免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)

1、B淋巴細(xì)胞在抗原刺激下增殖分化為漿細(xì)胞，產(chǎn)生能與相應(yīng)抗原發(fā)生特異性結(jié)合的免疫蛋白，這類免疫球蛋白被稱為抗體（antibody, Ab）。 1937年，Tiselius用電泳方法將血清蛋白分為白蛋白、1、2、及球蛋白等組分，其后又證明抗體的活性部分是在球蛋白部分。因此，相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，抗體又被稱為球蛋白（丙種球蛋白）。實(shí)際上，抗體的活性除球蛋白外，還存在于和球蛋白處。1968年和1972年的兩次國際會(huì)議上，將具有抗體活性或化學(xué)結(jié)構(gòu)與抗體相似的球蛋白統(tǒng)一命名為免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）。Ig是化學(xué)結(jié)構(gòu)的概念，它包括正常的抗體球蛋白和一些未證實(shí)抗體活性的免疫球蛋白，如骨髓瘤病

2、人血清中的M蛋白及尿中的本周氏（Bence Jones, BJ）蛋白等。免疫球蛋白可分為分泌型（secreted Ig,SIg）和膜型（membrane Ig, mIg）。前者主要存在于血清及其他體液或外分泌液中，具有抗體的各種功能；后者是B細(xì)胞表面的抗原識(shí)別受體。相關(guān)素材圖片 正常人血清電泳分離圖 一 免疫球蛋白的基本結(jié)構(gòu) The basical structure of immunoglobulin 免疫球蛋白分子是由兩條相同的重鏈（heavy chain，H鏈）和兩條相同的輕鏈（light chain，L鏈）通過鏈間二硫鍵連接而成的四肽鏈結(jié)構(gòu)。X射線晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，IgG分子由3個(gè)相同

3、大小的節(jié)段組成，位于上端的兩個(gè)臂由易彎曲的鉸鏈區(qū)（hinge region）連接到主干上形成一個(gè)"Y"形分子，稱為Ig分子的單體，是構(gòu)成免疫球蛋白分子的基本單位。相關(guān)素材圖片 免疫球蛋白分子的基本結(jié)構(gòu)圖片IgG分子結(jié)構(gòu)示意圖（一） 重鏈和輕鏈 免疫球蛋白重鏈的分子量約為5075kD，由450550個(gè)氨基酸殘基組成。免疫球蛋白重鏈恒定區(qū)由于氨基酸的組成和排列順序不同，故其抗原性也不同。據(jù)此，可將免疫球蛋白分為五類，或稱為免疫球蛋白的同種型（isotype），即IgM、IgD、IgG、IgA和IgE，其相應(yīng)的重鏈分別為鏈、鏈、鏈、鏈和鏈。不同的同種型具有不同的特征，包括鏈內(nèi)二硫

4、鍵的數(shù)目和位置、連接寡糖的數(shù)量、功能區(qū)(functional domain)的數(shù)目以及鉸鏈區(qū)的長度等。同一類Ig根據(jù)其鉸鏈區(qū)氨基酸組成和重鏈二硫鍵的數(shù)目和位置的差別，又可分為不同的亞類。如IgG可分為IgG1IgG4；IgA可分為IgA1和IgA2。IgM、IgD和IgE尚未發(fā)現(xiàn)有亞類。 免疫球蛋白輕鏈的分子量約25 kD，由214個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。輕鏈可分為兩型，即(kappa)型和(lambda)型，一個(gè)天然Ig分子上兩條輕鏈的型別總是相同的。五類Ig中每類Ig都可以有鏈或鏈，兩型輕鏈的功能無差異。不同種屬中，兩型輕鏈的比例不同，正常人血清免疫球蛋白:約為2:1，而在小鼠則為20:1。:比

5、例的異常可能反映免疫系統(tǒng)的異常，例如人類免疫球蛋白鏈過多，提示可能有產(chǎn)生鏈的B細(xì)胞腫瘤。根據(jù)鏈恒定區(qū)個(gè)別氨基酸的差異，又可分為1、2、3和4 四個(gè)亞型。相關(guān)素材圖片五類免疫球蛋白結(jié)構(gòu)示意圖 （二）可變區(qū)和恒定區(qū) 通過分析不同免疫球蛋白重鏈和輕鏈的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)重鏈和輕鏈靠近N端的約110個(gè)氨基酸的序列變化很大，稱為可變區(qū)（variable region,V區(qū)），而靠近C端的其余氨基酸序列相對穩(wěn)定，稱為恒定區(qū)(constant region, C區(qū))。 相關(guān)素材圖片免疫球蛋白的可變區(qū)與恒定區(qū). 可變區(qū) 重鏈和輕鏈的V區(qū)分別稱為VH和VL。比較許多不同抗體V區(qū)的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)VH和VL各有三個(gè)

6、區(qū)域的氨基酸組成和排列順序特別易變化，這些區(qū)域稱為高變區(qū)（hypervariable region，HVR），分別用HVR1、HVR2和HVR3表示，一般HVR3變化程度更高。VL的三個(gè)高變區(qū)分別位于2835、4956和9198位氨基酸；VH的三個(gè)高變區(qū)分別位于2931、4958和95102位氨基酸。高變區(qū)之外區(qū)域的氨基酸組成和排列順序相對不易變化，稱為骨架區(qū)（framework region,FR），VH或VL各有四個(gè)骨架區(qū)，分別用FR1、FR2、FR3和FR4表示。 VH和VL的三個(gè)高變區(qū)共同組成Ig的抗原結(jié)合部位（antigen-binding site），該部位形成一個(gè)與抗原決定簇互補(bǔ)

7、的表面，故高變區(qū)又被稱為互補(bǔ)性決定區(qū)（complementarity-determining region，CDR），分別用CDR1、CDR2和CDR3表示。不同的抗體其CDR序列不相同，并因此決定抗體的特異性。 相關(guān)素材圖片抗體的互補(bǔ)決定區(qū)與抗原表位結(jié)合示意圖 2. 恒定區(qū) 重鏈和輕鏈的C區(qū)分別稱為CH和CL。不同類Ig重鏈CH長度不一，有的包括CH1、CH2和CH3；有的更長，包括CH1、CH2、CH3和CH4。同一種屬動(dòng)物中，同一類別Ig分子其C區(qū)氨基酸的組成和排列順序比較恒定。例如：針對不同抗原的人IgG抗體，它們的V區(qū)不相同，只能與相應(yīng)的抗原發(fā)生特異性結(jié)合，但其C區(qū)的抗原性是相同的，

8、應(yīng)用抗人IgG抗體（第二抗體），均能與不同人的IgG結(jié)合。3.鉸鏈區(qū) 鉸鏈區(qū)位于CH1與CH2之間，含有豐富的脯氨酸，因此易伸展彎曲，而且易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等水解。鉸鏈區(qū)連接抗體的Fab段和Fc段，使兩個(gè)Fab段易于移動(dòng)和彎曲，從而可與不同距離的抗原部位結(jié)合。 五類Ig或亞類的鉸鏈區(qū)不盡相同，例如IgG1、IgG2、IgG4和IgA的鉸鏈區(qū)較短，而IgG3和IgD的鉸鏈區(qū)較長。IgM和IgE無鉸鏈區(qū)。 相關(guān)素材圖片免疫球蛋白鉸鏈區(qū)的結(jié)構(gòu)及其功能二 免疫球蛋白的功能區(qū)： The domain of immunoglobulin Ig分子的每條肽鏈可折疊為幾個(gè)球形的功能區(qū)，或稱結(jié)構(gòu)域，這些功

9、能區(qū)的功能雖不同，但其結(jié)構(gòu)相似。每個(gè)功能區(qū)約由110個(gè)氨基酸組成，其氨基酸的序列具有相似性或同源性。免疫球蛋白的每個(gè)功能區(qū)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是由幾股多肽鏈折疊一起形成的兩個(gè)反向平行的片層（ anti-parallel sheet），例如CL的兩個(gè)片層分別為4股與3股，VL為5股與4股。兩個(gè)片中心的兩個(gè)半胱氨酸殘基由一個(gè)鏈內(nèi)二硫鍵垂直連接，具有穩(wěn)定功能區(qū)的作用，因而形成一個(gè)“桶狀( barrel)”或“三明治 ( sandwich)”的結(jié)構(gòu)。免疫球蛋白肽鏈的這種折疊方式稱為免疫球蛋白折疊（immunoglobulin folding）。輕鏈有VL和CL兩個(gè)功能區(qū)；IgG、IgA和IgD重鏈有VH、CH1

10、、CH2和CH3四個(gè)功能區(qū)；IgM和IgE重鏈有五個(gè)功能區(qū)，比IgG多一個(gè)CH4。功能區(qū)的作用為：VH和VL是結(jié)合抗原的部位，其中HVR（CDR）是V區(qū)中與抗原表位互補(bǔ)結(jié)合的部位；CH和CL上具有部分同種異型（allotype）的遺傳標(biāo)志；IgG的CH2和IgM的CH3具有補(bǔ)體C1q結(jié)合位點(diǎn)，可啟動(dòng)補(bǔ)體活化經(jīng)典途徑；IgG可通過胎盤；IgG的CH3可與單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、B細(xì)胞和NK細(xì)胞表面的IgG Fc受體（FcR）結(jié)合，IgE的CH2和CH3可與肥大細(xì)胞和嗜堿性粒細(xì)胞的IgE Fc受體（FcR）結(jié)合。相關(guān)素材圖片Ig輕鏈V區(qū)和C區(qū)結(jié)構(gòu)與折疊 圖片3-1-9 免疫球蛋白的功能區(qū)

11、三 免疫球蛋白的水解片段： The hydrolyzed fragment of immunglobulin （一）木瓜蛋白酶水解片段 木瓜蛋白酶（papain）水解IgG的部位是在鉸鏈區(qū)二硫鍵連接的2條重鏈的近N端，裂解后可得到三個(gè)片段： 2個(gè)相同的Fab段即抗原結(jié)合片段（fragment antigen binding, Fab）,相當(dāng)于抗體分子的兩個(gè)臂，每個(gè)Fab段由一條完整的輕鏈和重鏈的VH和CH1功能區(qū)組成。Fab段為單價(jià)，與抗原結(jié)合后，不能形成凝集反應(yīng)或沉淀反應(yīng)； 1個(gè)Fc段（fragment crystallizable,Fc），即可結(jié)晶片段。Fc段相當(dāng)于IgG 的CH2和CH3

12、功能區(qū)，無抗原結(jié)合活性，是抗體分子與效應(yīng)分子和細(xì)胞相互作用的部位。Ig同種型的抗原性主要存在于Fc段。 （二） 胃蛋白酶水解片段 胃蛋白酶（pepsin）在鉸鏈區(qū)連接重鏈的二硫鍵近C端水解IgG，獲得一個(gè)F(ab')2片段，由于抗體分子的兩個(gè)臂仍由二硫鍵連接，因此F(ab')2片段為雙價(jià)，與抗原結(jié)合可發(fā)生凝集反應(yīng)和沉淀反應(yīng)。Ig的Fc段被胃蛋白酶裂解為若干小分子片段，被稱為pFc'，失去生物學(xué)活性。 胃蛋白酶水解IgG后的F(ab')2片段，保留了結(jié)合相應(yīng)抗原的生物學(xué)活性，又避免了Fc段抗原性可能引起的副作用，因而作為生物制品有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，例如白喉抗毒素、破傷風(fēng)抗毒素經(jīng)胃蛋白酶消化后精制提純的制品，因去掉Fc段而減緩發(fā)生超敏反應(yīng)。相關(guān)素材圖片免疫球蛋白水解片段四 J鏈和分泌片： Joining chain and secretory piece （一）J鏈 J鏈（joining chain）是一條多肽鏈，富含半胱氨酸，由漿細(xì)胞合成。J鏈可連接Ig 單體形成二聚體、五聚體或多聚體。兩個(gè)單體IgA由J鏈連接形成二聚體，五個(gè)單體IgM由二硫鍵相互連接，并通過二硫鍵與J鏈連接形成五聚體。IgG、IgD、IgE為單體，無J鏈。 （二）分泌片