醫學免疫學/免疫球蛋白分子的基本結構

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醫學免疫學

免疫球蛋白分子
- 免疫球蛋白分子的結構與功能
  - 免疫球蛋白分子的基本結構
  - 免疫球蛋白分子的功能
  - 免疫球蛋白分子的抗原性
  - 免疫球蛋白分子的超家族

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）。

免疫球蛋白分子的基本結構示意圖

圖2-3 免疫球蛋白分子的基本結構示意圖

（一）輕鏈和重鏈

由於骨髓瘤蛋白（M蛋白）是均一性球蛋白分子，並證明本周蛋白（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，並可對來自不同患者的標本進行比較分析，從而為Ig分子胺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個胺基酸殘基組成，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個胺基酸殘基，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肽。不同的H鏈由於胺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個環肽。

（二）可變區和恆定區

通過對不同骨髓蛋白或本周蛋白H鏈或L鏈的胺基酸序列比較分析，發現其氨基端（N-末端）胺基酸序列變化很大，稱此區為可變區（V），而羧基末端（C-末端）則相對穩定，變化很小，稱此區為恆定區。

1．可變區（variableregion,V區）位於L鏈靠近N端的1/2（約含108～111個胺基酸殘基）和H鏈靠近N端的1/5或1/4（約含118個胺基酸殘基）。每個V區中均有一個由鏈內二硫鍵連接形成的肽環，每個肽環約含67～75個胺基酸殘基。V區胺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。由於V區中胺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區分別稱為VL和VH。在VL和VH中某些局部區域的胺基酸組成和排列順序具有更高的變休程度，這些區域稱為高變區（hypervariable region,HVR）。在V區中非HVR部位的胺基酸組面和排列相對比較保守，稱為骨架區（fuamework rugion）。VL中的高變區有三個，通常分別位於第24～34、50～65、95～102位胺基酸。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，高變區確實為抗體與抗原結合的位置，因而稱為決定簇互補區（complementarity-determining regi-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。高變區也是Ig分子獨特型決定簇（idiotypic determinants）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。

與表位結合高變區示意圖

圖2-4 與表位結合高變區示意圖（G表示相對保守的甘氨酸）

2．恆定區（constantregion,C區）位於L鏈靠近C端的1/2（約含105個胺基酸殘基）和H鏈靠近C端的3/4區域或4/5區域（約從119位胺基酸至C末端）。H鏈每個功能區約含110多個胺基酸殘基，含有一個由二鋶鍵連接的50～60個胺基酸殘基組成的肽環。這個區域胺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鏈中都比較恆定，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區不相同，只能與相應的抗原發生特異性的結合，但其C區的結構是相同的，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）發生結合反應。這是製備第二抗體，應用熒光、酶、同位毒等標記抗體的重要基礎。

（三）功能區

Ig分子的H鏈與L鏈可通過鏈內二硫鍵摺疊成若干球形功能區，每一功能區（domain）約由110個胺基酸組成。在功能區中胺基酸序列有高度同源性。

1．L鏈功能區　分為L鏈可變區（VL）和L鏈恆定區（CL）兩功能區。

2．H鏈功能區　IgG、IgA和IgD的H鏈各有一個可變區（VH）和三個恆定區（CH1、CH2和CH3）共四個功能區。IgM和IgE的H鏈各有一個可變區（VH）和四個恆定區（CH1、CH2、CH3和CH4）共五個功能區。如要表示某一類免疫蛋白H鏈恆定區，可在C（表示恆定區）後加上相應重鏈名稱（希臘字母）和恆定區的位置（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區或C區每個功能區各形成一個免疫球蛋白摺疊（immunoglobulin fold,Ig fold）,每個Ig摺疊含有兩個大致平行、由二硫連接的β片層結構（betapleated sheets），每個β片層結構由3至5股反平行的多肽鏈組成。可變區中的高變區在Ig摺疊的一側形成高變區環（hypervariable loops），是與抗原結合的位置。

3．功能區的作用

（1）VL和VH是與抗原結合的部位，其中HVR（CDR）是V區中與抗原決定簇（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。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藉助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功能區與結合肥大細胞和嗜鹼性粒細胞FCεRI有關。

4．鉸鏈區（hingeregion）鉸鏈區不是一個獨立的功能區，但它與其客觀存在功能區有關。鉸鏈區位於CH1和CH2之間。不同H鏈鉸鏈區含胺基酸數目不等，α1、α2、γ1、γ2和γ4鏈的鉸鏈區較短，只有10多個胺基酸殘基；γ3和δ鏈的鉸鏈區較長，約含60多個胺基酸殘基，其中γ3鉸鏈區含有14個半胱氨酸殘基。鉸鏈區包括H鏈間二硫鍵，該區富含脯氨酸，不形成α-螺旋，易發生伸展及一定程度的轉動，當VL、VH與抗原結合時此氏發生扭曲，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生互補。由於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發生裂解。IgM和IgE缺乏鉸鏈區。

（四）J鏈和分泌成分

1．J鏈（joining chain）存在於二聚體分泌型IgA和五聚體IgM中。J鏈分子量約為15kD，由於124個胺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（secretory piece）,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，並一起被分泌到粘膜表面。SC的存在對於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（secretory IgA,SIgA)二聚體（或多聚體）IgA結合抗原的親合力（avidity）要比單體IgA高。

分泌型IgA結構示意圖

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)對於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-Ig receptor,pIgR)結合，穿過粘膜上皮細胞到粘膜表面成為分泌型IgM(secretory IgM)。

（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，fragmentof antigen binding）,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。一個完整的Fab段可與抗原結合，表現為單價，但不能形成凝集或沉澱反應。Fab中約1/2H鏈部分稱為Fd段，約含225個胺基酸殘基，包括VH、CH1和部分鉸鏈區。②一個Fc段（可結晶段，fragmentcrystallizable）,由連接H鏈二硫鍵和近羧基端兩條約1/2的H鏈所組成，分子量約50kD。Ig在異種間免疫所具有的抗原性主要存在於Fc段。

人分泌型IgA和分泌型IgM的局部產生示意圖

圖2-6 人分泌型IgA和分泌型IgM的局部產生示意圖

IgM結構示意圖

圖2-7 IgM結構示意圖

2．胃蛋白酶的水解片段Nisonoff等最早用胃蛋白酶（pepsin）裂解免疫球蛋白。

（1）裂解部位：鉸鏈區H鏈鏈間二硫鍵近C端切斷。

（2）裂解片段：

1）F（ab'）2：包括一對完整的L鏈和由鏈間二硫鍵相連一對略大於Fab中Fd的H鏈，稱為Fd'，約含235個胺基酸殘基，包括VH、VH1和鉸鏈區。F（ab'）2具有雙價抗體活性，與抗原結合可發生凝集和沉澱反應。雙價的F（ab'）2與抗原結合的親合力要大於單價的Fab。由於應用F（ab'）2時保持了結合相應抗原的生物學活性，又減少或避免了Fc段抗原性可能引起的副作用，因而在生物製品中有較大的實際應用價值。雖然F（ab'）2與抗原結合特性方面同完整的Ig分子一樣，但由於缺乏Ig中部分，因此不具備固定補體以及與細胞膜表面Fc受體結合的功能。F（ab'）2經還原等處理後，H鏈間的二硫可發生斷裂而形成兩個相同的Fab'片段。

2）Fc'可繼續被胃蛋白酶水解成更小的片段，失去其生物學活性。

Ig酶水解片段示意圖