Антитела (иммуноглобулины), структура, классы, функции. Понятие о моноклональных антителах

Антитела (иммуноглобулины, ИГ, Ig) - особый класс гликопротеинов, присутствующих на поверхности B-лимфоцитов в виде мембраносвязанных рецепторов и в сыворотке крови и тканевой жидкости в виде растворимых молекул, и обладающих способностью очень избирательно связываться с конкретными видами молекул, которые в связи с этим называютантигенами. Антитела являются важнейшим фактором специфического гуморального иммунитета. Антитела используются иммунной системой для идентификации и нейтрализации чужеродных объектов - например, бактерий и вирусов. Антитела выполняют две функции: антиген-связывающую и эффекторную (вызывают тот или иной иммунный ответ, например, запускают классическую схему активации комплемента).

Антитела синтезируются плазматическими клетками, которыми становятся некоторые В-лимфоциты, в ответ на присутствие антигенов. Для каждого антигена формируются соответствующие ему специализировавшиеся плазматические клетки, вырабатывающие специфичные для этого антигена антитела. Антитела распознают антигены, связываясь с определённым эпитопом - характерным фрагментом поверхности или линейной аминокислотной цепи антигена.

Антитела представляют собой белки глобулиновой природы (иммуноглобулины) образующиеся в организме под воздействием антигена и обладающие способностью избирательно связываться с ним. Существуют пять разновидностей молекул (классов) иммуноглобулинов с молекулярной массой от 150 до 900 тыс. дальтон: IgM, lgG, IgA, IgE, IgD. Молекулы иммуноглобулинов состоят из двух легких (L) и двух тяжелых (Н) полипептидных цепей, соединенных между собой дисульфидными связями. Оба типа цепей, соединенных между собой, обладают антигенностью. У тяжелых цепей она специфична для каждого класса иммуноглобулинов и соответственно классам Н-цепи обозначаются m , g , a , e , s . Легкие цепи в антигенном отношении делятся на две разновидности - X и l , одинаковые для, разных классов. Антигенные различия тяжелых цепей используют для получения антисывороток, позволяющих выявить наличие в исследуемом материале иммуноглобулинов того или иного класса. Легкие цепи IgG состоят из двух участков (доменов): вариабельных (VL) и константных (CL). Тяжелые цепи включают в себя один вариабельный (V Н) и 3 константных участка (CH 1 , CH 2 , СН 3). Вариабельные участки легких и тяжелых цепей формируют активные центры антител (VL -VH). Участок CL - CH 1 определяет небольшие различия в последовательности расположения аминокислот у индивидуумов одного и того же вида (аллоантигенные различия молекул IgM). Область CH 2 -CH 2 участвует в фиксации и активации комплемента, а область СН 3 -СН 3 - в фиксации антитела к клеткам (лимфоцитам, макрофагам, тучным клеткам). Данный тип строения молекулы характерен и для всех остальных классов иммуноглобулинов, различия заключаются в дополнительной организации этой основной единицы. Так, Н-цепь IgM состоит не из 4, а из 5 доменов, а вся молекула IgM представляет собой пентамер молекулы IgG, соединенный дополнительными полипептидными
J-цепями. IgA может быть в форме мономеров, димеров и секреторного IgA. Последние две формы имеют дополнительные (димеры) J или J и S цепи (секреторный). Другие свойства антител представлены в таблице 5.

Таблица 5.

Основные характеристики иммуноглобулинов человека

© п/п	Показатели	IgM	IgG	IgA	IgE	IgD
1.	Молекулярная масса	900т.	150т.	170т. и 300т.	190т.	180т.
2.	Уровень в крови в г/л	0,5 - 1,8	6 -16	1 - 5	0,00002	0,03 - 0,04
3.	Тип тяжелых цепей	m 1 - m 2	g 1 - g 4	a 1 - a 2	e	s
4.	Формула	5 H5L	2H2L	4H4L	2H2L	2H2L
5.	Фиксация С	++++	++	+ S	-	-
6.	Нейтрализация токсинов	+	+	+	-	-
7.	Агглютинация	+	+	+	-	-
8.	Бактериолиз	+	+	?	-	-
9.	Прохождение плаценты	-	+	-	-	-

Молекула антитела связывается с детерминантой антигена не целиком, а лишь определенной своей частью, называемой активным центром. Активный центр представляет собой полость или щель, соответствующую пространственной конфигурации детерминантной группы антигена. Один из активных центров по разным причинам может быть функционально инертным. Такие антитела называются неполными. Их появлению обычно предшествует образование полных, т. е. антител с двумя (IgG) активными центрами. Неполные антитела встречаются у разных классов иммуноглобулинов.
Территориально эти клетки располагаются в селезенке, лимфоузлах, костном мозге, лимфоидных образованиях слизистых оболочек.
При первичном контакте организма с антигеном и антителообразовании различают индуктивную и продуктивные фазы. Продолжительность первой фазы составляет около 2 суток. В этот период происходит пролиферация и дифференцировка лимфоидных клеток, развитие плазмобластической реакции. Вслед за индуктивной наступает продуктивная фаза. В сыворотке крови антитела начинают определяться с З-го дня после контакта с антигеном. Эти антитела относятся к классу IgM. С 5-7 дня происходит постепенная смена синтеза IgM на синтез IgG той же специфичности. Обычно к 12-15 дню кривая антителообразования достигает максимума, далее уровень антител начинает снижаться, но определенное их количество можно обнаружить и через много месяцев, а иногда и лет. При повторном контакте организма с тем же антигеном индуктивная фаза занимает лишь несколько часов. Продуктивная фаза протекает быстрее и интенсивнее, осуществляется синтез преимущественно IgG.

Иммуноглобулины всех изотипов бифункциональны. Это означает, что иммуноглобулин любого типараспознает и связывает антиген, а затем усиливает киллинг и/или удаление иммунных комплексов, сформированных в результате активации эффекторных механизмов.

Одна область молекулы антител (Fab) определяет её антигенную специфичность, а другая (Fc) осуществляет эффекторные функции: связывание с рецепторами, которые экспрессированы на клетках организма (например, фагоцитах); связывание с первым компонентом (C1q) системы комплемента для инициации классического пути каскада комплемента.

· IgG является основным иммуноглобулином сыворотки здорового человека (составляет 70-75 % всей фракции иммуноглобулинов), наиболее активен во вторичном иммунном ответеи антитоксическом иммунитете. Благодаря малым размерам (коэффициент седиментации 7S, молекулярная масса 146 кДа) является единственной фракцией иммуноглобулинов, способной к транспорту через плацентарный барьер и тем самым обеспечивающей иммунитет плода и новорожденного. В составе IgG 2-3 % углеводов; два антигенсвязывающих F ab -фрагмента и один F C -фрагмент. F ab -фрагмент (50-52 кДа) состоит из целой L-цепи и N-концевой половины H-цепи, соединённых между собой дисульфидной связью, тогда как F C -фрагмент (48 кДа) образован C-концевыми половинами H-цепей. Всего в молекуле IgG 12 доменов (участки, сформированные из β-структуры и α-спиралей полипептидных цепей Ig в виде неупорядоченных образований, связанных между собой дисульфидными мостиками аминокислотных остатков внутри каждой цепи): по 4 на тяжёлых и по 2 на лёгких цепях.

· IgM представляют собой пентамер основной четырёхцепочечной единицы, содержащей две μ-цепи. При этом каждый пентамер содержит одну копию полипептида с J-цепью (20 кДа), который синтезируется антителообразующей клеткой и ковалентно связывается между двумя соседними F C -фрагментами иммуноглобулина. Появляются при первичном иммунном ответе B-лимфоцитами на неизвестный антиген, составляют до 10 % фракции иммуноглобулинов. Являются наиболее крупными иммуноглобулинами (970 кДа). Содержат 10-12 % углеводов. Образование IgM происходит ещё в пре-B-лимфоцитах, в которых первично синтезируются из μ-цепи; синтез лёгких цепей в пре-B-клетках обеспечивает их связывание с μ-цепями, в результате образуются функционально активные IgM, которые встраиваются в поверхностные структуры плазматической мембраны, выполняя роль антиген распознающего рецептора; с этого момента клетки пре-B-лимфоцитов становятся зрелыми и способны участвовать в иммунном ответе.

· IgA сывороточный IgA составляет 15-20 % всей фракции иммуноглобулинов, при этом 80 % молекул IgA представлено в мономерной форме у человека. Основной функцией IgA является защита слизистых оболочек дыхательных, мочеполовых путей и желудочно-кишечного тракта от инфекций. Секреторный IgA представлен в димерной форме в комплексесекреторным компонентом, содержится в серозно-слизистых секретах (например в слюне, слезах, молозиве, молоке, отделяемом слизистой оболочки мочеполовой и респираторной системы). Содержит 10-12 % углеводов, молекулярная масса 500 кДа.

· IgD составляет менее одного процента фракции иммуноглобулинов плазмы, содержится в основном на мембране некоторых В-лимфоцитов. Функции до конца не выяснены, предположительно является антигенным рецептором с высоким содержанием связанных с белком углеводов для В-лимфоцитов, ещё не представлявшихся антигену. Молекулярная масса 175 кДа.

Классификация по антигенам

· так называемые «антитела-свидетели заболевания», наличие которых в организме сигнализирует о знакомстве иммунной системы с данным возбудителем в прошлом или о текущем инфицировании этим возбудителем, но которые не играют существенной роли в борьбе организма с возбудителем (не обезвреживают ни самого возбудителя, ни его токсины, а связываются со второстепенными белками возбудителя).

· аутоагрессивные антитела, или аутологичные антитела, аутоантитела - антитела, вызывающие разрушение или повреждение нормальных, здоровых тканей самого организмахозяина и запускающие механизм развития аутоиммунных заболеваний.

· аллореактивные антитела, или гомологичные антитела, аллоантитела - антитела против антигенов тканей или клеток других организмов того же биологического вида. Аллоантитела играют важную роль в процессах отторжения аллотрансплантантов, например, при пересадке почки, печени, костного мозга, и в реакциях на переливание несовместимой крови.

· гетерологичные антитела, или изоантитела - антитела против антигенов тканей или клеток организмов других биологических видов. Изоантитела являются причиной невозможности осуществления ксенотрансплантации даже между эволюционно близкими видами (например, невозможна пересадка печени шимпанзе человеку) или видами, имеющими близкие иммунологические и антигенные характеристики (невозможна пересадка органов свиньи человеку).

· антиидиотипические антитела - антитела против антител, вырабатываемых самим же организмом. Причём это антитела не «вообще» против молекулы данного антитела, а именно против рабочего, «распознающего» участка антитела, так называемого идиотипа. Антиидиотипические антитела играют важную роль в связывании и обезвреживании избытка антител, в иммунной регуляции выработки антител. Кроме того, антиидиотипическое «антитело против антитела» зеркально повторяет пространственную конфигурацию исходного антигена, против которого было выработано исходное антитело. И тем самым антиидиотипическое антитело служит для организма фактором иммунологической памяти, аналогом исходного антигена, который остаётся в организме и после уничтожения исходных антигенов. В свою очередь, против антиидиотипических антител могут вырабатыватьсяанти-антиидиотипические антитела и т. д.

· Моноклональные антитела - антитела, вырабатываемые иммунными клетками, принадлежащими к одному клеточному клону, то есть произошедшими из одной плазматической клетки-предшественницы. Моноклональные антитела могут быть выработаны против почти любого природного антигена (в основном белки и полисахариды), который антитело будет специфически связывать. Они могут быть далее использованы для детекции (обнаружения) этого вещества или его очистки.

· Гибридома - гибридная клетка, искусственно полученная на основе слияния продуцирующей антитела В-лимфоцита с раковой клеткой, придающей этой гибридной клетке способность неограниченного размножения при культивировании in vitro, которая осуществляет синтез специфических иммуноглобулинов одного изотипа - моноклональных антител.Гибридомы, продуцирующие моноклональные антитела, размножают или в аппаратах, приспособленных для выращивания культур клеток или же вводя их внутрибрюшинно особой линии (асцитным) мышам. В последнем случае моноклональные антитела накапливаются в асцитной жидкости, в которой размножаются гибридомы. Полученные как тем, так и другим способом моноклональные антитела подвергают очистке, стандартизации и используют для создания на их основе диагностических препаратов. Гибридомные моноклональные антитела нашли широкое применение при создании диагностических и лечебных иммунобиологических препаратов.

18. Антителообразование: первичный и вторичный иммунный ответ. Иммунологическая память.

Антителообразование - образование специфических иммуноглобулинов, индуцированное антигеном; происходит главным образом в зрелых плазматических клетках, а также в плазмобластах и лимфобластах.

Основная масса антител образуется в клетках плазмоцитарного ряда (плазмобласт, проплазмоцит, плазмоцит). Каждая из них продуцирует антитела только одной специфичности, т. е. к одной антигенной детерминанте.

Иммунный ответ - последовательно развертывающаяся многоуровневая реакция антител и иммунных органов на антиген, сопровождающаяся гемодинамическими сдвигами.

При первичном контакте организма с антигеном и антителообразовании различают индуктивную и продуктивные фазы. Продолжительность первой фазы составляет около 2 суток. В этот период происходит пролиферация и дифференцировка лимфоидных клеток, развитие плазмобластической реакции. Вслед за индуктивной наступает продуктивная фаза. В сыворотке крови антитела начинают определяться с З-го дня после контакта с антигеном. Эти антитела относятся к классу IgM. С 5–7 дня происходит постепенная смена синтеза IgM на синтез IgG той же специфичности. Обычно к 12-15 дню кривая антителообразования достигает максимума, далее уровень антител начинает снижаться, но определенное их количество можно обнаружить и через много месяцев, а иногда и лет. При повторном контакте организма с тем же антигеном индуктивная фаза занимает лишь несколько часов. Продуктивная фаза протекает быстрее и интенсивнее, осуществляется синтез преимущественно IgG.

Первичный иммунный ответ - наработка АТ и последующее связывание АГ с АТ- как реакция на первую встречу с новым АГ. Во внеутробной жизни человека непрерывно происходят реакции готовых антител с АГ - вторичный иммунный ответ. Характер иммунного ответа зависит от многих факторов: исходной активности иммунной системы, вида АГ, способа поступления в организм, количества и динамики поступления и т.д., состояния организма (возраста, образа жизни, питания, т.д.) и др.

Первичный иммунный ответ развивается после первого контакта с антигеном. Для него характерны следующие особенности.

– Наличие латентного периода (2-3 дня после первого контакта с антигеном). Это связано с отсутствием лимфоцитов памяти. Все клоны лимфоцитов находятся в фазе покоя G0. При поступлении в организм антигена вначале синтезируются IgM (антитела выявляются через 2-3 суток), а затем – IgG (пик приходится на 10-14 сутки, причем эти антитела могут сохранятся в низком титре в течение всей жизни). Отмечается также небольшое увеличение уровней IgA, IgE и IgD. Образуются комплексы антиген-антитело.

– Уже с третьих суток появляются иммунные Т-лимфоциты.

– Первичный иммунный ответ затихает через 2-3 недели после стимуляции антигеном.

– Появляются лимфоциты памяти и может долго поддерживаться следовой уровень IgG.

Б. Вторичный иммунный ответ развивается после повторного контакта с тем же антигеном и имеет следующие особенности.

– В организме уже имеются долгоживущие клоны антигенспецифических Т- и В-лимфоцитов памяти, ответственных за «память» об антигене и способных к рециркуляции, они находятся не в покое, а в фазе G1.

– Стимуляция синтеза антител и иммунных Т-лимфоцитов наступает через 1-3 дня.

– Т-клетки памяти быстро превращаются в эффекторные.

– Количество антител сразу резко увеличивается, причем синтезируются иммуноглобулины высокой специфичности – IgG.

– Чем больше контактов с антигенами имело место в данном организме, тем выше будет концентрация и специфичность антител.

Иммунологическая память. При повторной встрече с антигеном организм формирует более активную и быструю иммунную реакцию - вторичный иммунный ответ. Этот феномен получил название иммунологической памяти.

Иммунологическая память имеет высокую специфичность к конкретному антигену, распространяется как на гуморальное, так и клеточное звено иммунитета и обусловлена В- и Т-лимфоцитами. Она образуется практически всегда и сохраняется годами и даже десятилетиями. Благодаря ней наш организм надежно защищен от повторных антигенных интервенций.

Феномен иммунологической памяти широко используется в практике вакцинации людей для создания напряженного иммунитета и поддержания его длительное время на защитном уровне. Осуществляют это 2-3-кратными прививками при первичной вакцинации и периодическими повторными введениями вакцинного препарата - ревакцинациями.

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,…

Антитела

- Что же это за клетки?

- Это лимфоциты.

Если не учитывать эритроциты, которые переносят кислород, то все остальные клетки крови имеют белый цвет . Их называют лейкоцитами, то есть белыми клетка ми. Из всех белых клеток 30 процентов относятся к лимфоцитам. Лимфоцит в переводе на русский язык означает «клетка лимфы».

Во всех тканях нашего тела, помимо крови, циркулирует лимфа. По лимфатическим сосудам она поступает в лимфатические узлы , а оттуда собирается в один большой сосуд - грудной проток, который впадает в кровяное русло около самого сердца. В лимфе нет эритроцитов. Только лимфоциты.

Осмотр

Многие считали, что из лимфоцитов возникают всевозможные другие клетки - соединительнотканные, печеночные, легочные и т. д. «Старая литература, - пишет Гоуэнс, - наполнена противоречивыми доказательствами того, что малые лимфоциты могут превращаться в эритроциты, гранулоциты, моноциты, фибробласты, плазматические клетки и т. д. Один циник как–то заметил, что все клетки, за исключением клеток нервной системы , в то или иное время рассматривались как производные лимфоцитов!»

Второе исследование. Гоуэнс облучает крысу рентгеновскими лучами. Многие системы страдают после облучения, иммунная система тоже. Животное не вырабатывает антител. Облученной крысе введены эритроциты барана, антител нет. Другой облученной крысе эритроциты барана введены вместе с лимфоцитами от здоровой крысы, антитела есть.

В крови плавают десятки тысяч различных антител, но они имеют общий план строения.

- Как устроены молекулы антител? Это, наверное, белки, которые циркулируют в крови.

Да, это самые крупные белковые молекулы кровяной сыворотки - гамма–глобулины. Поскольку все гамма–глобулины - антитела, их теперь называют иммуноглобулинами.

- Сколько же разных иммуноглобулинов плавает в крови?

Много. По приблизительным подсчетам, около десяти тысяч. Около одного процента массы крови приходится на иммуноглобулины. Иначе говоря, в литре крови 10 граммов антител.

- Сколько же это молекул?

- Очень много. Цифра астрономическая. Что–то вроде 5x10 20 (500 000 000 000 000 000 000), и каждая из них может соединиться с каким–то чужеродным веществом и обезвредить его.

Расшифровать устройство молекулы иммуноглобулина удалось благодаря работам двух исследователей - Роднея Портера в Оксфорде и Джералда Эдельмана в Нью–Йорке. Первые результаты были опубликованы в 1959 году. К 1965 году в общих чертах структура молекулы была расшифрована. К 1970–му иммунологи знали не только план строения, но и последовательность укладки «кирпичей» (аминокислот, из которых построена любая белковая молекула). В 1972 году Портер и Эдельман были удостоены Нобелевской премии.

Работа в поте лица

Примерный ход событий таков. В 1958 году Портер обработал выделенный из крови чистый иммуноглобулин папаином. Его получают из растений. Папаин относится к ферментам, разрушающим белки. Он способен разрезать белковые молекулы поперек.

В это же самое время на другом берегу Атлантического океана, как говорят в науке, «одновременно и независимо» Эдельман обработал выделенные из крови молекулы иммуноглобулинов 6–меркаптоэтанолом. Этот химический реагент обладает способностью разрезать молекулы белков вдоль. (Папаин пилит белковые стволы на дрова, а 6–меркаптоэтанол - на доски.)

Здесь следует немного отвлечься от антител, чтобы вспомнить, как вообще построены белки, что лежит в их основе.

Основой строения всех белков служат пептидные цепи. Белок может быть составлен из нескольких цепей, расположенных последовательно или параллельно друг другу. Каждая цепь, как из звеньев, образована из аминокислот. Вот, например, кусочек пептидной цепи инсулина - одного из хорошо изученных белков, при недостатке которого развивается тяжелая болезнь диабет: цистеин-аланин-серин-валин-цистеин. Полипептидные цепи, составленные из разных сочетаний 20 аминокислот, образуют все многообразие белков на нашей планете.

Аминокислоты соединены в цепи пептидов через атомы углерода и азота. Эти связи носят название пептидных. Именно их разрывает папаин. Конечно, не все сразу. В первую очередь в наиболее доступных участках белковой молекулы.

Если пептидные цепи, составляющие молекулу белка, расположены в виде двух нитей параллельно друг другу, то они соединяются между собой через два атома серы. Эти связи называются дисульфидными. Их разрушает 6–меркаптоэтанол. В результате этого белковая молекула, если она составлена из параллельных пептидных цепей, разрезается вдоль.

Итак, Портер рассек молекулу антитела поперек, а Эдельман вдоль.

Молекулярный вес целой молекулы был чуть больше 150 тысяч. После поперечного разрезания возникли три фрагмента с молекулярным весом около 50 тысяч каждый. Портер получил три фрагмента примерно равной величины. Он обозначил их I, II и III. Величина их была почти равна, но свойства…

Фрагменты I и II оказались тождественными друг другу. Каждый из них обладал главным качеством антитела - мог соединяться с антигеном, с той чужеродной субстанцией, против которой направлено данное антитело. Фрагмент III этим качеством не обладал.

Эдельман получил четыре фрагмента, вернее, четыре цепи, так как он разделил белковую молекулу на пептидные цепи. Две цепи, тождественные между собой, имели молекулярный вес примерно 25 тысяч. Он их назвал L–цепи (от слова light - легкий). Две другие, тоже тождественные между собой, имели вес 50 тысяч. Он их назвал Н–цепи (от слова heavy - тяжелый). (Следует заметить, если одна пептидная цепь в два раза тяжелее другой, это значит, что она в два раза длиннее.) Ни одна из этих цепей основным качеством антитела - способностью связывать антиген - не обладала. Однако если воссоединить вновь L–цепь и Н–цепь, то у образовавшейся структуры, представляющей половину молекулы, это качество восстанавливалось.

Вот так перед исследователями возникла задачка на сообразительность.

Дано: если разрезать молекулу поперек, возникает три части. Обозначим молекулярный вес в тысячах внизу символа, а антительную активность - звездочкой вверху символа. Получим формулу строения антитела: АТ 150 = I 50 * + II 50 * + III 50 .

Если разрезать вдоль, возникает четыре части со своей формулой: АТ 150 = 2L 25 +2Н 50 = (L 25 + Н 50) * + (L 25 + Н 50)*.

Требуется: определить пространственную структуру расположения пептидных цепей в молекуле и локализацию активных центров, то есть участков, определяющих главное качество - способность соединяться с антигеном.

Еще упрощаем задачу: из двух длинных и двух коротких цепочек сложить фигуру, которая бы при поперечном разрезе давала три равновеликих фрагмента. Два из них несут специфические антигенсвязывающие участки, составленные из длинной и короткой цепей.

Получится конструкция, похожая на заглавную букву «игрек» латинского шрифта?, что–то вроде нашей мальчишеской рогатки. Места, к которым привязывается резинка, и есть активные центры. Две стороны «рогатины» - это и есть портеровские фрагменты I и II. «Рукоятка» - фрагмент III. Папаин рассекает конструкцию на три фрагмента как раз в месте разветвления.

Две длинные цепи, располагаясь рядом друг с другом, формируют «рукоятку», а в месте разветвления расходятся, образуя внутренние стороны «рогатины». Короткие цепи примыкают к длинным после развилки, формируя наружные стороны «рогатины». Концы ее, состоящие из окончаний обоих типов цепей, определяют специфичность молекулы. В итоге каждое антитело имеет два активных центра. Как двумя руками связывает оно чужеродные антигенные частицы, делая их неактивными, нерастворимыми, неспособными оказывать вредное организму действие.

Такая конструкция построена не только на основе логических рассуждений. Она подтверждена специальными физико–химическими методами. Наконец, ее увидели в электронном микроскопе. Молекула антитела действительно выглядит так:

Молекула антитела

Некоторые молекулы антител соединяются своими «рукоятками» по две. Тогда они называются димерами. Они имеют, таким образом, сразу четыре активных центра для связывания антигена. Так ведут себя иммуноглобулины класса А. Другие молекулы объединяются по пять (пентамеры), образуя картину звезды с десятью активными центрами, смотрящими наружу. Это иммуноглобулины класса М. Но большинство антител относятся к обычному, мономерному («моно» - значит «один») типу. Их называют иммуноглобулинами класса Г.

К 1970 году структура антител была понята не только в общих чертах. Было выяснено, сколько аминокислот в каждой из четырех пептидных цепей.

В основе повышенной чувствительности организма лежат его иммунные реакции на антиген. Обычно такая чувствительность проявляется при повторной встрече организма с аллергеном, не вызывающим у здоровых людей реакции. Однако с первой встречи с аллергеном начинается образование аллергических антител, которые после повторной встречи с тем же аллергеном дают бурную цепную реакцию. Механизм этой реакции недостаточно ясен; одной из главных ее особенностей являются распад тучных клеток и выход из их гранул гистамина. Гистамин вызывает расширение сосудов и отек тканей.

К типичным аллергенам относятся различные виды пыльцы трав и цветов, перья некоторых видов птиц, шерсть домашних животных, различные красители. Аллерген проникает в организм чаще всего через слизистую оболочку дыхательных путей или кожу.

Анафилаксией называют реакцию повышенной чувствительности к повторному введению чужеродного белка. Анафилаксия может проявляться реакцией организма различной степени вплоть до крайне тяжелой- анафилактического шока.

Экспериментально анафилактический шок легко продемонстрировать на морских свинках, очень чувствительных к чужеродным белкам. Если морской свинке подкожно ввести небольшую дозу (0,01 - 0,001 мл) чужеродного белка, например лошадиной сыворотки, то свинка легко переносит это без всяких видимых последствий. К 8 - 12-му дню у морской свинки развивается состояние сенсибилизации по отношению к введенному белку. Если в период сенсибилизации морской свинке ввести в кровь тот же белок, развивается анафилактический шок. Для развития анафилаксии необходимо введение в кровь большой дозы этого же антигена. Это так называемая разрешающая инъекция. А. М. Безредка ярко описал картину анафилактического шока у морской свинки: "Как только кончено пробное вспрыскивание, сенсибилизированная морская свинка начинает волноваться. Она начинает царапать мордочку. Ее волнение растет с минуты на минуту. Вдруг она начинает вращаться вокруг своей оси. Эти вращательные движения прерываются судорожными вздрагиваниями, все более частыми и сильными. В определенный момент - 3 - 4 мин спустя после вспрыскивания - судорожные движения становятся реже. Животное кажется истощенным... Ложится на бок. Сфинктеры мочевого пузыря и заднего прохода расслабляются; происходит выделение мочи и кала. Дыхание, очень короткое и прерывистое сначала, становится все медленнее. К концу короткого промежутка, редко превышающего 5 - 6 мин, животное умирает от удушья".

Если анафилаксия проявляется в слабой форме, то обычно наблюдаются зуд, учащенное дыхание, сердцебиение, понижение артериального давления и понос.

В отдельных случаях животные при анафилактическом шоке выживают. В дальнейшем они на некоторое время становятся нечувствительными к данному аллергену. Наступает так называемая десенсибилизация. Десенсибилизацию можно вызвать искусственно, вводя перед инъекцией разрешающей дозы небольшую дозу аллергена.

Анафилаксию разной степени тяжести можно наблюдать у людей, например при повторном введении различных лечебных сывороток-противостолбнячной, противодифтерийной и др. Описаны случаи анафилактического шока при повторном введении антибиотиков, анестетиков или витаминов. Для предупреждения анафилактических реакций в практике используют метод десенсибилизации, предложенный А. М. Безредкой: за 2 - 4 ч перед введением необходимого количества сыворотки вводят небольшую ее дозу (0,5 - 1 мл). Этот метод обычно делает введение сыворотки безопасным. Однако у особо чувствительных людей даже применение этого метода не всегда предупреждает развитие анафилаксии.

К анафилаксии относится сывороточная болезнь, развивающаяся у некоторых людей через 8 - 14 сут после введения лечебных сывороток. Она характеризуется появлением зуда, сыпи, повышением температуры, отеком лица. Обычно через несколько дней наступает выздоровление.

Развитие сывороточной болезни можно ослабить или иногда предупредить, если вводить сыворотку не сразу, а постепенно возрастающими дозами. Хорошо очищенная сыворотка реже вызывает сывороточную болезнь.

К аллергическим реакциям относят повышенную чувствительность к аллергенам бактериальной природы. Это реакции гиперчувствительности замедленного типа. Возникновение реакции такого типа связано с предшествующей сенсибилизацией организма микробным аллергеном, вирусом, токсином. В ответ на эти аллергены могут развиваться реакции клеточного иммунитета без образования гуморальных антител. Этим объясняется то, что при реакции замедленного типа обычно отмечаются значительные местные повреждения тканей.

Аллергические реакции играют важную роль в патогенезе многих заболеваний, особенно туберкулеза, скарлатины, ревматизма. Так, например, при туберкулезе организм больного постоянно сенсибилизирован по отношению к туберкулезному токсину - туберкулину. Организм здорового человека не реагирует на внутрикожное введение туберкулина или отвечает легкой воспалительной реакцией. Введение же туберкулина больным туберкулезом вызывает бурную кожную воспалительную реакцию. Эта проба используется с диагностической целью.

Аллергические проявления часто определяют характер течения болезни. Разрешающими факторами могут быть самые разнообразные воздействия, иногда даже случайные. Так, например, обострение ревматизма может начаться после гриппа, ангины, охлаждения или перегревания, а также после введения лечебной сыворотки (например, противостолбнячной). Обострение хронически текущего туберкулезного процесса иногда происходит после различных воздействий, изменяющих реактивность организма и играющих роль разрешающих факторов.

Лекарственная аллергия развивается вследствие повышенной чувствительности некоторых лиц к определенным лекарственным препаратам или в результате сенсибилизации этими препаратами. Роль антигена в таких случаях может выполнять как сам препарат, например некоторые антибиотики, так и продукты, образующиеся в результате взаимодействия данного препарата с белками организма. Чаще всего аллергические реакции вызывают антибиотики, но эти реакции могут быть обусловлены и другими лекарственными средствами , даже амидопирином.

Клинические проявления аллергических реакций на лекарственные препараты разнообразны-от крапивницы или приступа бронхиальной астмы до анафилактического шока. В связи с этим для предупреждения аллергических реакций лекарственные препараты следует применять только при определенных показаниях по правильным схемам и после выяснения переносимости их данным больным.

Подобно лекарственным аллергиям, могут развиваться аллергии в ответ на раздражение некоторыми химическими веществами, например лаками, красителями, клеями. В таких случаях чаще всего приходится встречаться с аллергическими поражениями кожи-дерматитами.

К аллергии относится и идиосинкразия - сверхчувствительность к некоторым пищевым продуктам, лекарственным препаратам, вдыхаемой пыльце цветов, косметическим средствам и т. п.

Антитела выполняют две функции: антиген -связывающую и эффекторную (вызывают тот или иной иммунный ответ, например, запускают классическую схему активации комплемента).

Антитела состоят из двух лёгких и двух тяжёлых цепей. У млекопитающих выделяют пять классов антител (иммуноглобулинов) - IgG, IgA, IgM, IgD, IgE, различающихся между собой по строению и аминокислотному составу тяжёлых цепей и по выполняемым эффекторным функциям.

История изучения

Самое первое антитело было обнаружено Берингом и Китазато в 1890 году, однако в то время о природе обнаруженного столбнячного антитоксина, кроме его специфичности и его присутствия в сыворотке иммунного животного, ничего определенного сказать было нельзя. Только с 1937 года - исследований Тиселиуса и Кабата, началось изучение молекулярной природы антител. Авторы использовали метод электрофореза белков и продемонстрировали увеличение гамма-глобулиновой фракции сыворотки крови иммунизированных животных. Адсорбция сыворотки антигеном, который был взят для иммунизации, снижала количество белка в данной фракции до уровня интактных животных.

Строение антител

Антитела являются относительно крупными (~150 кДа - IgG) гликопротеинами, имеющими сложное строение. Состоят из двух идентичных тяжелых цепей (H-цепи, в свою очередь состоящие из V H , C Н 1, шарнира, C H 2- и C H 3-доменов) и из двух идентичных лёгких цепей (L-цепей, состоящих из V L - и C L - доменов). К тяжелым цепям ковалентно присоединены олигосахариды. При помощи протеазы папаина антитела можно расщепить на два Fab (англ. fragment antigen binding - антиген-связывающий фрагмент) и один (англ. fragment crystallizable - фрагмент, способный к кристаллизации). В зависимости от класса и исполняемых функций антитела могут существовать как в мономерной форме (IgG, IgD, IgE, сывороточный IgA), так и в олигомерной форме (димер-секреторный IgA, пентамер - IgM). Всего различают пять типов тяжелых цепей (α-, γ-, δ-, ε- и μ-цепи) и два типа легких цепей (κ-цепь и λ-цепь).

Классификация по тяжелым цепям

Различают пять классов (изотипов ) иммуноглобулинов, различающихся:

последовательностью аминокислот
молекулярной массой
зарядом

Класс IgG классифицируют на четыре подкласса (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4), класс IgA - на два подкласса (IgA1, IgA2). Все классы и подклассы составляют девять изотипов, которые присутствуют в норме у всех индивидов. Каждый изотип определяется последовательностью аминокислот константной области тяжелой цепи.

Функции антител

Иммуноглобулины всех изотипов бифункциональны. Это означает, что иммуноглобулин любого типа

распознает и связывает антиген, а затем
усиливает уничтожение и/или удаление иммунных комплексов, сформированных в результате активации эффекторных механизмов.

Специфичность антител

Имеет в виду то, что каждый лимфоцит синтезирует антитела только одной определенной специфичности. И эти антитела располагаются на поверхности этого лимфоцита в качестве рецепторов.

Как показывают опыты, все поверхностные иммуноглобулины клетки имеют одинаковый идиотип: когда растворимый антиген, похожий на полимеризованный флагеллин, связывается со специфической клеткой, то все иммуноглобулины клеточной поверхности связываются с данным антигеном и они имеют одинаковую специфичность то есть одинаковый идиотип.

Антиген связывается с рецепторами, затем избирательно активирует клетку с образованием большого количества антител. И так как клетка синтезирует антитела только одной специфичности, то эта специфичность должна совпадать со специфичностью начального поверхностного рецептора.

Специфичность взаимодействия антител с антигенами не абсолютна, они могут в разной степени перекрестно реагировать с другими антигенами. Антисыворотка, полученная к одному антигену, может реагировать с родственным антигеном, несущим одну или несколько одинаковых или похожих детерминант. Поэтому каждое антитело может реагировать не только с антигеном, который вызвал его образование, но и с другими, иногда совершенно неродственными молекулами. Специфичность антител определяется аминокислотной последовательностью их вариабельных областей.

Клонально-селекционная теория :

Антитела и лимфоциты с нужной специфичностью уже существуют в организме до первого контакта с антигеном.
Лимфоциты, которые участвуют в иммунном ответе, имеют антигенспецифические рецепторы на поверхности своей мембраны. У B-лимфоцитов рецепторы- молекулы той же специфичности, что и антитела, которые лимфоциты впоследствии продуцируют и секретируют.
Любой лимфоцит несет на своей поверхности рецепторы только одной специфичности.
Лимфоциты, имеющие антиген, проходят стадию пролиферации и формируют большой клон плазматических клеток. Плазматические клетки синтезируют антитела только той специфичности, на которую был запрограммирован лимфоцит-предшественник. Сигналами к пролиферации служат цитокины, которые выделяются другими клетками. Лимфоциты могут сами выделять цитокины.

Вариабельность антител

Антитела являются чрезвычайно вариабельными (в организме одного человека может существовать до 10 8 вариантов антител). Все разнообразие антител проистекает из вариабельности как тяжёлых цепей, так и лёгких цепей. У антител, вырабатываемых тем или иным организмом в ответ на те или иные антигены, выделяют:

Изотипическая вариабельность - проявляется в наличии классов антител (изотипов), различающихся по строению тяжёлых цепей и олигомерностью, вырабатываемых всеми организмами данного вида;
Аллотипическая вариабельность - проявляется на индивидуальном уровне в пределах данного вида в виде вариабельности аллелей иммуноглобулинов - является генетически детерминированным отличием данного организма от другого;
Идиотипическая вариабельность - проявляется в различии аминокислотного состава антиген-связывающего участка. Это касается вариабельных и гипервариабельных доменов тяжёлой и лёгкой цепей, непосредственно контактирующих с антигеном.

Контроль пролиферации

Наиболее эффективный контролирующий механизм заключается в том, что продукт реакции одновременно служит её ингибитором. Этот тип отрицательной обратной связи имеет место при образовании антител. Действие антител нельзя объяснить просто нейтрализацией антигена, потому что целые молекулы IgG подавляют синтез антител намного эффективнее, чем F(ab")2 -фрагменты. Предполагают, что блокада продуктивной фазы T-зависимого B-клеточного ответа возникает в результате образования перекрестных связей между антигеном, IgG и Fc - рецепторами на поверхности B-клеток. Инъекция IgM усиливает иммунный ответ. Так как антитела именно этого изотипа появляются первыми после введения антигена, то на ранней стадии иммунного ответа им приписывается усиливающая роль.

Что это за плазматические клетки, вырабатывающие антитела, и можно ли плазматическую клетку считать самой главной клеткой иммунной системы?

Что это за плазматические клетки, вырабатывающие антитела? О них уже знали во времена Мечникова или это более позднее открытие?

Антитела

Конечно, более позднее. Это достижения новой иммунологии. Шведская исследовательница Астрид Фагреус в 1948 году предположила, что антитела вырабатываются плазматическими клетками. Окончательно это было доказано известным американским иммунологом Альбертом Кунсом всего 20 лет назад, в 1956 году.

- Нет, нельзя. Главные клетки распознаны еще позже.

- Что же это за клетки?

- Это лимфоциты.

Если не учитывать эритроциты, которые переносят кислород, то все остальные клетки крови имеют белый цвет. Их называют лейкоцитами, то есть белыми клетка ми. Из всех белых клеток 30 процентов относятся к лимфоцитам. Лимфоцит в переводе на русский язык означает «клетка лимфы».

Во всех тканях нашего тела, помимо крови, циркулирует лимфа. По лимфатическим сосудам она поступает в лимфатические узлы, а оттуда собирается в один большой сосуд - грудной проток, который впадает в кровяное русло около самого сердца. В лимфе нет эритроцитов. Только лимфоциты.

Ровно триста лет назад, знаменитый голландец Антони Левенгук создал свой «микроскоп». Первыми объектами его наблюдений были капля дождевой воды и капля крови. Он открыл красные кровяные шарики - эритроциты, которые составляют основную массу клеток крови. Не прошло и сотни лет после этого, как были обнаружены белые клетки крови. Их почти в тысячу раз меньше, чем эритроцитов, но все равно очень много. В грамме крови содержится 4-5 миллиардов эритроцитов и 6-8 миллионов лейкоцитов.

Лейкоциты делятся на две главные группы. Клетки первой группы составляют около 2 / 3 и характеризуются тем, что имеют не круглые, а сегментированные ядра. У клеток второй группы абсолютно круглые ядра, которые занимают большую часть клетки. Первые являются собственно лейкоцитами, а вторые получили название лимфоцитов.

В конце прошлого столетия Мечников обнаружил, что лейкоциты защищают организм, пожирая чужеродные частицы. В отличие от больших тканевых фагоцитов - макрофагов, он назвал их малыми фагоцитами - микрофагами. А вот чем занимаются лимфоциты, стало известно всего 15 лет назад.

Как легко мы перелистываем историю! Триста лет назад открыты первые клетки крови - красные, двести лет назад - лейкоциты, сто лет назад - лимфоциты. Упорный труд, поиски, изобретательность, споры, десять поколений исследователей! А у нас полстраницы печатного текста.

Осмотр

Два миллиона лимфоцитов в каждом грамме крови. Чем они заняты? Этот вопрос задавали себе сотни исследователей. Профессор Джеймс Гоуэнс из Оксфорда, сделавший больше всех других, чтобы обнаружить функции этих клеток, приводит слова известного патолога Арнольда Рича: «Лимфоциты - это флегматичные наблюдатели бурной активности фагоцитов». Таким было одно из распространенных воззрений. Действительно, очень маленькие клетки, 6-8 микрон в диаметре, чуть больше собственного ядра (почти одно ядро!), которые не обладают активной подвижностью, но почти всегда скапливаются вокруг воспалительного очага, в котором работают фагоциты, пожирая все инородное или отмирающее.

Было и другое мнение. Лимфоцитам приписывали функцию питания других клеток. Их даже называли трофоцитами - питающими клетками.

Многие считали, что из лимфоцитов возникают всевозможные другие клетки - соединительнотканные, печеночные, легочные и т. д. «Старая литература, - пишет Гоуэнс, - наполнена противоречивыми доказательствами того, что малые лимфоциты могут превращаться в эритроциты, гранулоциты, моноциты, фибробласты, плазматические клетки и т. д. Один циник как–то заметил, что все клетки, за исключением клеток нервной системы, в то или иное время рассматривались как производные лимфоцитов!»

Лимфоцит действительно таинственная клетка, коль скоро ему удалось сохранить свою тайну перед прозорливостью науки вплоть до 60–х годов XX столетия! В начале 69–х годов появились бесспорные доказательства того, что все специфические реакции иммунитета - выработку антител, отторжение пересаженных тканей или органов, противовирусную защиту - осуществляют лимфоциты.

Разберем это на примере исследований Джеймса Гоуэнса. В те годы у него в Оксфордском университете была малюсенькая лаборатория. В одной из комнаток со старинными полупрозрачными окнами стоял в центре на столе сконструированный им самим станок. Главная часть станка - цилиндр из плексигласа. В цилиндре хитроумно закреплена крыса. На шее у крысы разрез. Через разрез внутрь тела уходит тоненькая прозрачная трубочка. Из трубочки все время капают маленькие белые капли.

Доктор Гоуэнс ввел трубку в главный лимфатический сосуд - в грудной проток - и выкачивает лимфу. Он оставляет крысу без лимфоцитов. После этого он иммунизирует ее чужеродными клетками - эритроцитами барана. Должны выработаться антитела против бараньих эритроцитов. Он исследует кровь крысы раз, другой, третий… Антител нет! Тогда он берет другую безлимфоцитную крысу и возвращает ей в кровь ее лимфоциты. Иммунизирует и обнаруживает нормальное количество антител.

Значит, без лимфоцитов антитела вырабатываться не могут.

Значит, с лимфоцитами можно передать в другой организм способность вырабатывать антитела. С лимфоцитами переносится и память об антигене. Если эти клетки взять от животного, которого уже иммунизировали эритроцитами барана раньше, то в облученном животном они обеспечат выработку большего количества антител. Так, как если бы мы его иммунизировали повторно.

Третье исследование касается механизма отторжения пересаженных чужеродных тканей. К началу 60–х годов было хорошо известно, что первая пересадка кожи иммунизирует организм и повторный лоскут отторгается вдвое быстрее первого. Но почему? Думали, что это работа антител. Однако сыворотка крови от такого животного, содержащая антитела, если ее ввести другому животному, не ускоряет отторжения пересаженной кожи. А вот лимфоциты ускоряют. Причем точно в два раза.

Значит, это лимфоциты занимаются отторжением пересаженных чужеродных тканей! Без помощи антител. Сами, своими «руками». Такие лимфоциты, которые после первого контакта с чужеродным антигеном специально нацелены против него, стали называть сенсибилизированными лимфоцитами. Они да антитела - вот два главных типа оружия иммунитета.

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.

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.