免疫球蛋白的结构.doc

第一节 免疫球蛋白的结构 （The Structure of Immunoglobulin)
B淋巴细胞在抗原刺激下增殖分化为浆细胞，产生能与相应抗原发生特异性结合的免疫蛋白，这类免疫球蛋白被称为抗体（antibody, Ab）。
1937年，Tiselius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，其后又证明抗体的活性部分是在γ球蛋白部分。因此，相当长一段时间内，抗体又被称为γ球蛋白（丙种球蛋白）。
实际上，抗体的活性除γ球蛋白外，还存在于α和β球蛋白处。1968年和1972年的两次国际会议上，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）。
Ig是化学结构的概念，它包括正常的抗体球蛋白和一些未证实抗体活性的免疫球蛋白，如骨髓瘤病人血清中的M蛋白及尿中的本周氏（Bence Jones, BJ）蛋白等。
免疫球蛋白可分为分泌型（secreted Ig,SIg）和膜型（membrane Ig, mIg）。前者主要存在于血清及其他体液或外分泌液中，具有抗体的各种功能；后者是B细胞表面的抗原识别受体。
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图片 正常人血清电泳分离图 　

一 免疫球蛋白的基本结构 The basical structure of immunoglobulin

免疫球蛋白分子是由两条相同的重链（heavy chain，H链）和两条相同的轻链（light chain，L链）通过链间二硫键连接而成的四肽链结构。
X射线晶体结构分析发现，IgG分子由3个相同大小的节段组成，位于上端的两个臂由易弯曲的铰链区（hinge region）连接到主干上形成一个"Y"形分子，称为Ig分子的单体，是构成免疫球蛋白分子的基本单位。

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图片 免疫球蛋白分子的基本结构　

图片 IgG分子结构示意图

（一） 重链和轻链 　
免疫球蛋白重链的分子量约为50～75kD，由450～550个氨基酸残基组成。免疫球蛋白重链恒定区由于氨基酸的组成和排列顺序不同，故其抗原性也不同。
据此，可将免疫球蛋白分为五类，或称为免疫球蛋白的同种型（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。
不同的同种型具有不同的特征，包括链内二硫键的数目和位置、连接寡糖的数量、功能区(functional domain)的数目以及铰链区的长度等。
同一类Ig根据其铰链区氨基酸组成和重链二硫键的数目和位置的差别，又可分为不同的亚类。如IgG可分为IgG1～IgG4；IgA可分为IgA1和IgA2。IgM、IgD和IgE尚未发现有亚类。 免疫球蛋白轻链的分子量约25 kD，由214个氨基酸残基构成。轻链可分为两型，即κ(kappa)型和λ(lambda)型，一个天然Ig分子上两条轻链的型别总是相同的。
五类Ig中每类Ig都可以有κ链或λ链，两型轻链的功能无差异。不同种属中，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。
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图片 五类免疫球蛋白结构示意图

　　（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，称为可变区（variable region,V区），而靠近C端的其余氨基酸序列相对稳定，称为恒定区(constant region, C区)。
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图片免疫球蛋白的可变区与恒定区

１. 可变区
重链和轻链的V区分别称为VH和VL。
比较许多不同抗体V区的氨基酸序列，发现VH和VL各有三个区域的氨基酸组成和排列顺序特别易变化，这些区域称为高变区（hypervariable region，HVR），分别用HVR1、HVR2和HVR3表示，一般HVR3变化程度更高。
VL的三个高变区分别位于28～35、49～56和91～98位氨基酸；VH的三个高变区分别位于29～31、49～58和95～102位氨基酸。高变区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），VH或VL各有四个骨架区，分别用FR1、FR2、FR3和FR4表示。
VH和VL的三个高变区共同组成Ig的抗原结合部位（antigen-binding site），该部位形成一个与抗原决定簇互补的表面，故高变区又被称为互补性决定区（complementarity-determining region，CDR），分别用CDR1、CDR2和CDR3表示。不同的抗体其CDR序列不相同，并因此决定抗体的特异性。
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图片 抗体的互补决定区与抗原表位结合示意图

　 2. 恒定区
重链和轻链的C区分别称为CH和CL。
不同类Ig重链CH长度不一，有的包括CH1、CH2和CH3；有的更长，包括CH1、CH2、CH3和CH4。同一种属动物中，同一类别Ig分子其C区氨基酸的组成和排列顺序比较恒定。
例如：针对不同抗原的人IgG抗体，它们的V区不相同，只能与相应的抗原发生特异性结合，但其C区的抗原性是相同的，应用抗人IgG抗体（第二抗体），均能与不同人的IgG结合。
3.铰链区
铰链区位于CH1与CH2之间，含有丰富的脯氨酸，因此易伸展弯曲，而且易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等水解。
铰链区连接抗体的Fab段和Fc段，使两个Fab段易于移动和弯曲，从而可与不同距离的抗原部位结合。
五类Ig或亚类的铰链区不尽相同，例如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。
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图片 免疫球蛋白铰链区的结构及其功能　

二 免疫球蛋白的功能区： The domain of immunoglobulin

　　Ig分子的每条肽链可折叠为几个球形的功能区，或称结构域，这些功能区的功能虽不同，但其结构相似。每个功能区约由110个氨基酸组成，其氨基酸的序列具有相似性或同源性。免疫球蛋白的每个功能区的二级结构是由几股多肽链折叠一起形成的两个反向平行的β片层（ anti-parallel β sheet），例如CL的两个β片层分别为4股与3股，VL为5股与4股。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，具有稳定功能区的作用，因而形成一个“β桶状(β barrel)”或“β三明治 (β sandwich)”的结构。免疫球蛋白肽链的这种折叠方式称为免疫球蛋白折叠（immunoglobulin folding）。轻链有VL和CL两个功能区；IgG、IgA和IgD重链有VH、CH1、CH2和CH3四个功能区；IgM和IgE重链有五个功能区，比IgG多一个CH4。功能区的作用为：①VH和VL是结合抗原的部位，其中HVR（CDR）是V区中与抗原表位互补结合的部位；②CH和CL上具有部分同种异型（allotype）的遗传标志；③IgG的CH2和IgM的CH3具有补体C1q结合位点，可启动补体活化经典途径；④IgG可通过胎盘；⑤IgG的CH3可与单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、B细胞和NK细胞表面的IgG Fc受体（FcγR）结合，IgE的CH2和CH3可与肥大细胞和嗜碱性粒细胞的IgE Fc受体（FcεR）结合。
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图片 Ig轻链V区和C区结构与折叠 　

　图片3-1-9 免疫球蛋白的功能区

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的部位是在铰链区二硫键连接的2条重链的近N端，裂解后可得到三个片段：
① 2个相同的Fab段即抗原结合片段（fragment antigen binding, Fab）,相当于抗体分子的两个臂，每个Fab段由一条完整的轻链和重链的VH和CH1功能区组成。Fab段为单价，与抗原结合后，不能形成凝集反应或沉淀反应；
② 1个Fc段（fragment crystallizable,Fc），即可结晶片段。Fc段相当于IgG 的CH2和CH3功能区，无抗原结合活性，是抗体分子与效应分子和细胞相互作用的部位。Ig同种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）在铰链区连接重链的二硫键近C端水解IgG，获得一个F(ab')2片段，由于抗体分子的两个臂仍由二硫键连接，因此F(ab')2片段为双价，与抗原结合可发生凝集反应和沉淀反应。
Ig的Fc段被胃蛋白酶裂解为若干小分子片段，被称为pFc'，失去生物学活性。 胃蛋白酶水解IgG后的F(ab')2片段，保留了结合相应抗原的生物学活性，又避免了Fc段抗原性可能引起的副作用，因而作为生物制品有较大的实际应用价值，例如白喉抗毒素、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段而减缓发生超敏反应。
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图片 免疫球蛋白水解片段　　

四 J链和分泌片： Joining chain and secretory piece

　　（一）J链 J链（joining chain）是一条多肽链，富含半胱氨酸，由浆细胞合成。J链可连接Ig 单体形成二聚体、五聚体或多聚体。两个单体IgA由J链连接形成二聚体，五个单体IgM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、IgE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，由粘膜上皮细胞合成和分泌，以非共价形式结合到二聚体上，并一起被分泌到粘膜表面。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二聚体从粘膜下通过粘膜等细胞到粘膜表面的转运。
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图片 IgM和SIgA结构示意图