антигена)

· обладают способностью взаимодействовать с компонентом С1 системы комплемента, активируя ее по классическому пути, что сопровождается появлением

ü медиаторов воспаления, обладающих хемотаксическим действием и привлекающих фагоциты и лимфоциты,

ü опсонизирующего фагоцитоз фактора С3b

ü и в конечном итоге образованием мембраноатакующих комплексов, разрушающих патогены.

Интенсивность синтеза IgG во многом зависит от проникновения антигенов в организм. IgG является единственным антителом, способным проникать через плацентарный барьер, поскольку на поверхности клеток трофобласта плаценты расположены рецепторы, связывающие Fc-фрагменты молекул материнских IgG. При этом связанные с рецепторами трофобласта молекулы IgG поглощаются путем опосредованного рецепторами эндоцитоза, после чего транспортируются в клетке трофобласта в составе окаймленных пузырьков, выводятся из клеток трофобласта, проходят через базальную его мембрану в соединительную ткань и капилляры плода. Переход IgG через плаценту обеспечивает передачу пассивного иммунитета от матери к плоду. Кроме того, в связи с присутствием IgG в молоке, он принимает участие в пассивной специфической иммунной защите ребенка в период грудного вскармливания.

Иммуноглобулины класса А представляют собой основной класс иммуноглобулинов в секретах экзокринных желез (молочных, слезных, слюнных, потовых желез, желез слизистой оболочки пищеварительной трубки и бокаловидных клеток дыхательной и мочеполовой трубок). IgА выделяется на поверхность слизистых оболочек, где и взаимодействует с антигенами. Следовательно, IgА участвует в защитной функции организма, укрепляя барьер в слизистой оболочке пищеварительного тракта, дыхательной и мочеполовой трубок против инфекций. Молекула иммуноглобулина А, содержащаяся в составе секрета каких-то желез представляет собой димер, стабилизированный дополнительной J-цепью. Причем димерные молекулы IgА образуются в самой плазматической клетке. После чего димерные молекулы IgА взаимодействуют с определенными полипептидными рецепторами на базальной поверхности секреторной клетки. IgА-рецепторы в комплексе с димером IgА путем эндоцитоза проникают внутрь секреторной клетки и наряду с опосредованием фагоцитоза секреторной клеткой, обеспечивают защиту IgА от расщепления под действием протеолитических ферментов синтезируемых клеткой секретов. После секреции IgА через апикальную поверхность секреторной клетки на поверхность слизистой оболочки рецептор для IgА частично расщепляется и его часть, оставшаяся связанной с димером IgА после такого расщепления, носит название секреторного компонента . IgА играет важную роль в защите слизистых оболочек от инфекций, которая обеспечивается его способностью препятствовать проникновению связанных с IgА микроорганизмов через эпителиальный пласт слизистой оболочки в ткани. В плазме крови молекулы IgА имеют преимущественно мономерное строение.

Рис. Механизм секреции иммуноглобулина А на поверхность слизистой оболочки . Эпителиальные клетки слизистой синтезируют иммуноглобулиновый рецептор (Ig-рецептор), который встраивается в мембрану базальной поверхности клетки. Димер Ig А связывается с этим рецептором, путем эндоцитоза, проникает внутрь клетки, транспортируется к апикальной ее поверхности, через мембрану которой путем экзоцитоза выводится на поверхность слизистой оболочки. При расщеплении рецептора на поверхности слизистой оболочки высвобождается Ig А, который все еще связан с частью рецептора, получившей название секреторного компонента. Транспорт Ig G через плаценту возможно происходит подобным образом с помощью рецепторов для Ig G, расположенных на поверхности клеток трофобласта.

Иммуноглобулины класса М представляют собой пентамерные молекулы (т.е. состоят из пяти Y-образных субъединиц, расположенных радиально и объединенных в единую молекулу с помощью единственной J-цепи, которая через посредство дисульфидных связей взаимодействует с тяжелыми цепямимономеров). При этом Fc-фрагменты каждого мономера обращены к центру молекулы и друг к другу, а Fab-фрагменты – кнаружи. J-цепь и инициирует сборку пентамерной молекулы IgМ. В связи с пентамерным строением своих молекул IgМ имеют самую большую среди всех классов антител молекулярную массу (950 кД).

Иммуноглобулины М представляют собой первый класс антител, продуцируемых развивающимися В-лимфоцитами при первичном попадании антигена в организм и содержащихся в наибольших количествах в периферической крови (т.е. IgМ образует первую линию обороны при бактериемии). IgМ благодаря большому размеру своей молекулы в комплексе с антигеном способен в единичном количестве активировать компонент С1 системы комплемента, запуская процесс активации этой системы по классическому пути, тогда как для активации компонента С1 комплексом "IgG-антиген" необходимо присоединение к его молекуле 5 комплексов " IgG-антиген".

Кроме активации системы комплемента, IgМ оказывает опсонизирующее действие при фагоцитозе. Более того, в связи с пентамерным строением IgМ способен вызывать агглютинацию и обусловленный этим лизис антигенов. Теоретически молекула IgМ может связать 10 антигенов, но, как правило, эффективно взаимодействует только с 5-ю, что обусловлено определенными стерическими ограничениями, возникающими из-за недостаточной гибкости молекулы. Мономерные молекулы IgМ представлены на поверхности В-лимфоцитов, образуя рецепторы для взаимодействия с антигеном.

Рис. Структура иммуноглобулина М

Иммуноглобулины класса D присутствуют в сыворотке крови в ничтожно малых количествах, но зато преимущественно связаны с мембраной лимфоцитов и, очевидно, выступают в роли рецепторов лимфоцитов, позволяющих им взаимодействовать между собой, благодаря чему обеспечивается контроль за активацией и супрессией лимфоцитов.