Antygeny i immunoglobuliny (przeciwciała)

Antygen – substancja posiadająca następujące dwie cechy:

1. Zdolność wywołania swoistej odpowiedzi immunologicznej w ustroju (przeciwciała i uczulone limfocyty)

2. Zdolność do swoistej reakcji z produktem odpowiedzi immunologicznej

Antygeny:

Immunogeny – antygeny, które wywołują odpowiedź

Alergeny – antygeny powodujące stan alergiczny

Tolerogeny – antygeny wywołujące tolerancję immunologiczną

Hapteny – antygeny, które nie są immunogenne, a posiadają jedynie zdolność reakcji z przeciwciałami albo uczulonymi limfocytami. Hapten staje się immunogenny po połączeniu z nośnikiem, którym może być cząsteczka białka lub cukru, pod warunkiem, że sama jest immunogenem.

Haptenami mogą być:

1. Niektóre leki – aspiryna, penicylina, sulfonamidy)

2. Pojedyncze atomy pierwiastków metali ciężkich, np. chromu, żelaza

3. Lipidy, np. lipopolisacharydy

4. DNA, RNA

Determinanty antygenowe (epitopy)

Fragmenty antygenów przeciwko, którym kierowane są przeciwciała powstające pod wpływem antygenu, są to także miejsca rozpoznawane przez receptory limfocytów T.

Antygen stanowi więc nośnik determinant, które zajmują jedynie niewielką jej część, a oddzielone nie są immunogenne (hapteny – izolowane determinanty antygenowe).

Liczba determinant zależy od wielkości cząsteczki antygenu. Część determinant znajduje się na powierzchni antygenu (charakteryzują jej wartościowość), część wewnątrz antygenu – tzw. determinanty ukryte. Determinanty określonego antygenu mogą być całkowicie odmienne lub część z nich może się powtarzać (szczególnie w przypadku antygenów wielodeterminantowych) Antygeny T-niezależne mają wiele identycznych determinant.

Antygen wielodeterminantowy może posiadać określoną liczbę identycznych chemicznie determinant lub kilka różnych, z których każda indukuje powstanie swoistych dla niej przeciwciał. Większość antygenów posiada tzw. determinanty immunodominacyjne, przeciwko którym skierowana jest głównie odpowiedź

Determinanty antygenu białkowego;

1. Determinanty złożone z szeregu kolejnych aminokwasów jednej nici polipeptydowej (determinanty sekwencyjne) lub powstałe w wyniku przyłączenia haptenu w określonym miejscu łańcucha; rozpoznawane są przez limfocyty T i B

2. Determinanty przestrzenne utworzone przez kilka aminokwasów znajdujących się blisko siebie, ale nie ułożonych kolejno i niekoniecznie na jednym łańcuchu; rozpoznawane jedynie przez limfocty B

Ryc. 1 Determinanty sekwencyjne i przestrzenne [wg Ptak W., Ptak M., Szczepanik M., Podstawy immunologii, PZWL, Warszawa, 2008]

Immunogenność antygenu – zdolność wywołania przez niego odpowiedzi immunologicznej.

Immunogenność uwarunkowana jest czynnikami związanymi z samym antygenem, jak i ustrojem do którego wnika:

1. Antygen musi zawierać determinanty antygenowe normalnie niewystępujące w ustroju uodpornionym (muszą być rozpoznawane jako obce). Autoantygeny nie są w warunkach prawidłowych innunogenne

2. Cząstka antygenu musi mieć odpowiednią wielkość. Antygeny komórkowe (bakterie, wirusy) są z reguły silniej immunogenne od mniejszych antygenów rozpuszczalnych (np. białko obcogatunkowej surowicy). Wyższą immunogenność posiadają białka o dużej masie cząsteczkowej (> 100 kDa). Hapteny wywołują odpowiedź immunologiczną dopiero wtedy, gdy zostaną przyłączone do immunogennej cząsteczki nośnika np. obcego białka.

3. Immunogenność antygenu u określonego osobnika zależy od indywidualnych i gatunkowych czynników genetycznych

4. Dawka antygenu, sposób, czas i droga podania oraz szybki katabolizm mogą znacznie modyfikować właściwości immunogenne. Jeden antygen w zależności od różnych wartości tych parametrów może wywołać odpowiedź humoralną, komórkową tolerancję lub wszystkie trzy odpowiedzi równocześnie

Podział antygenów

Zależnie od budowy chemicznej – białka, lipidy, polisacharydy itp.

Zależnie od struktury – komórkowe, molekularne

Zależnie od pochodzenia – bakteryjne, roślinne, inne

Zależnie od lokalizacji – endogenne i egzogenne

Antygeny homologiczne – antygeny, których użyto do uodparniania i przeciwko nim zostały wytworzone przeciwciała

Antygeny heterologiczne – antygeny inne niż te którymi przeprowadzano uodpornienie

Większość antygenów to białka. Antygeny polisacharydowe warunkują np. grupę krwi. Lipidy są zazwyczaj nie immunogenne lub słabo immunogenne – mogą jednak stanowić determinanty antygenów złożonych, np. lipopolisacharydowych

Antygeny T-niezależne – antygeny, które mogą bezpośredni indukować produkcje przeciwciał. Wytworzona przez nie odpowiedź humoralna polega głównie na wytwarzaniu przeciwciał IgM. Większość nie wywołuje odpowiedzi komórkowej. Antygeny T-niezależne zwiększające w sposób nieswoisty proliferację limfocytów B określane są TI-1, zaś te, które nie działają mitogennie – TI-2.

Antygeny T-zależne – wymagają pośrednictwa limfocytów T

Immunoglobuliny

NRIg – nadrodzina immunoglobulin (NRlg) – grupa kilkuset białek, o wspólnej budowie

Do nadrodziny należą:

1. receptory antygenowe limfocytów B i T

2. antygeny MHC klasy I i II

3. liczne receptory adhezyjne (CD2, LFA-2, ICAM

4. antygeny różnicowania CD4 i CD8 oraz CD3

5. niektóre receptory dla interleukin (np. IL-1 R, IL-6R)

6. receptory dla fragmentu Fc immunoglobulin (FcR)

Najprostszym przedstawicielem nadrodziny immunoglobulin jest β₂-mikroglobulina (składnik antygenów MHC klasy I), najbardziej skomplikowa­nymi – cząsteczki immunoglobulin i receptory limfocytów T.

Budowa immunoglobulin

Immunoglobuliny (lub globuliny odpornościowe) – grupa białek surowicy powstających pod wpływem działania immunogenu i mających zdolność swoistego łączenia się z nim. Immunoglobuliny są cząstkami efektorowymi (wyko­nawczymi) odporności humoralnej. Powstają w limfocytach B i komórkach plazmatycznych. Spotyka się zarówno immunoglobuliny wolne, które znajdują się w układzie krążenia, jak i wbudowane w błonę limfocytów B, stanowiące ich receptory.

Różnica między immunoglobuliną, a przeciwciałem – immunoglobuliny są klasą białek o podobnej budowie i funkcji – termin ogólny; przeciwciało to immunoglobulina o znanej swoistości.

Ze względów praktycznych używa się terminologii zakładającej nazywanie przeciwciał z uwagi na ich funkcję:

• Aglutyniny – zlepiają m.in. bakterie

• Precypityny – wytrącają białka rozpuszczalne

• Cytotoksyny – uszkadzają komórki

• Opsoniny – ułatwiają fagocytozę

Jeden rodzaj przeciwciała może w zależności od warunków i charakteru antygenu

precypitować go, aglutynować lub uszkadzać cytotoksycznie. Ponadto każda z tych funkcji może być wykonywana przez przeciwciała należące do różnych klas.

Budowa immunoglobulin:

Ryc. 2 Budowa immunoglobulin [wg Ptak W., Ptak M., Szczepanik M., Podstawy immunologii, PZWL, Warszawa, 2008]

Wszystkie Immunoglobuliny (niezależnie od funkcji) mają podobną strukturę cząsteczki oraz identyczny mechanizm reagowania z antygenem. U człowieka występuje pięć odrębnych klas immunoglobulin -lgA, IgD, IgE, IgG, IgM. W skład każdej cząsteczki immunoglobuliny wchodzą łańcuchy ciężkie (H) łańcuchy lekkie (L). Przynależność immunoglobuliny do określonej klasy i jej aktywność biologiczna uwarunkowane są strukturą łańcucha ciężkiego. Dla IgG charakterystyczny jest łańcuch γ (gamma), dla IgM µ (mi), dla IgA α (alfa), dla IgD δ (delta) oraz dla IgE ε (epsilon). Natomiast typ immunoglobuliny związany jest z rodzajem jej łańcucha lekkiego. Typ I ma łańcuchy κ (kappa), typ II łańcuchy λ (lambda). Oba typy łańcuchów L występują we wszystkich klasach Ig.

Podstawowa jednostka immunoglobuliny jest tetra merem składającym się z dwóch identycznych łańcuchów ciężkich tej samej klasy oraz dwóch identycznych łańcuchów lekkich tego samego typu, powiązanych wiązaniami dwusiarczkowymi, np. IgG będzie miała wzór: γ₂κ₂ lub γ₂λ₂.

Tetramer jest dwuwartościowy, co oznacza, że może połączyć się z dwiema identycznymi determinantami antygenu.

Enzymy papaina i pepsyna rozszczepiają cząsteczkę immunoglobuliny po jednej lub drugiej stronie wiązań dwusiarczkowych łączących łańcuchy ciężkie

Ryc. 3 Działanie papainy i pepsyny na cząsteczkę immunoglobuliny [wg Ptak W., Ptak M., Szczepanik M., Podstawy immunologii, PZWL, Warszawa, 2008]

Pod wpływem papainy cząsteczka ulega rozdzieleniu na trzy prawie równej wielkości fragmenty: dwa z nich, nazywane Fab (fragment wiążący antygen) są prawie identyczne, trzeci zaś to fragment krystalizujący (Fc). Trawienie pepsyną prowadzi do powstania fragmentu F(ab')₂ i rozczłon­kowanego fragmentu Fc cząsteczki immunoglobuliny.

Fragment Fab – pełni funkcję przeciwciała; składa się z części łańcucha ciężkiego i całego łańcucha lekkiego, łączy się z antygenem, nie powodując jednak ani aglutynacji, ani precypitacji, gdyż jest jednowartościowy. Fragment F(ab')2 jest dwuwartościowy – może aglutynować lub precypitować swoisty antygen. W łańcuchach ciężkich (z wyjątkiem µ i ε), w okolicy wiązania dwusiarczkowego łączącego dwa łańcuchy, występuje dodatkowy region, tzw. region zawiasowy.

Immunoglobuliny IgG, IgD i IgE są monomerami – podstawową strukturę stanowią cztery łańcuchy. IgM jest pentamerem i składa się z pięciu podstawowych jednostek, IgA może z występować jako monomer, dimer lub polimer.

Ryc. 4 schemat budowy molekularnej immunoglobulin. IgM składa się z pięciu podstawowych jednostek (pentamer) połączonych jednym łańcuchem J; IgA tworzy dimer [wg Ptak W., Ptak M., Szczepanik M., Podstawy immunologii, PZWL, Warszawa, 2008]

Powstanie form polimerycznych Ig wymaga obecności dodatkowego łańcucha

J (ang. join - łączyć). Jest to mały polipeptyd produkowany przez komórki wytwarzające przeciwciała, wiążący kowalencyjnie wiązaniem dwusiarczkowym łańcuchy α albo µ.

Fragment sekrecyjny (wydzielniczy) to β-globulina wytwarzana przez komórki nabłonkowe wyściełające błony śluzowe (stanowi część receptora dla IgA). Umożliwia transport IgA (a także IgM) na powierzchnię błon śluzowych oraz zapewnia ochronę przed enzymami proteolitycznymi znaj­dującymi się w płynach ustrojowych.

Łańcuchy immunoglobulin posiadają części stałe (ten sam układ aminokwasów) oraz części zmienne. Części zmienne łańcuchów tworzą miejsce wiązania determinanty antygenu i określają swoistość przeciwciała, stąd ich nazwa – antydeterminanty przeciwciał. Regiony zmienne posiadają zarówno odcinki o niewielkiej zmienności, jak i strefy o bardzo dużej zmienności (regiony nadzmienne), charakterystyczne jedynie dla danej immunoglobuliny. Pozostałe części określa się jako szkielet lub zrąb. W łańcuchach H i L istnieją 3 regiony nadzmienne, a ponieważ są one odpowiedzialne za wiązanie determinanty antygenowej, nazywane są także regionami komplementarnymi (CDR)

Mechanizm i swoistość wiązania determinanty z antydeterminantą

Dawniej uważano, że reakcja antygen-przeciwciało jest ściśle swoista. Obecnie wiadomo, że jedna cząsteczka przeciwciała może wiązać się z dwoma lub więcej zupełnie odmiennymi chemicznie determinantami, co wskazuje, że antydeterminanta nie rozpoznaje bezpośrednio określonej konfiguracji chemicznej antygenu, ale jego ogólny kształt przestrzenny. Komplementarność determinanty i antydeterminanty ma zatem charakter fizyczny. Antydeterminantę tworzy 20 lub więcej aminokwasów, których sekwencja i uporządkowanie przestrzenne warunkują jej kształt (swoistość).

Ryc. 5 Schematyczne przedstawienie wiązania przeciwciał o różnym powinowactwie z tą samą determinantą antygenową (A, B, C). Przyleganie stereochemiczne jest największe w przypadku przeciwciał o wysokim powinowactwie (A). Określone przeciwciało może wiązać kilka różnych determinant (A, D, E)

Reakcja antygen-przeciwciało

Fragmenty Fab mogą rozchylać się w obrębie regionu zawiasowego, co umożliwia

tworzenie mostków między determinantami znajdującymi się na dwóch różnych

cząsteczkach antygenu. W zależności od jego stanu fizycznego prowadzi to do aglutynacji (antygeny komórkowe) lub precypitacji (antygeny rozpuszczalne). Podstawowa jednostka immunoglobuliny ma dwie antydeterminanty, jest więc dwuwartościowa. Pentameryczne immunoglobuliny klasy IgM mają niekiedy zamiast 10 tylko 5 funk­cjonalnie czynnych antydeterminant, co może być spowodowane przeszkodami natury przestrzennej, gdyż łańcuch µ nie ma regionu zawiasowego, a więc fragment Fab ulega tylko niewielkiej rotacji.

Kompleksy immunologiczne – produkty reakcji antygenu (Ag) i przeciwciała (Ab). Przeciwciała ze wzglę­du na swoją dwu-lub wielowartościowość mogą łączyć determinanty znajdujące się na różnych cząsteczkach antygenu.

Rola fragmentu Fc – odpowiada on za cech biologiczne przeciwciał; Odgrywa rolę m.in. w procesie wiązania i aktywacji dopełniacza oraz podczas fagocytozy .

Większość leukocytów posiada receptory wiążące fragment Fc cząsteczek immuno­globulin.

Cechy fizykochemiczne i właściwości biologiczne przeciwciał

Immunoglobulina IgG (γG) – główna immunoglobulina surowicy (75% całkowitej ilości Ig). U ludzi wyodrębniono 4 podklasy IgG: IgG1-lgG4. Ich procentowa zawartość w surowicy wynosi kolejno 65%, 23%, 8% i 4% całkowitej ilości IgG. Czas półtrwania (t ½), czyli połowiczny rozpad krążących immunoglobulin, wynosi średnio 21 dni (z wyjątkiem IgG3 - 7 dni). Immunoglobuliny IgG (z wyjątkiem IgG4, która nie aktywuje kaskady dopeł­niacza) wiążą dopełniacz na drodze klasycznej. Powstają głównie w odpowiedzi na antygeny białkowe, a IgG1 i IgG2 również w reakcji na antygeny polisacharydowe. W tej klasie znajduje się większość przeciwciał przeciwbakteryjnych i przeciwwirusowych. IgG są głównymi immunoglobulinami powstającymi we wtórnej odpowiedzi immunologicznej.

Immunoglobulina IgM (γM) – cykliczny pentamer zbudowany z 5 podstawowych podjednostek, które łączy łańcuch J. Stanowi około 6% immunoglobulin surowicy. Ze względu na dużą masę trudno przedostaje się poza układ naczyniowy. IgM pojawia się w dużych ilościach pod wpływem antygenów wielocukrowych. Ponadto powstaje jako pierwsze przeciwciało w pierwotnej odpowiedzi immunolo­gicznej. Do tej klasy należą również przeciwciała grupowe krwi (izohemaglutyniny). IgM wiąże dopełniacz.

Immunoglobulina IgA (γA) jest główną immunoglobuliną wydzielin zewnętrznych. Występuje w ślinie, łzach, wydzielinie błon śluzowych nosa, górnych dróg oddechowych, przewodu pokarmowego. Stanowi około 13% Ig surowicy, w której występują głównie w formie mono­merycznej. Przeciwciała IgA stanowią jeden z głównych mechanizmów obrony błon śluzowych przeciw wirusom, bakteriom i ich toksycznym produktom, ponadto mogą brać udział w neutralizacji antygenów zawartych w pokarmach. Występują dwie podklasy IgA: IgA 1 (głównie w surowicy) i IgA2 (głównie w wy­dzielinach). W IgA2 brak wiązań dwusiarczkowych między łańcuchami H i L. Ponadto cechuje ją odporność na działanie enzymów proteolitycznych i nie wiąże ona dopełniacza na drodze klasycznej. IgA wydzielnicza powstaje w komórkach plazmatycznych umiejscowionych pod błoną śluzową. Składa się z dwóch cząs­teczek IgA połączonych łańcuchem J z przyłączonym fragmentem sekrecyjnym, który wytwarzany jest przez komórki nabłonkowe.

Immunoglobulina IgD (γD) znajduje się w niewielkich ilościach (do 1 % ogólnej ilości Ig surowicy) prawie wyłącznie w łożysku naczyniowym, przy czym jej stężenie wykazuje bardzo znaczne wahania osobnicze (3-400 /lg/ml). Jak dotąd nie wykazano jej roli jako przeciwciała. Wraz z IgM jest główną immunoglobuliną na powierzchni limfocytów B.

Immunoglobulina IgE (γE), nazywana dawniej reaginą lub przeciwciałem homocytotropowym, jest monomerem i nie posiada regionu zawiaso­wego. Nie wiąże dopełniacza. W surowicy osób zdrowych występuje jedynie w śladowych ilościach (0,002% Ig surowicy), większe stężenie stwierdza się najczęściej u alergików (astma, gorączka sienna) i w niektórych zakażeniach pasożytniczych (robaczyce). Obecna jest w wydzielinach zewnętrznych (przewodu pokarmowego, układu oddechowego). Poprzez region Fc wiąże się z wysokim powinowactwem z występującym na powierzchni mastocytów i bazofilów receptorem FcεRI. Odgrywa ważną rolę w reakcjach alergicznych.

Metabolizm immunoglobulin

Synteza immunoglobulin związana jest z ekspozycją na antygeny środowiska. Okres półtrwania, różni się znacznie dla poszczególnych klas. Dla IgM i IgA szybkość rozpadu ma wartość stałą i nie jest związana z ich stężeniem w surowicy. Natomiast katabolizm IgG regulowany jest jej koncentra­cją w surowicy: przy niskim stężeniu jest zwolniony (70 dni), przy wysokim – znacz­nie przyspieszony (11 dni). Szybkość katabolizmu immunoglobulin jest regulowana przez fragment Fc.

Przeciwciała monoklonalne (moAb) ⇒ otrzymywane z jednego klonu limfocytów B

Ryc. 6 Schemat budowy przeciwciał: 1 – fragment Fab, 2 – fragment Fc, 3 – łańcuch ciężki (zawiera VH, CH1, zawias, regiony CH2 i CH3: licząc od N-końca), 4 – łańcuch lekki (zawiera regiony VL i CL: licząc od N-końca), 5 – miejsce wiązania antygenu, 6 – regiony zawiasowe; S-S – mostki dwusiarczkowe

Ze względu na udział białka ludzkiego w budowie wyróżnia się:

• Przeciwciała mysie,

• Przeciwciała chimeryczne (zawierają 50-90% białka ludzkiego),

• Przeciwciała humanizowane (zawierają ok. 95% białka ludzkiego),

• Przeciwciała ludzkie (zbudowane w całości z białka odpowiadające ludzkiemu)

Nazewnictwo przeciwciał

• tu – przeciw guzom

• mo – mysie

• xi – chimeryczne

• zu – humanizowane

• mab- przeciwciało monoklonalne

• Rituximab (Rituxan) – chimeryczne przeciwciało monoklonalne przeciwko antygenowi CD20 komórek B

• Alemtuzumab (Campath) – humanizowane przeciwciało monoklonalne przeciwko antygenowi CD52

• Trastuzumab (Herceptin) – humanizowane przeciwciało monoklonalne przeciwko receptorowi HER2/neu (ErbB-2)

• Cetuksymab (Erbitux) – chimeryczne przeciwciało monoklnalne przeciwko receptorowi dla EGFR (ERBB1, HER1)

• Bevacizumab (Avastin) humanizowane przeciwciało monoklonalne przeciwko VEGF

• Gemtuzumab-ozogamicin (Mylotarg) – przeciwciało monoklonalne przeciwko CD33 połączone z antybiotykiem (pochodną kalicheamycyny)

Opracowano nap odstawie: Ptak W., Ptak M., Szczepanik M., Podstawy immunologii, PZWL, Warszawa, 2008