第二章 免疫球蛋白与抗体 本课要解决的一些问题 Ig与Ab有什么区别? Ig的结构与其功能有什么联系? Ab有哪些功能? 五种常见Ig有什么区别?各自有何功能? 基本概念 抗体(antibody, Ab):是B细胞接受抗原刺激后增殖分化为浆细 胞所产生的能与相应抗原特异性结合的球蛋白。 主要存在于血清等体液中,能与相应抗原特异性地结合,具有免 疫功能。 免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig):具有抗体活性或化学结构 与抗体相似的球蛋白。 ? 抗体 = 免疫球蛋白 免疫球蛋白:侧重结构和化学本质 抗体:强调生物学功能 抗体都是免疫球蛋白 免疫球蛋白不一定都具有抗体活性 基本概念 免疫球蛋白 分泌型 (secreted Ig,SIg) 膜型 (membrance Ig,mIg) 主要存在于血液及组 织中,发挥各种免疫 功能 构成B细胞表面的抗原 受体 德国细菌学家E.A.Behring,发 现抗毒素,开创免疫血清疗法, 1901年获得诺贝尔医学生理学 奖 德国医学家P Ehrlich, 提出体液免疫理论和抗体 生成的侧链学说,1908年 获得诺贝尔医学生理学奖 20世纪获得诺贝尔医学生理学奖的免疫学家 年代 学者姓名 国家 获奖成就 1901 1908 1960 1972 1984 1987 E.A.Behring P.Ehrlich F.M.Burnet G.M.Edelman N.Jerne G.Kohler C.Milstein Tonegawa R.R.Porter 德国 德国 澳大利亚 美国 丹麦 德国 阿根廷 日本 英国 发现抗毒素,开创免疫血清疗法 提出体液免疫理论和抗体生成的侧链学说 提出抗体生成的克隆选择学说 阐明抗体的本质 提出天然抗体选择学说和免疫网络学说 建立杂交瘤技术制备单克隆抗体 单克隆抗体技术及免疫球蛋白基因表达的遗传调控 阐明抗体多样性的遗传基础 阐明抗体的化学结构 第一节 免疫球蛋白的结构 基本结构 “Y”字形的四肽链结构 两条完全相同的重链(heavy chain,H)两条完全相同的 轻链(light chain,L)以 二硫键连接而成 重链 轻链 氨基酸 残基 450~550 分子量 50~75kDa 分类/型 、、、、 210 25kDa 、 每个免疫球蛋白分子上的轻链总是同型,重链都是同类。 计算机模拟示意图 免疫球蛋白的结构域 可变区(variable region,V)和恒定区(constant region,C) 免疫球蛋白的结构域 可变区 重链和轻链V区各有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)。 CDR以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)。 免疫球蛋白功能区结构示意图 免疫球蛋白轻链V和C功能区结构示意图 免疫球蛋白的结构域 铰链区(富含脯氨酸) V区 C区 VL+VH功能区: 抗原结合部位 CL和CH 区:具有同种 异型抗体的遗传标记。 CH2区:IgG的补体结 合点和通过胎盘的部位 CH3功能区:是Ig与 其Fc受体结合的部位 (固定细胞) 免疫球蛋白的结构域 其他成分 多肽链 合成细胞 主要功能 J链(jioning chain) 分泌片(secretory piece, SP) 富含半胱氨酸 含糖 浆细胞 粘膜上皮细胞 将单体Ig分子连接为 多聚体 使IgA分泌到粘膜表面发 挥免疫作用;保护SIgA 铰链区 免疫球蛋白的J链和SP结构 Ig水解片段 木瓜蛋白酶: (绞链区重链间二硫键近N端处断裂) Fab:抗原结合片段:具有单价抗体 活性 Fc:可结晶片段(低温):结合补 体、固定细胞和通过胎盘等 胃蛋白酶: (重链间二硫键近C端) F(ab’)2:多价抗体活性 pFc’:不具生物活性 Ig水解片段 木瓜蛋白酶 (papain) 抗of原a结nt合ig片en段b(infdrianggm,enFtab)轻链+VH、CH1 可结晶片段(fragment crystallizable,Fc) CH2和CH3 胃蛋白酶 (pepsin) F(ab’)2 pFc’ 2个F(ab)及铰链区 小片段 第二节 Ig的抗原特异性 同种型 同种异型 独特型 免疫球蛋白的分类 类 重链分五种:、、、、 对应Ig分五类:IgG、IgA、IgM、IgD、IgE 亚类 根据铰链区氨基酸残基的组成以及 二硫键数目和位置的不同分亚类 IgG1~IgG4、IgA1和IgA2、IgM1和IgM2 型 轻链分两种:和 对应Ig分两型:和 亚型 根据轻链C区氨基端氨基酸排列的差异分亚型 人免疫球蛋白家族重链和轻链的构成 1、同种型(isotype): 同一种属所有个体都具有的免疫球蛋白的抗 原特异性。 VH CH1 VL CL CH2 由C区决 CH3 定 CH4 2、同种异型(allotype): 同一种属不同个体间免疫球蛋白分子所具 有的不同的抗原特异性标志。 VH CH1 VL Fab CL C Fc 由C区决定,主 要反映在Ig分子 的CH和CL上的 一个或数个氨基 酸的差异,又称 为遗传标志。 3、独特型(idiotype, Id) : 同一个体内不同B细胞克隆产生的免疫球蛋白分 子所特有的抗原特异性标志。 由超变区决定 第三节 免疫球蛋白的生物学功能 免疫球蛋白V区的功能 特异性识别、结合抗原,中和毒素、阻断病原入侵。 免疫球蛋白C区的功能 激活补体 结合细胞表面的Fc受体 ? 调理作用(opsonization) ? 抗体依赖细胞介导的细胞毒作用(antibody dependent cell-mediated cytotoxicity,ADCC) ? 介导I型超敏反应 穿过胎盘和粘膜 调节免疫功能:IgG反馈及独特型网络调节 起决定性作用 免疫球蛋白功能区结构示意图 C3b CR1促进吞噬细胞的吞噬作用 调理作用 免疫球蛋白通过Fc段与吞噬 细胞膜表面Fc受体结合,增加 吞噬细胞的吞噬能力。 抗体依赖性细胞介导的细胞 毒作用(ADCC) IgG抗体与相应的靶细胞 (病毒、肿瘤细胞)结合后, Fc段与NK细胞表面的Fc受体结 合,介导ADCC效应,直接杀伤 靶细胞。 免疫球蛋白的主要生物学功能 第四节 各类免疫球蛋白的特性和功能 IgG 分子量150kDa 血液中最丰富的免疫球蛋白,约占80% 半衰期最长,20~23天 抗感染的“主力军”,再次体液免疫应答产生的主要 抗体 唯一一种通过胎盘对发育中的胎儿以及初生婴儿提供 被动免疫 分四种亚类(IgG1、IgG2、IgG3、IgG4) 人IgG亚类示意图 第四节 各类免疫球蛋白的特性和功能 IgM 分子量900kDa,无铰链区 由B细胞产生并在其表面表达的第一个抗体 血液中形成五聚体,约占5%~10% 免疫应答时产生的第一个抗体,抗感染的“先 头部队” 去除微生物时非常有效 IgM结构示意图 第四节 各类免疫球蛋白的特性和功能 IgA 分子量170kDa,在外分泌物如初乳、乳汁和唾 液中以420kDa双体形式存在,分为血清型和分 泌型 血清中约占10%~15% 分泌型IgA含有分泌片和J链 防御粘膜表面微生物侵入者的第一道防线,参 与局部粘膜免疫 分泌型IgA(sIgA)示意图 sIgA的合成与分泌 第四节 各类免疫球蛋白的特性和功能 IgD: 分子量184kDa 循环中的量很低,仅占0.2% 成人血清浓度为30g/ml 铰链区较长,易被蛋白酶水解,故半衰期较短 mIgD是B细胞分化成熟的标志 IgD结构示意图 mIgM mIgD 未成熟B细胞 成熟B细胞 活化或记忆B细胞 B细胞分化发育过程中mIgD的表达 第四节 各类免疫球蛋白的特性和功能 IgE 分子量190kDa,无铰链区 血清中的量极低(0.3g/ml) 糖含量高达12% 很强的亲细胞性,与肥大细胞、嗜碱粒细胞表 面高亲和力FcRI结合 在增强急性炎症、保护避免被蠕虫感染和变态 反应中起重要作用 IgE结构示意图 人类免疫球蛋白同种型主要的理化特性和生物学特性 IgG1 IgG2 IgG3 IgG4 IgM IgA1 IgA2 IgD IgE 重链 1 2 3 4 1 2 分子量(kD) 140 146 165 146 950 160 160 184 188 主要存在形式 单体 单体 单体 单体 五聚体 单体、 单体、 单体 双体 双体 单体 开始合成时间 出生后3个月 胚胎后期 生后4~6月 任何时间 较晚 血清浓度 900 300 100 50 150 (mg/100ml) 血清中半衰期 21 20 7 21 10 (天) 经典途径 ++ + +++ - +++ 活化补体 替代途径 - -- - 活化补体 300 50 6 6 -- + - 3 0.05 3 2 - - - - 人类免疫球蛋白同种型主要的理化特性和生物学特性 IgG1 IgG2 IgG3 IgG4 IgM IgA1 IgA2 IgD IgE 穿过胎盘 +++ + ++ - -- 结合吞噬细胞 +++ - +++ - - ++ 结合肥大细胞和 - - - - - -- 嗜碱性粒细胞 与SPA结合 + + + - -- 中和作用 ++ ++ ++ ++ + ++ ++ NK细胞介导的 ++ - ++ - - -- ADCC 免疫作用 抗菌、抗病毒抗体,抗毒素, 早期防御作用, 自身抗体 溶菌、溶血, 天然血型抗体, 类风湿因子, mIgM为B细胞抗 原受体 粘膜局部免 疫作用 -- -+ - +++ -- -- -- I型超 敏反应, 抗寄生 虫感染 人工制备抗体 多克隆抗体(polyclonal antibody) 带有多个表位的抗原 针对不同表位的 特异性B细胞 人工制备抗体 单克隆抗体(monoclonal antibody,mcAb) 多克隆抗体与单克隆抗体的比较 多克隆抗体 单克隆抗体 来源 动物免疫血清、恢复期病人血 多为鼠源性 清或免疫接种人群 特点 来源广泛、制备容易 纯度高、特异性强、效价高、少 或无血清交叉反应、制备成本低 组成 针对不同抗原表位的抗体的混 针对单一表位,结构和组成高度 合物 均一,抗原特异性及同种型一致 应用 缺点 疾病的被动免疫治疗 广泛用于疾病诊断、特异性抗原 或蛋白的检测和鉴定、疾病的被 动免疫治疗和生物导向药物制备 特异性不高、易发生交叉反应, 人体应用后可导致人鼠抗体反应 不易大量制备 人工制备抗体 基因工程抗体(genetic engineering antibody) A B 人-鼠嵌合抗体 改型抗体或CDR移植抗体 双特异性抗体 小分子抗体 Fab Fv 单链抗体 单域抗体 最小识别单位 A B C 全鼠源性抗体 D 人-鼠嵌合抗体 E F CDR移植抗体 G H 双特异性抗体 Fab抗体 Fv抗体 ScFv抗体 几种主要基因工程抗体示意图 单域抗体 复习题 免疫球蛋白的结构、功能区及其特征 免疫球蛋白的功能 各类免疫球蛋白的生物学特性及功能