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1、医学免疫学第二节免疫球蛋白分子的结构与功能一、免疫球蛋白分子的基本结构Porter 等对血清 IgG 抗体的研究证明，Ig 分子的基本结构是由四肽链组成的。即由二条相同的分子量较小的肽链称为轻链和二条相同的分子量较大的肽链称为重链组成的。轻链与重链是由二硫键连接形成一个四肽链分子称为 Ig 分子的单体，是构成免疫球蛋白分子的基本结构。Ig 单体中四条肽链两端游离的氨基或羧基的方向是一致的，分别命名为氨基端（N 端）和羧基端（C 端）。图 2-3 免疫球蛋白分子的基本结构示意图（一）轻链和重链由于骨髓瘤蛋白（M 蛋白）是均一性球蛋白分子，并证明本周蛋白（BJ）是 Ig 分子的 L 链，很容易从患
2、者血液和尿液中分离纯化这种蛋白，并可对来自不同患者的标本进行比较分析，从而为 Ig 分子氨基酸序列分析提供了良好的材料。1轻链（light chain,L） 轻链大约由 214 个氨基酸残基组成，通常不含碳水化合物，分子量约为 24kD。每条轻链含有两个由链内二硫键内二硫所组成的环肽。L 链共有两型：kappa()与lambda()，同一个天然 Ig 分子上 L 链的型总是相同的。正常人血清中的 ： 约为 2：1。2重链（heavy chain,H 链） 重链大小约为轻链的 2 倍，含 450550 个氨基酸残基，分子量约为 55 或 75kD。每条 H 链含有 45 个链内二硫键所组成的环肽
3、。不同的 H 链由于氨基酸组成的排列顺序、二硫键的数目和们置、含的种类和数量不同，其抗原性也不相同，根据 H 链抗原性的差异可将其分为 5 类： 链、 链、 链、 链和 链，不同 H 链与 L 链（ 或 链）组成完整 Ig 的分子分别称之为 IgM、IgG、IgA、IgD 和 IgE。、 和 链上含有 4 个肽， 和 链含有 5 个环肽。（二）可变区和恒定区通过对不同骨髓蛋白或本周蛋白 H 链或 L 链的氨基酸序列比较分析，发现其氨基端（N-末端）氨基酸序列变化很大，称此区为可变区（V），而羧基末端（C-末端）则相对稳定，变化很小，称此区为恒定区。1可变区（variable region,V
4、区） 位于 L 链靠近 N 端的 1/2（约含 108111 个氨基酸残基）和 H 链靠近 N 端的 1/5 或 1/4（约含 118 个氨基酸残基）。每个 V 区中均有一个由链内二硫键连接形成的肽环，每个肽环约含 6775 个氨基酸残基。V 区氨基酸的组成和排列随抗体结合抗原的特异性不同有较大的变异。由于 V 区中氨基酸的种类为排列顺序千变万化，故可形成许多种具有不同结合抗原特异性的抗体。L 链和 H 链的 V 区分别称为 VL 和 VH。在 VL 和 VH 中某些局部区域的氨基酸组成和排列顺序具有更高的变休程度，这些区域称为高变区（hypervariable region,HVR）。在 V
5、 区中非 HVR 部位的氨基酸组面和排列相对比较保守，称为骨架区（fuamework rugion）。VL 中的高变区有三个，通常分别位于第 2434、5065、95102 位氨基酸。VL 和 VH 的这三个 HVR 分别称为 HVR1、HVR2 和 HVR3。经 X 线结晶衍射的研究分析证明，高变区确实为抗体与抗原结合的位置，因而称为决定簇互补区（complementarity-determining regi-on,CDR）。VL 和 VH 的 HVR1、HVR2 和 HVR3 又可分别称为CDR1、CDR2 和 CDR3，一般的 CDR3 具有更高的高变程度。高变区也是 Ig 分子独特型
6、决定簇（idiotypic determinants）主要存在的部位。在大多数情况下 H 链在与抗原结合中起更重要的作用。图 2-4 与表位结合高变区示意图（G 表示相对保守的甘氨酸）2恒定区（constant region,C 区） 位于 L 链靠近 C 端的 1/2（约含 105 个氨基酸残基）和 H 链靠近 C 端的 3/4 区域或 4/5 区域（约从 119 位氨基酸至 C 末端）。H 链每个功能区约含 110 多个氨基酸残基，含有一个由二锍键连接的 5060 个氨基酸残基组成的肽环。这个区域氨基酸的组成和排列在同一种属动物 Ig 同型 L 链和同一类 H 链中都比较恒定，如人抗白喉外
7、毒素 IgG 与人抗破伤风外毒素的抗毒素 IgG，它们的 V 区不相同，只能与相应的抗原发生特异性的结合，但其 C 区的结构是相同的，即具有相同的抗原性，应用马抗人 IgG 第二体（或称抗抗体）均能与这两种抗不同外毒素的抗体（IgG）发生结合反应。这是制备第二抗体，应用荧光、酶、同位毒等标记抗体的重要基础。（三）功能区Ig 分子的 H 链与 L 链可通过链内二硫键折叠成若干球形功能区，每一功能区（domain）约由 110个氨基酸组成。在功能区中氨基酸序列有高度同源性。1L 链功能区分为 L 链可变区（VL）和 L 链恒定区（CL）两功能区。2H 链功能区IgG、IgA 和 IgD 的 H 链
8、各有一个可变区（VH）和三个恒定区（CH1、CH2 和 CH3）共四个功能区。IgM 和 IgE 的 H 链各有一个可变区（VH）和四个恒定区（CH1、CH2、CH3 和 CH4）共五个功能区。如要表示某一类免疫蛋白 H 链恒定区，可在 C（表示恒定区）后加上相应重链名称（希腊字母）和恒定区的位置（阿拉伯数字），例如 IgG 重链 CH1、CH2 和 CH3 可分别用 C1、C2 和 C3 来表示。IgL 链和 H 链中 V 区或 C 区每个功能区各形成一个免疫球蛋白折叠（immunoglobulin fold,Ig fold）,每个 Ig 折叠含有两个大致平行、由二硫连接的 片层结构（bet
9、apleated sheets），每个 片层结构由 3 至 5 股反平行的多肽链组成。可变区中的高变区在 Ig 折叠的一侧形成高变区环（hypervariable loops），是与抗原结合的位置。3功能区的作用（1）VL 和 VH 是与抗原结合的部位，其中 HVR（CDR）是 V 区中与抗原决定簇（或表位）互补结合的部位。VH 和 VL 通过非共价相互作用，组成一个 FV 区。单位 Ig 分子具有 2 个抗原结合位点（antigen-binding site），二聚体分泌型 IgA 具有 4 个抗原结合位点，五聚体 IgM 可有 10 个抗原结合位点。（2）CL 和 CH 上具有部分同种异型
10、的遗传标记。（3）CH2：IgGCH 具有补体 Clq 结合点，能活化补体的经典活化途径。母体 IgG 借助 CH2 部分可通过胎盘主动传递到胎体内。（4）CH3：IgGCH3 具有结合单核细胞、巨噬细胞、粒细胞、B 细胞和 NK 细胞 Fc 段受体的功能。IgMCH3（或 CH3 因部分 CH4）具有补体结合位点。IgE 的 C2 和 C3 功能区与结合肥大细胞和嗜碱性粒细胞 FCRI 有关。4铰链区（hinge region）铰链区不是一个独立的功能区，但它与其客观存在功能区有关。铰链区位于 CH1 和 CH2 之间。不同 H 链铰链区含氨基酸数目不等，1、2、1、2 和 4 链的铰链区较
11、短，只有 10 多个氨基酸残基；3 和 链的铰链区较长，约含 60 多个氨基酸残基，其中 3 铰链区含有 14 个半胱氨酸残基。铰链区包括 H 链间二硫键，该区富含脯氨酸，不形成 -螺旋，易发生伸展及一定程度的转动，当 VL、VH 与抗原结合时此氏发生扭曲，使抗体分子上两个抗原结合点更好地与两个抗原决定簇发生互补。由于 CH2 和 CH3 构型变化，显示出活化补体、结合组织细胞等生物学活性。铰链区对木瓜蛋白酶、胃蛋白酶敏感，当用这些蛋白酶水解免疫球蛋白分子时常此区发生裂解。IgM和 IgE 缺乏铰链区。（四）J 链和分泌成分1J 链（joining chain） 存在于二聚体分泌型 IgA 和
12、五聚体 IgM 中。J 链分子量约为 15kD，由于 124 个氨基酸组成的酸性糖蛋白，含有 8 个半胱氨酸残基，通过二硫键连接到 链或 链的羧基端的半胱氨酸。J 链可能在 Ig 二聚体、五聚体或多聚体的组成以及在体内转运中的具有一定的作用。2分泌成分（secretory component,SC） 又称分泌片（secretory piece）,是分泌型 IgA 上的一个辅助成分，分子量约为 75kD，糖蛋白，由上皮细胞合成，以共价形式结合到 Ig 分子，并一起被分泌到粘膜表面。SC 的存在对于抵抗外分泌液中蛋白水解酶的降解具有重要作用。（五）单体、双体和五聚体1单体 由一对 L 链和一对 H
13、 链组成的基本结构，如 IgG、IgD、IgE 血清型 IgA。2双体 由 J 链连接的两个单体，如分泌型 IgA（secretory IgA,SIgA)二聚体（或多聚体）IgA结合抗原的亲合力（avidity）要比单体 IgA 高。图 2-5 分泌型 IgA 结构示意图3五聚体 由 J 链和二硫键连接五个单体，如 IgM。 链 Cys414（C3）和 Cys575(C 端的尾部)对于 IgM 的多聚化极为重要。在 J 链存在下，通过两个邻近单体 IgM 链 Cys 之间以及 J 链与邻 链Cys575 之间形成二硫键组成五聚体。由粘膜下浆细胞所合成和分泌的 IgM 五聚体，与粘膜上皮细胞表面
14、 pIgR(poly-Ig receptor,pIgR)结合，穿过粘膜上皮细胞到粘膜表面成为分泌型 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,从而区划获知了 Ig四肽链的基本结构和功能。（1）裂解部位：IgG 铰链区 H 链链间二硫键近 N 端侧切断。（2）裂解片段：共裂解为三个片段：两个 Fab 段（抗原结合段，fragment of antigen binding）,每个 Fab 段由一条完整的 L 链和一条约为 1/2 的 H 链组成，Fab 段分子量为 54kD。一个完整的 Fab 段可与
15、抗原结合，表现为单价，但不能形成凝集或沉淀反应。Fab 中约 1/2H 链部分称为 Fd 段，约含 225 个氨基酸残基，包括 VH、CH1 和部分铰链区。一个 Fc 段（可结晶段，fragment crystallizable）,由连接 H 链二硫键和近羧基端两条约 1/2 的 H 链所组成，分子量约 50kD。Ig 在异种间免疫所具有的抗原性主要存在于 Fc 段。图 2-6 人分泌型 IgA 和分泌型 IgM 的局部产生示意图图 2-7 IgM 结构示意图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：铰链区 H 链链间二硫键近 C
16、端切断。（2）裂解片段：1）F（ab）2：包括一对完整的 L 链和由链间二硫键相连一对略大于 Fab 中 Fd 的 H 链，称为Fd，约含 235 个氨基酸残基，包括 VH、VH1 和铰链区。F（ab）2 具有双价抗体活性，与抗原结合可发生凝集和沉淀反应。双价的 F（ab）2 与抗原结合的亲合力要大于单价的 Fab。由于应用 F（ab）2时保持了结合相应抗原的生物学活性，又减少或避免了 Fc 段抗原性可能引起的副作用，因而在生物制品中有较大的实际应用价值。虽然 F（ab）2 与抗原结合特性方面同完整的 Ig 分子一样，但由于缺乏Ig 中部分，因此不具备固定补体以及与细胞膜表面 Fc 受体结合的功能。F（ab）2 经还原等处理后，H 链间的二硫可发生断裂而形成两个相同的 Fab片段。2）Fc可继续被胃蛋白酶水解成更小的片段，失去其生物学活性。图 2-8
