1、医学免疫学免疫球蛋白分子的结构与功能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
2、易从患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。不同的H链由于氨基酸组成的排列顺序、二硫键
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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（betapleated 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
9、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
10、数目不等，1、2、1、2和4链的铰链区较短，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和五聚体Ig
11、M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链组成的基本结构，如IgG、IgD、IgE血清型IgA
12、。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(secretor
13、y 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，frag
14、ment 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
15、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 Ig酶水解片段示意图二、免疫球蛋白分子的功能Ig是体液免疫应答中发挥免疫功能最主要的免疫分子，免疫球蛋白所具有的功能是由其分子中不同功
16、能区的特点所决定的。（一）特异性结合抗原Ig最显著的生物学特点是能够特异性地与相应的抗原结合，如细菌、病毒、寄生虫、某些药物或侵入机体的其他异物。Ig的这种特异性结合抗原特性是由其V区（尤其是V区中的高变区）的空间构成所决定的。Ig的抗原结合点由L链和H链超变区组成，与相应抗原上的表位互补，借助静电力、氢键以及范德华力等次级键相结合，这种结合是可逆的，并受到pH、温度和电解浓度的影响。在某些情况下，由于不同抗原分子上有相同的抗原决定簇，或有相似的抗原决定簇，一种抗体可与两种以上的抗原发生反应，此称为交叉反应（cross reaction）。抗体分子可有单体、双体和五聚体，因此结合抗原决定簇的数
17、目（结合价）也不相同。Fab段为单价，不能产生凝集反应和沉淀反应。F（ab）2和单体Ig（如IgG、IgD、IgE）为双价。双体分泌型IgA有4价。五聚体IgM理论上应为10价，但实际上由于立体构型的空间位阻，一般只有5个结合点可结合抗原。B细胞表面Ig(SmIg)是特异性识别抗原的受体，成熟B细胞主要表达SmIgM和SmIgD，同一B细胞克隆表达不同类SmIg其识别抗原的特异性是相同的。（二）活化补体1IgM、IgG1、IgG2和IgG3可通过经典途径活化补体。当抗体与相应抗原结合后，IgG的CH2和IgM的CH3暴露出结合C lq的补体结合点，开始活化补体。由于Clq6个亚单位中一般需要2
18、个C端的球与补体结合点结合后才能依次活化Clr和Cls，因此IgG活化补体需要一定的浓度，以保证两个相邻的IgG单体同时与1个Clq分子的两个亚单位结合。当Clq一个C端球部结合IgG时亲和力则很低，Kd为10-4M，当Clq两个或两个以上球部结合两个或多个IgG分时，亲合力增高Kd为10-8M。IgG与Clq结合点位于CH2功能区中最后一个折叠股318322位氨基酸残基（Glu-x-Lys-x-Lys）。IgM倍以上。人类天然的抗A和抗B血型抗体为IgM，血型不符合引韦的输血反应发生快而且严重。2凝聚的IgA、IgG4和IgE等可通过替代途径活化补体。（三）结合Fc受体不同细胞表面具有不同I
19、g的Fc受体，分别用FcR、FcR、FcR等来表示。当Ig与相应抗原结合后，由于构型的改变，其Fc段可与具有相应受体的细胞结合。IgE抗体由于其Fc段结构特点，可在游离情况下与有相应受体的细胞（如嗜碱性粒细胞、肥大细胞）结合，称为亲细胞抗体（cytophilic antibody）。抗体与Fc受体结合可发挥不同的生物学作用。1介导I型变态反应变应原刺激机体产生的IgE可与嗜碱性粒细胞、肥大细胞表面IgE高亲力受体细胞脱颗粒，释放组胺，合成由细胞FcRI结合。当相同的变应原再次进入机体时，可与已固定在细胞膜上的IgE结合，刺激细胞脱颗粒，释放组受，合成由细胞脂质来源的介质如白三烯、前列腺素、血小
20、板活化因子等，引起型变态反应。2调理吞噬作用 调理作用（opsonization）是指抗体、补体C3b、C4b等调理素(opsonin)促进吞噬细菌等颗粒性抗原。由于补体对热不稳定，因此又称为热不稳定调理素（heat-labile opsonin）。抗体又称热稳定调理素（heat-stable opsonin）。补体与抗体同时发挥调理吞噬作用，称为联合调理作用。中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞具有高亲和力或低亲和力的FcRI（CD64）和FcR（CD32），IgG尤其是人IgG1和IgG3亚类对于调理吞噬起主要作用。嗜酸性粒细胞具有亲和力FcR，IgE与相应抗原结合后可促进嗜酸性粒细胞的吞噬作用
21、。抗体的调理机制一般认为是：抗体在抗原颗粒和吞噬细胞之间“搭桥”，从而加强了吞噬细胞的吞噬作用；抗体与相应颗粒性抗原结合后，改变抗原表面电荷，降低吞噬细胞与抗原之间的静电斥力；抗体可中和某些细菌表面的抗吞噬物质如肺炎双球菌的荚膜，使吞噬细胞易于吞噬；吞噬细胞FcR结合抗原抗体复合物，吞噬细胞可被活化。图2-9 抗体的调理吞噬作用3发挥抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用 当IgG抗体与带有相应抗原的靶细胞结合后，可与有FcR的中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞、NK细胞等效应细胞结合，发挥抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用（antibodydependent cell-mediated cytotoxici
22、ty,ADCC）。目前已知。NK细胞发挥ADCC效应主要是通过其膜表面低亲和力FcR（CD16）所介导的，IgG不仅起到连接靶细胞和效应细胞的作用，同时还刺激NK细胞合成和分泌肿瘤坏死因子和干扰素等细胞因子，并释放颗粒，溶解靶细胞。嗜酸性粒细胞发挥ADCC作用是通过其FcR和FcR介导的，嗜酸性粒细胞可脱颗粒释放碱性蛋白等，在杀伤寄生虫如蠕虫中发挥重要作用。图2-10 抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用（ADCC）此外，人IgGFc段能非特异地与葡萄菌A蛋白（staphylococcus proteinA,SPA)结合，应用SPA可纯化IgG等抗体，或代替第二抗体用于标记技术。（四）通过胎盘在人类
23、，IgG是唯一可通过胎盘从母体转移给胎儿的Ig。IgG能选择性地与胎盘母体一侧的滋养层细胞结合，转移到滋养层细胞的吞饮泡内，并主动外排到胎儿血循环中。IgG的这种功能与IgGFc片段结构有关，如切除Fc段后所剩余的Fab并不能通过胎盘。IgG通过胎盘的作用是一种重要的自然被动免疫，对于新生儿抗感染有重要作用。三、免疫球蛋白分子的抗原性Ig本身具有抗原性，将Ig作为免疫原免疫异种动物、同种异体或在自身体内可引起不同程度的免疫性。根据IgI不同抗原决定簇存在的不同部位以及在异种、同种异体或自体中产生免疫反应的差别，可把Ig的抗原性分为同种型、同种异型和独特型第三种不同抗原决定簇。（一）同种型同种型
24、（isotype）是指同一种属内所有个体共有的Ig抗原特异性的标记，要异种体内可诱导产生相应的抗体，换句话说，同种型抗原特异性因种属（specics）而异。同种型的抗原性位于CH和CLH ，同种型主要包括Ig的类、亚类，型和亚型。1免疫球蛋的类和亚类（classes and subclasses）(1)类：决定Ig不同类的抗原性差异存在于H链的恒定区（CH）。根据CH抗原性的差异（即氨基酸组成、排列、构型、二硫键等不同）H链可分为、和五类，不同H链与L链组成完整Ig的分子别为IgM、IgA、IgD和IgE。在基因水平上，不同类的H链恒定区的是由不同的恒定区基因片段所编码。不同类Ig在理化性质及
25、生物学功能上可有较大差异。（2）亚类：同一类Ig中由于铰链区氨基酸组成和二硫键数目的差异，可分为不同的亚类，亚类间抗原性的差异要小于不同类之间的差异。目前已发现人的重链有1和2两个亚类，分别与L链组成IgA1和IgA2。重链有4个亚类，但命名为IgG1、IgG2a、IgG2b和IgG3。IgM、IgD和IgG，目前尚未发现存在不同的亚类。Ig不同亚类也是由不同的恒定区基因片段编码。2免疫球蛋白的型和亚型（types and subtypes）（1）型：决定Ig型的抗原性差异存在于L链的恒定区（CL），根据CL抗原性的差异（氨基酸的组成、排列和构型的不同）分为和轻链之比约为2：1；而在小鼠，97
26、%轻链为型，型只占3%左右。（2）亚型：根据轻链恒定区（C2）个别氨基酸的差异又可分1、2、3和4四个亚型。1和2在轻链190位氨基酸的分别为亮氨酸和精氨酸，3和4在第154氨基酸分别为某氨酸和丝氨酸。（二）同种异型同种异型（allotype）是指同一种属不同个体间的Ig分子抗原性的不同，在同种异体间免疫可诱导免疫反应。同种异型抗原性的差别往往只有一个或几个氨基酸残基的不同，可能是由于编码Ig的结构基因发生点突变所致，并被稳定地遗传下来，因此Ig同种异型可作为一种遗传标记（genetic markers），这种标记主要分布在CH和CL上。1链上的同种异型 1、23和4重链上均存在有同种异型标记
27、，目前已发现：Glma、x、f、z；G2mn;G3mgl、g5、b0、b1、b3、b4、b5、c3、c5、s、t、u、v；G4m4a、4b。共20种左右。其中G表示链，1、2、3或4表示亚类1、2、3和4，m代表标记（marker）。除Glmf和z位于IgG1分子的C1区外，其余的Gm均位于Fc部位。一条链可能同时具有一个以上的Gm标志，如白种人常常在1H链C1区有G1mz,Fc部位有G1ma。由于人第14号染色体编码四种IgG亚类的C区基因C1、C2、C3和C4是密切连锁的，因此IgGH链各亚类Gm标记可作为间倍体（haplotype）遗传给子代。2链上的同种异型 2H链已发现有A2m1和A
28、2m2两种。A2m1在411、428、458和467位氨酸上分别为苯丙氨酸、天冬氨酸、亮氨酸、缬氨酸；A2m2则分别为苏氨酸、谷氨酸、异亮氨酸和丙氨酸。1H链上尚未发现有同种异型存在。3链上的同种异型目前只发现Em1一种同种异型。4链上的同种异型 旧称为Inv,现分为Km1、2和3。Km1在153位和191位氨基酸上分别为缬氨酸和亮氨酸，Km2分别为丙氨酸和亮氨酸，Km3分别为丙氨和缬氨酸。轻链上尚未发现有同种异型。（三）独特型独特型（idiotype）为每一种特异性IgV区上的抗原特异性。不同抗体形成细胞克隆所产生的IgV区具有与其客观存在抗体V区不同的抗原性，这是由可变区中成其是超变区的氨
29、基酸组成、排列和构型所决定的。所以，在单一个体内所存在的独特型数量相当大，可达107以上。独特型的抗原决定簇称为独特位（idiotope）,可在异种、同种异体以及自身体内诱产生相应在的抗体，称为抗独特型抗体（antiidiotypic antibody,I d），独特型和抗独型抗体可形成复杂的免疫调节中占有得要地位。表2-1 人免疫球蛋白分子上抗原决定簇的分类分类抗原性存在部位举例同种型类 亚类型亚型CH CHCLCL()IgM、IgG、IgA、IgD、IgE IgG1-4,IgA1、2、1、2、3、4同种异型CH(1) (2)(3)(4)CH(2)CH（）CL（）G1ma(1)、x(2)、f
30、(3)、z(17) G2m n(23)G3mb1(5)、c3(6)、b5(10)、b0、(11)b3(13)、b4(14)、s(15)、t(16)、g1(21)、c5(24)、u(26)、v(27)、g1(28)G4m 4a(1)、4b(1)A2m1、2Em1Km1、2、3独特型VHVL 极多注：14同种异型的命名中，WHO1976年建议采用阿拉数字代号，但目前许多专业实验室仍沿用小写英文字母，在本表中将链同种异型阿拉伯数字代号列于相应英文字母代号后的括号中四、免疫球蛋白分子的超家族应用DNA序列分析和X晶体衍射分析等研究表明，许多细胞膜表面和机体某些蛋白质分子，其多肽链折叠方式与Ig折叠相似
31、，在DNA水平和氨基酸序列上与IgV区或C区有较高的同源性，它们可能从同一原始祖先基因（primodial ancestral gene）经复制和突变衍生而来。编码这些多肽链的基因称为免疫球蛋白基因超家族（immunoglobulin gene superfamily）,这一基因超家族所编码的产物称为免疫球蛋白超家族（immunogloblin superfamily,IGSF）。（一）免疫球蛋白超家族的组成由于细胞表面标记、单克隆抗体以及基因工程研究的进展，近年来发现属于IGSF的成员已达近百种，主要包括T细胞、B细胞抗原识别受体和信号传导分子，MHC及相关分子，Ig受体，某些细胞因子受体，神经系统功能相关分子，以及部分白细胞分化抗原（CD）（表2-2）。表2-2 免疫球蛋白超家族的组成（成员举例）主要功能成员抗原识别受体和信号传导分子IgH链：、
