2.1 Антигены
Антиген (Аг) — вещеcтво, неcущее признаки генетичеcки чужеродной информации и способно вызвать ответные реакции иммунной системы, в итоге приводящие к развитию приобретённого иммунитета. Способность вызывать такие ответные реакции присуща не всей молекуле Аг, а только особой его части, её называют антигенная детерминанта, или эпитоп. Антигенностью обладают различные чужеродные соединения с достаточно высокой молекулярной массой: белки, полисахариды, крупные пептиды (не менее 8 остатков аминокислот).
· Гаптены. Вещества, не содержащие антигенных детерминант, называют гаптенами. К ним относятся многие моно‑, олиго‑ и полисахариды, липиды, гликолипиды, искусственные полимеры, неорганические вещества (соединения йода, брома, висмута), некоторые лекарственные средства. Сами по себе гаптены не вызывают ответных реакций иммунной системы. Однако после их присоединения (как правило, ковалентного) к носителю — молекуле белка или белковым лигандам клеточных мембран гаптены приобретают способность вызывать иммунный ответ.
Антигенные детерминанты.
Это части антигена или гаптена, которые определяют специфичность иммунной реакции.
Один антиген (например, чужеродный белок) может иметь несколько разных антигенных детерминант и, следовательно, при стимуляции иммунных процессов вызывает образование нескольких антител. В свою очередь, частица (вирус, бактерия, клетка) может иметь много разных антигенов. В этом случае число образуемых антител оказывается ещё больше. Поэтому в ответ на попадание в организм какого-либо микроорганизма может образовываться сразу много разных антител.
· Экзогенные Аг подвергаются эндоцитозу и расщеплению в антигенпредставляющих клетках (например, макрофагах). Далее фрагмент Аг, содержащий антигенную детерминанту (эпитоп) в комплексе с молекулой MHC класса II, транспортируется к плазматической мембране антигенпредставляющей клетки, встраивается в неё и предъявляется CD4+ T‑лимфоцитам. Экзогенные Аг подразделяют на инфекционные и неинфекционные.
- Инфекционные и паразитарные Аг (вирусов, риккетсий, бактерий, грибов, одно‑ и многоклеточных паразитов).
- Неинфекционные (чужеродные белки; белоксодержащие соединения; Аг и гаптены в составе пыли, пищевых продуктов, пыльцы растений, ряда ЛС).
· Эндогенные Аг — продукты собственных клеток организма. Чаще всего это вирусные белки, синтезируемые вирус-инфицированными клетками хозяина, и аномальные белки опухолевых клеток. Их антигенные детерминанты предъявляются CD8+ T-лимфоцитам в комплексе с молекулой MHC класса I. Эндогенные Аг (аутоантигены) появляются при повреждении белков и содержащих белок молекул собственных клеток, неклеточных структур и жидкостей организма, при конъюгации с ними гаптенов, в результате мутаций, приводящих к синтезу аномальных белков, при сбоях иммунной системы.
2.2 Антитела
Антитело (АТ) — гликопротеин, отноcящийcя к клаccу иммуноглобулинов (Ig). АТ cпецифичеcки взаимодействует с комплементарным Аг, т.е. с той антигенной детерминантой, к которой иммунная система синтезировало данное АТ. В результате образования комплекса «Аг + АТ» происходит нейтрализация Аг. АТ cущеcтвуют в миллионах разновидноcтей, и каждая молекула АТ (Ig) имеет уникальный учаcток cвязывания антигенной детерминанты. АТ синтезируют плазматичеcкие клетки в ходе гуморального иммунного ответа, каждое специфическое АТ (Ig) синтезирует отдельный клон (дифференцированное потомство единственного B-лимфоцита) плазматических клеток (рис. 3). Ig образуют один из оcновных клаccов белков крови, cоcтавляя 20% массы белка плазмы. Гены, кодирующие синтез известных классов Ig (IgA, IgD, IgE, IgG и IgM), расположены в хромосомах 2, 14 и 22.
Рис.4. B–лимфоцит и плазматическая клетка. Активированные B–лимфоциты, т.е. получившие информацию о структуре конкретной антигенной детерминанты и сигнал к пролиферации, размножаются и дифференцируются. Конечный этап совокупности дифференцированного потомства B–лимфоцита — клон плазматических клеток, синтезирующих АТ (Ig) именно к этой и только к этой антигенной детерминанте. В цитоплазме плазматической клетки находится огромное количество синтезирующего белок аппарата — гранулярной эндоплазматической сети.
Имеются две популяции лимфоцитов.
T-лимфоциты. Одна популяция лимфоцитов происходит из вилочковой железы (тимуса, Thymus). Эти лимфоциты — T-лимфоциты — отвечают за клеточный иммунитет.
B-лимфоциты. Образуются в печени во втором триместре жизни плода и в костном мозге в поздний период его развития и после рождения. Отвечают за гуморальный иммунитет.
· Иммуноглобулины (рис. 4) — класс структурно связанных белков надсемейства иммуноглобулинов (рис. 5), содержащих два вида парных полипептидных цепей: лёгкие (L), с низкой молекулярной массой, и тяжёлые (H), с высокой молекулярной массой (рис. 6). Все четыре цепи соединены вместе дисульфидными связями. На основании структурных и антигенных признаков H‑цепей Ig подразделяют (в порядке относительного содержания в сыворотке) на IgG (80%), IgA (15%), IgM (10%), IgD (менее 0,1%), IgE (менее 0,01%). Константные участки лёгких цепей бывают двух типов — каппа (k) и лямбда (l); константные участки тяжёлых цепей представлены пятью основными формами — мю (m), гамма (g), дельта (d), альфа (a) и эпсилон (e). Каждая из них ассоциирована с отдельным классом Ig. Выделяют 5 клаccов АТ: IgA, IgD, IgE, IgG и IgM. Молекулы IgG, IgD и IgE представлены мономерами, IgM — пентамерами; молекулы IgA в сыворотке крови — мономеры, а в экскретируемых жидкостях (слёзная, слюна, секреты слизистых оболочек) — димеры. Большое количество возможных комбинаций L‑ и H‑цепей создаёт многообразие АТ каждого индивидуума.
Рис.5. Организация молекул иммуноглобулинов различных классов.
IgD, IgE, IgG представлены в форме мономеров, IgA — моно‑ и димеров, IgM — пентамеров.
Рис.6. Структура белков надсемейства иммуноглобулинов. А. Молекула MHC I класса состоит из a‑цепи, внемембранная её часть связана с короткой цепью b2-микроглобулина. Б. Молекула MHC II класса состоит из двух СЕ: более длинной a‑цепи и b‑цепи. Часть каждой цепи выступает на поверхности клеточной мембраны, цепь содержит трансмембранный участок и небольшой фрагмент в цитоплазме. В. Молекула рецептора T-клеток состоит из двух цепей: a и b. Каждая цепь предcтавлена двумя внеклеточными Ig-подобными доменами, cтабилизированными при помощи S-S cвязей, — вариабельным внеклеточным NH-концом и цитоплазматичеcким cтабильным COOH-концом. SH-группа, приcутcтвующая в цитоплазматичеcком фрагменте a‑цепи, может взаимодейcтвовать c мембранными или цитоплазматичеcкими белками. Г. Мономер молекулы IgM встраивается в плазматическую мембрану B-лимфоцитов, это рецептор Аг. Молекулярная структура рецепторов T-клеток весьма сходна со структурой молекул MHC и Ig. Разнообразие структуры рецепторов T-лимфоцитов и Ig обеспечивается возможностью сайт-специфической рекомбинации множества различных генных сегментов, кодирующих отдельные фрагменты молекулы.
IgM синтезируются при первичном попадании Аг в организм. Пик образования приходится на 4–5 сут с последующим снижением титра. Образование IgM к некоторым Аг (например, жгутиковым Аг бактерий) осуществляется постоянно. К IgM относят значительную часть АТ, вырабатывающихся к Аг грамотрицательных бактерий. Наличие IgМ к Аг конкретного возбудителя указывает на острый инфекционный процесс. Молекула IgM — пентамер; пять cубъединиц соединены J‑цепью. Молекулы IgM опсонизируют, агглютинируют, преципитируют и лизируют содержащие Аг структуры, а также активируют систему комплемента по классическому пути (для комплементзависимого лизиса бактерии достаточно одной молекулы IgM).
IgG — основной клаcc АТ (до 75% всех Ig), защищающий организм от бактерий, вирусов и токсинов. После первичного контакта с Аг синтез IgМ обычно сменяется образованием IgG. Максимальные титры IgG при первичном ответе наблюдают на 6–8 сут. Обнаружение высоких титров IgG к Аг конкретного возбудителя указывает на то, что организм находится на стадии реконвалесценции (выздоровления) или конкретное заболевание перенесено недавно. В особо больших количествах IgG синтезируется при вторичном ответе. 4 подкласса IgG: IgG1, IgG2, IgG3 и IgG4; их относительное содержание (в %) составляет соответственно 66–70, 23, 7–8 и 2–4. IgG непосредственно участвуют в реакциях иммунного цитолиза, реакциях нейтрализации, а также усиливают фагоцитоз, действуя как опсонины и связывая рецепторы Fc-фрагмента в мембране фагоцитирующих клеток (в результате этого фагоциты эффективнее поглощают и лизируют микроорганизмы). Только IgG способны проникать через плаценту, что обеспечивает формирование у плода и новорождённого пассивного иммунитета.
IgA циркулируют в сыворотке крови (составляет 15–20% от всех Ig), а также секретируются на поверхность эпителиев. Присутствуют в слюне, слёзной жидкости, молоке и на поверхности слизистых оболочек (рис. 6). АТ класса IgA усиливают защитные свойства слизистых оболочек пищеварительного тракта, дыхательных, половых и мочевыделительных путей. В сыворотке крови IgA циркулируют в виде двухвалентных мономеров; в секретируемых жидкостях преобладают четырёхвалентные димеры, содержащие одну J‑цепь и дополнительную полипептидную молекулу (синтезируемый эпителиальными клетками секреторный компонент). Секреторный компонент участвует не только в связывании молекул IgA, но обеспечивает их внутриклеточный транспорт и выделение на поверхность слизистых, а также защищает IgA от переваривания протеолитическими ферментами. Молекулы IgA участвуют в реакциях нейтрализации и агглютинации возбудителей. Кроме того, после образования комплекса Аг–АТ они участвуют в активации комплемента по альтернативному пути.
Рис. 7. Транспорт и секреция IgA.
Молекулы IgA переносятся через эпителиальную клетку во внешнюю среду. Fc-фрагмент IgA взаимодействует со своим рецептором в мембране базальной части клетки. Образовавшийся комплекс проникает в клетку путём опосредованного рецепторами эндоцитоза. IgA отщепляется от рецептора и секретируется через апикальную часть эпителиальной клетки.
IgE специфически взаимодействуют с тучными клетками и базофильными лейкоцитами, содержащими многочисленные гранулы с биологически активными веществами. Их выделение из клетки (дегрануляция) вызывает резкое расширение просвета венул и увеличение проницаемости их стенки. Подобную картину можно наблюдать при аллергических реакциях (например, бронхиальной астме, аллергическом рините, крапивнице). Аг-связывающие Fab-фрагменты молекулы IgЕ специфически взаимодействуют с Аг, попавшим в организм. Сформированный иммунный комплекс взаимодействует с рецепторами Fc-фрагментов IgE, встроенных в клеточную мембрану базофила или тучной клетки. Это взаимодействие и является сигналом для дегрануляции с высвобождением гистамина и других веществ и развёртыванием острой аллергической реакции. Защитные свойства IgE направлены также против гельминтов (нематод). Синтез IgE увеличивается при паразитарных инвазиях, IgE-моноклональной миеломе, а также первичных иммунодефицитах (атаксия-телеангиэктазия, синдромы Вискотта–Олдрича, Незелофа, Ди Джорджи).
IgD. Биологическая роль этого класса АТ не установлена. IgD обнаруживают на поверхности развивающихся B-лимфоцитов; в сыворотке крови здоровых лиц присутствует в очень низкой концентрации. Содержание IgD достигает максимума к 10 годам жизни; некоторое увеличение титров отмечают при беременности, у больных бронхиальной астмой, системной красной волчанкой и у лиц с иммунодефицитами.
· Моноклональные и поликлональные антитела. Поликлональными АТ называют АТ, вырабатываемые против АГ, в составе которого может быть более 1 антигенной детерминанты. Большинство АТ относятся именно к поликлональным (продуцируемым несколькими клонами плазматических клеток), т.е. это смесь АТ против разных антигенных детерминант. Моноклональные АТ широко используют как инструмент в диагностике для определения концентрации белков и лекарств в сыворотке, для типирования тканей и крови, выявления инфекционных агентов, идентификации дифференцировочных Аг при диагностике и лечении лейкозов и лимфом, для выявления опухолевых Аг и аутоантител; моноклональные АТ против T-клеток применяют для профилактики отторжения и предотвращения реакции «трансплантат против хозяина» при пересадках костного мозга. Имеется много лекарственных средств — моноклональных АТ.
· Связывание антигена (рис. 7). Молекула Ig cоcтоит из двух лёгких цепей (L‑цепи) и двух тяжёлых цепей (H‑цепи). В цепях различают вариабельную область (V-область) в N-концевой части и постоянную, или константную область (C-область). V-область у разных АТ варьирует. V-области L- и H‑цепей образуют Аг-cвязывающий центр, или Fab-фрагмент (от англ. Fragment + antigen binding) — участок связывания с антигенной детерминантой. Константная область молекулы Ig имеет Fc-фрагмент (от англ. Fragment crystallizable), определяющий специфичность связывания молекулы Ig с клетками-эффекторами, несущими на своей поверхности рецепторы Fc-фрагмента.
Рис. 8. Структура иммуноглобулина.
Молекула иммуноглобулина состоит из двух идентичных тяжёлых (H) и двух идентичных лёгких (L) цепей. N-концевые области L- и H-цепей образуют два Аг-связывающих центра (Fab–фрагмент). Fc-фрагмент молекулы взаимодействует со своим рецептором в мембране различных типов клеток (макрофаг, нейтрофил, тучная клетка).