第四章免疫球蛋白

第四章 免疫球蛋白抗体(antibody，Ab)是介导体液免疫的重要效应分子，是B细胞接受抗原刺激后增殖分化为浆细胞所产生的糖蛋白，主要存在于血清等体液中，能与相应抗原特异性地结合，显示免疫功能。

早在十九世纪后期，von Behring及其同事Kitasato就发现白喉或破伤风毒素免疫动物后可产生具有中和毒素作用的物质，称之为抗毒素(antitoxin),随后引入抗体一词来泛指抗毒素类物质。

1937年Tiselius和Kabat用电泳方法将血清蛋白分为白蛋白、α1、α2、β及γ球蛋白等组分，并发现抗体活性存在于从α到γ的这一广泛区域（图4-1），但主要存在于γ区，故相当长一段时间内，抗体又被称为γ球蛋白（丙种球蛋白）。

1968年和1972年世界卫生组织和国际免疫学会联合会的专门委员会先后决定，将具有抗体活性或化学结构与抗体相似的球蛋白统一命名为免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）。

免疫球蛋白可分为分泌型（secreted Ig，SIg）和膜型（membrane Ig, mIg）。

前者主要存在于血液及组织液中，具有抗体的各种功能；后者构成B细胞膜上的抗原受体。

第一节 免疫球蛋白的结构一、免疫球蛋白的基本结构X射线晶体衍射结构分析发现，免疫球蛋白由四肽链分子组成，各肽链间有数量不等的链间二硫键。

结构上Ig可分为三个长度大致相同的片段，其中两个长度完全一致的片段位于分子的上方，通过一易弯曲的区域与主干连接，形成一”Y”字型结构（图4－2），称为Ig单体，构成免疫球蛋白分子的基本单位。

图4−2（一）重链和轻链任何一类天然免疫球蛋白分子均含有四条异源性多肽链，其中，分子量较大的称为重链(heavy chain, H)，而分子量较小的为轻链(light chain, L)。

同一天然Ig 分子中的两条H链和两条L链的氨基酸组成完全相同。

1. 重链 分子量约为50～75kD，由450～550个氨基酸残基组成。

各类免疫球蛋白重链恒定区的氨基酸组成和排列顺序不尽相同，因而其抗原性也不同。

据此，可将免疫球蛋白分为5类（class）或5个同种型（isotype），即IgM、IgD、IgG、IgA和IgE，其相应的重链分别为μ链、δ链、γ链、α链和ε链。

不同类的免疫球蛋白具有不同的特征，如链内和链间二硫键的数目和位置、连接寡糖的数量、结构域的数目以及铰链区的长度等均不完全相同。

即使是同一类Ig其铰链区氨基酸组成和重链二硫键的数目、位置也不同，据此又可将同类Ig分为不同的亚类（subclass）。

如人IgG可分为IgG1～IgG4；IgA可分为IgA1和IgA2。

IgM、IgD和IgE尚未发现有亚类。

2. 轻链 分子量约为25 kD，由214个氨基酸残基构成。

轻链有两种，分别为κ(kappa)链和λ(lambda)链，据此可将Ig分为两型(type)，即κ型和λ型。

一个天然Ig分子上两条轻链的型别总是相同的，但同一个体内可存在分别带有κ或λ链的抗体分子。

5类Ig中每类Ig都可以有κ链或λ链，两型轻链的功能无差异。

不同种属生物体内两型轻链的比例不同，正常人血清免疫球蛋白κ:λ约为2:1，而在小鼠则为20:1。

κ:λ比例的异常可能反映免疫系统的异常，例如人类免疫球蛋白λ链过多，提示可能有产生λ链的B细胞肿瘤。

根据λ链恒定区个别氨基酸的差异，又可分为λ1、λ2、λ3和λ4 四个亚型(subtype)（二）可变区和恒定区通过分析不同免疫球蛋白重链和轻链的氨基酸序列，发现重链和轻链靠近N 端的约110个氨基酸的序列变化很大，其他部分氨基酸序列则相对恒定。

免疫球蛋白轻链和重链中靠近N端氨基酸序列变化较大的区域称为可变区（variable region, V），分别占重链和轻链的1/4和1/2；而靠近C端氨基酸序列相对稳定的区域，称为恒定区(constant region, C区)，分别占重链和轻链的3/4和1/2(图4−2)。

1. 可变区 重链和轻链的V区分别称为V H和V L。

V H和V L各有3个区域的氨基酸组成和排列顺序高度可变，称为高变区（hypervariable region, HVR）或互补决定区（complementarity determining region, CDR），分别用HVR1(CDR1)、HVR2(CDR2)和HVR3(CDR3)表示，一般CDR3变化程度更高。

V H的3个高变区分别位于29～31、49～58和95～102位氨基酸，V L的3个高变区分别位于28～35、49～56和91～98位氨基酸。

V H和V L的3个CDR共同组成Ig的抗原结合部位（antigen-binding site），决定着抗体的特异性，负责识别及结合抗原，从而发挥免疫效应。

在V区中，CDR之外区域的氨基酸组成和排列顺序相对不易变化，称为骨架区（framework region,FR）。

V H或V L各有FR1、FR2、FR3和FR4四个骨架区，分别用FR1、FR2、FR3和FR4表示。

图4−32. 恒定区 重链和轻链的C区分别称为C H和C L。

不同型（λ或κ）Ig其C L的长度基本一致，但不同类Ig CH的长度不一，有的包括C H1、C H2和C H3；有的更长，包括C H1、C H2、C H3和C H4。

同一种属的个体，所产生针对不同抗原的同一类别Ig，其C区氨基酸组成和排列顺序比较恒定，其免疫原性相同，但V区各异。

例如：针对不同抗原的人IgG抗体，它们的V区不同，所以只能与相应的抗原发生特异性结合，但C区是相同的，均含γ链，因此抗人IgG抗体（第二抗体）均能与之结合。

再如，针对同一抗原的人IgG和IgM抗体，它们的V区是相同的，所以均能与该抗原特异性结合，但C区是不同的，分别含γ和μ链。

（三）铰链区铰链区（hinge region）位于C H1与C H2之间，含有丰富的脯氨酸，因此易伸展弯曲，能改变两个结合抗原的Y形臂之间的距离，有利于两臂同时结合两个不同的抗原表位。

铰链区易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等水解，产生不同的水解片段（见水解片段部分）。

五类Ig或亚类的铰链区不尽相同，例如人IgG1、IgG2、IgG4和IgA的铰链区较短，而IgG3和IgD的铰链区较长。

IgM和IgE无铰链区。

（四）结构域Ig分子的两条重链和两条轻链都可折叠为数个球形结构域（domain），每个结构域一般具有其相应的功能。

轻链有V L和C L两个结构域；IgG、IgA和IgD重链有V H、C H1、C H2和C H3四个结构域；IgM和IgE重链有五个结构域，比IgG多一个C H4。

这些结构域的功能虽不同，但其结构相似。

每个结构域约由110个氨基酸组成，其氨基酸的序列具有相似性或同源性，二级结构是由几股多肽链折叠形成的两个反向平行的β片层（anti-parallelβsheet），两个β片中心的两个半胱氨酸残基由一个链内二硫键垂直连接，可稳定结构域，形成一个“β桶状(βbarrel)”或“β三明治(β sandwich) ”结构（图4−4）。

这种折叠方式称为免疫球蛋白折叠（immunoglobulin folding）。

具有这类独特折叠结构的分子不仅有Ig，其它许多膜型和分泌型分子也含有该类结构，因此，这类分子被统称为免疫球蛋白超家族（immunoglobulin superfamily，IgSF）。

二、免疫球蛋白的其他成分Ig轻链和重链除上述基本结构外，某些类别的Ig还含有其他辅助成分，分别是J链和分泌片。

（一）J链J链（joining chain）是一富含半胱氨酸的多肽链（图4-5），由浆细胞合成，主要功能是将单体Ig分子连接为多聚体。

2个IgA单体由J链相互连接形成二聚体，5个IgM单体由二硫键相互连接，并通过二硫键与J链连接形成五聚体。

IgG、IgD和IgE常为单体，无J链。

（二）分泌片分泌片（secretory piece,SP）又称为分泌成分（secretory component, SC），是分泌型IgA分子上的一个辅助成分，为一种含糖的肽链，由黏膜上皮细胞合成和分泌，以非共价形式结合于IgA二聚体上，使其成为分泌型IgA（SIgA），并一起被分泌到黏膜表面。

分泌片具有保护分泌型IgA的铰链区免受蛋白水解酶降解的作用，并介导IgA二聚体从黏膜下通过黏膜等细胞到黏膜表面的转运。

三、免疫球蛋白的水解片段在一定条件下，免疫球蛋白分子肽链的某些部分易被蛋白酶水解为不同片段。

木瓜蛋白酶（papain）和胃蛋白酶（pepsin）是最常用的两种Ig蛋白水解酶，并可籍此研究Ig的结构和功能，分离和纯化特定的Ig多肽片段。

（一）木瓜蛋白酶水解片段木瓜蛋白酶水解IgG的部位是在铰链区二硫键连接的2条重链的近N端，可将Ig裂解为两个完全相同的Fab段和一个Fc段（图4−6）。

Fab段即抗原结合片段（fragment antigen binding, Fab）,相当于抗体分子的两个臂，由一条完整的轻链和重链的V H和C H1结构域组成。

一个Fab片段为单价，可与抗原结合但不形成凝集反应或沉淀反应； Fc段即可结晶片段（fragment crystallizable,Fc），相当于IgG 的C H2和C H3结构域。

Fc无抗原结合活性，是Ig与效应分子或细胞相互作用的部位。

4−6 图（二）胃蛋白酶水解片段胃蛋白酶作用于铰链区二硫键所连接的两条重链的近C端，水解Ig后可获片段和一些小片段pFc’ （图4−6）。

F(ab’)2是由两个Fab及铰链得一个F(ab’)2片段为双价，可同区组成，由于Ig分子的两个臂仍由二硫键连接，因此F(ab’)2时结合两个抗原表位，故与抗原结合可发生凝集反应和沉淀反应，而且，由于片段保留了结合相应抗原的生物学活性，又避免了Fc段免疫原性可能引F(ab’)2起的副作用，因而被广泛用作生物制品。

如白喉抗毒素、破伤风抗毒素经胃蛋白酶消化后精制提纯的制品，因去掉Fc段而降低发生超敏反应。

胃蛋白酶水解Ig 后所产生的pFc’最终被降解，无生物学作用。

第二节 免疫球蛋白的异质性尽管所有的免疫球蛋白分子在结构上均由V区和C区组成，但不同抗原甚至同一抗原刺激B细胞产生的免疫球蛋白，在其特异性以及类型等诸方面均不尽相同，呈现出明显的异质性（heterogeneity）。

免疫球蛋白的异质性可表现为：不同抗原表位刺激机体所产生的不同类型的免疫球蛋白分子，其识别抗原的特异性不同，其重链类别和轻链型别也有差异；不同抗原表位诱导的同一类型的免疫球蛋白（如IgG），其识别抗原的特异性不同。

导致免疫球蛋白异质性的因素包括内源性因素和外源性因素。

一、免疫球蛋白的类型（一）类（class）在同一种属的所有个体内，Ig重链C区所含抗原表位不同，据此可将重链分为γ、α、μ、δ、ε链5种，与此对应的Ig分为5类，即IgG、IgA、IgM、IgD和IgE。