抗原特异性的分子基础
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❖ (TAG)n 抗原性取决于分子构象，称构象 决定簇(conformational determinant)
➢溶菌酶分子5个AD，3个是构象AD
❖改变AD氨基酸序列或破坏蛋白质构象，其 专一性也随之改变
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
（二）蛋白质抗原表位分析方法 ❖1.表位预测方法
➢适于已知一级结构的蛋白质或多肽抗原预测 ➢(1)亲水性方案(Hydrophilicity) ➢蛋白抗原各氨基酸残基分为亲水和疏水残基
两类 ➢疏水性残基一般埋在蛋白内部, 亲水性残基
位于表面,亲水部位与抗原表位有密切联系
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
❖(2)抗原性方案(Antigenicity)
❖ 抗原性刻度（Welling）各氨基酸用出现在抗 原区频率描述, 此频率除以各氨基酸在所有蛋 白质中的频率就可推出此刻度值 ➢疏水性氨基酸残基对抗原表位形成亦有贡 献 ➢缺点:所用数据库有限,并且连续位点内的残 基被认为是同等重要
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
表2-2 化学基团位置对抗原特异性的影响
❖
抗体
半抗原
❖ （抗半抗原-载体
苯胺 邻氨基 间氨基 对氨基
免疫血清）
苯甲酸 苯甲酸 苯甲酸
❖ 抗载体-苯胺
++++ — — —
❖ 抗载体-邻氨基苯甲酸 — ++++ — —
❖ 抗载体-间氨基苯甲酸 — — ++++ —
❖ 决定抗原特异性的分子结构基础
➢抗原表位(epitope) ➢亦称为抗原决定簇（antigenic
determinant, AD)
•XICNAC -WCHYESM
三、抗原决定簇（表位）
❖抗原分子表面上一小部分具有化学活性 的区域
❖注意：抗原决定簇, 而非 整个抗原决定抗原的 特异性
•XICNAC -WCHYESM
❖ 抗载体-对氨基苯甲酸 — — — ++++
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
❖AD特异性与其构象有关
➢Sela 合成2种有不同构象的三肽聚合物： ▪ TAG-L：Tyr-Ala-Glu 三肽连在多聚Ala和多 聚Lys叉链骨架上（无规则螺旋结构） ▪ (TAG)n：α-螺旋构象的Tyr-Ala-Glu聚合物
•XICNAC -WCHYESM
一、抗原的概念
❖抗原（antigen,Ag）概念
➢是一类能刺激机体免疫系统产生特异性免疫 应答 ，并能与相应免疫应答产物在体内或体 外发生特异性结合的物质
➢免疫应答 (immune response) 免疫细胞对抗 原分子的识别、活化、分化和效应过程
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
1134
119 113
119
His-Val-Leu-His-Ser-Arg-His
145 146
151
His5-Val-Le(Luys-)-HTyri-sLy-sS-Gleu-rLe-uA-Glryg-Ty-rHis
6或7
6 7 6或7
❖
145 146
151
❖5
(Lys)-Tyr-Lys-Glu-Leu-Gly-Tyr
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
❖肺炎荚膜多糖S3 型与S8型的结构式：
S3
纤维二糖醛酸残基 纤维二糖醛酸残基
S8
纤维二糖醛酸残基 葡萄糖半乳糖残基
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
•30Hale Waihona Puke Baidu
四、抗原结构的免疫化学
❖（一）蛋白质抗原 ❖鲸肌红蛋白结构
❖ 1条153个氨基酸残基多肽链+1个血红素辅基 ❖ 8个螺旋区（α-螺旋占75%） ❖ 肽链转弯处形成无规卷曲（α-螺旋不能转弯） ❖AD处于肽链第16~ 21、56~62、94~99、113~ 119
表2-1 不同化学基团对抗原特异性的影响
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
❖构型与构象
➢ AD特异性与抗原分子上化学基团空间构型 与有关
▪ 氨基苯甲酸邻、间、对位异构物分别与同种蛋白 偶联后，经分别免疫动物得3种抗体，它们只能 与相应抗原发生反应
➢AD的特异性与抗原光学构型有关
▪ 左旋和右旋酒石酸分别与蛋白质偶联后，经免疫 动物获得的抗体，只能与相应的左旋或右旋酒石 酸发生特异反应。
与146~151位氨基酸残基的各位点上
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
F8
E7
F
G
D
H
E
C
B
A
图2-4 肌红蛋白的构象
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
•16~21
•56~62
•113~ 119
•146~151 图2-5 鲸肌红蛋白的结构示意图
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
❖抗原结合价（抗原价） ➢指能与抗体分子结合的AD总数 ▪ 分子量10万：2个抗原价 ▪ 分子量40万：10~12个抗原价 ▪ 一个含100个氨基酸的球型蛋白可能只 有几个表面AD，因蛋白质空间折叠使 大部分AD埋藏于分子内部
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
化学组成和性质
❖不同化学基团决定抗原抗体反应专一性
➢Landsteiner用马血清白蛋白分别偶联苯胺类物 质组成偶氮蛋白质。然后用所制偶氮蛋白质作 抗原分别免疫家兔得到相应抗血清
➢这些抗血清只能与相应抗原起反应
▪ 说明不同化学基团决定抗原抗体反应的专一性
❖半抗原 (hapten)
➢ 有反应原性，无免疫原性
•30
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
半抗原(Hapten)
具有免疫反应性 , 没有免 疫原性的小分子物质
+
小分子 载体 carrier
载体(carrier)：赋
予半抗原免疫原性的 大分子物质
免疫应答 （immune response）
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
❖(3)二级结构预测方案(Secondary structure)
➢β转角为凸出结构,多出现在蛋白质抗原表面, 利 于与抗体嵌合, 较可能成为抗原表位
➢α螺旋、β片层结构规则不易形变, 较难嵌合抗 体,一般不作为抗原表位
➢预测成功率均不超过65%。Cohen方法对转角 的预测正确率很高, 对于已知折叠类型的蛋白 质(αα类, ββ类,α/β类) 正确率高达95%
1/2 of the prize GERMANY
•XICNAC -WCHYESM
❖"for their discovery of human immunodeficiency virus"
1/4 of the prize FRANCE
•XICNAC -WCHYESM
问题
➢什么是抗原（ antigen,Ag ） ？ ➢ 抗原如何分类？
免疫原性
抗原
免疫 系统
抗体或 致敏淋巴细胞
体内外特异性结合（免疫反应性）
•XICNAC -WCHYESM
❖既有免疫原性又有免疫反应性的抗原称 为免疫原 （immunogen）
•6
•30
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
二 、抗原的分类
❖完全抗原 (complete antigen)
➢ 具有免疫原性和反应原性的抗原
➢这两种多聚物分别免疫家兔所产生的抗体，在 免疫学上无交叉反应
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
•分子量7.5x104
•无规则螺旋结构多聚物
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
(Tyr-Ala-Glu)n
•分子量1.0x105 •α –螺旋构象聚合物
❖ TAG-L抗原性取决于氨基酸序列，称序列 决定簇 (sequential determinant)
•94~9 9
❖ 表2-4 鲸肌红蛋白抗原决定簇位点的一级结构
❖ 决定簇位点
氨基酸残基及位置
❖
15 16
21 22
❖1
(Ala)-Lys-V表a2l--2Gl鲸u肌-红A蛋l白a抗-原A决s定p簇-位V点a的l一-级(A结构la)
❖ ❖2 ❖ ❖3 ❖ ❖4
56
决定簇位点
氨基酸残基及位置
62 残基数
❖交叉反应
➢Ag除与相应Ab发生特异性反应外，有时还可 与其它Ab或Ag发生反应，称为交叉反应（ cross reaction） ▪ 因两种AD在化学结构上有部分相似
• 肺炎荚膜多糖3型(S3)与8型 (S8)均含有纤维二糖 醛酸残基结构，有一定相似性，故与马抗S3血清 或马抗S8血清相遇时，两者均出现一定程度的交 叉反应
▪ 1个多糖AD含5~7个葡萄糖残基
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
❖ 抗原决定簇位点分布 ➢抗原决定簇的位点分布对抗原特异性 具有决定性意义
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
Sela等用多聚-DL-Ala和聚-L-Lys合成的多肽研究
残基侧 链间距 离扩大
AD外 露分子
表面
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
HO3S
❖*
HO3S
HO3S
NH3+Cl-
+
HNO2
pH 0~1
冷
HO3S
N N+Cl- + 2H2O
N N+Cl- + HO
C=O CH2 CH NH
蛋白质中Tyr残基
OH N=N
CH2 CH NH C=O
pH 8~9
偶氮苯磺酸蛋白质（抗原）
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
Lys-Ala-Ser-Glu-Asp-Leu-Lys
94 1
99 15 16
21 22
(Ala)-Lys-Val-Glu-Ala-Asp-Val-(Ala)
56
62
2Ala-ThLyrs--ALlay9-4Sser--GHlu-iAssp--LLeuy-Lsys-9I9le
7
3
Ala-Thr-Lys-His-Lys-Ile
❖意义
➢ AD是被免疫细胞识别的靶结构，是免 疫反应具有特异性的物质基础
➢ AD大小、数目、性质、构型和构象决 定着抗原的特异性
•43
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
(一) 抗原决定簇对抗原特异性的影响
❖抗原决定簇分子大小 ➢ 受抗体抗原结合部位大小限制
▪ 1个蛋白质或多肽分子的AD含5~7个氨基酸 残基
AD处 于分 子内 侧
图2-3 3种合成的叉链多聚氨基酸
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
❖抗原免疫原性必要条件 ➢AD外露在分子表面(与抗体结合的只是抗原
分子表面的AD ) ▪ BSA含18个AD，暴露在分子表面与抗体特
异性结合的只有6个。BSA酶解后，内部AD 暴露出来，成为新生的 AD，可引起免疫反 应
第二章 抗原特异性的分子基础
❖一、抗原的概念 ❖二、抗原的分类 ❖三、抗原决定簇 ❖四、抗原结构的免疫化学
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2008
❖"for his discovery of human papilloma（乳头瘤） viruses causing cervical cancer"
➢直接确定线性及构象性抗原表位方法, 又称蛋 白质足迹分析( Protein footprinting)
➢理论依据:抗原-抗体复合物结合部位能抵抗蛋 白酶水解
➢采用质谱技术已成功确定细胞色素C , 胃泌素 释放肽(GRP) , 脂碱性磷酸酶( PLAP) 等抗原 表位
▪ Lemmel C, Stevanović S. The use of HPLC-MS in Tcell epitope identification. Methods 29 (2003) 248 ~259
❖免疫原性（immunogenicity，抗原性） ➢指抗原能刺激机体产生免疫应答，即产生 抗体或致敏淋巴细胞的能力
❖反应原性 (immunoreactivity，免疫反应性） ➢指抗原与相应免疫效应物质（抗体和致敏 淋巴细胞）在体内或体外发生特异性反应 的特性
•10
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
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❖2. 化学“切割”法或酶法
➢① 化学法或酶“切割”抗原, 分离抗原肽 段, 研究其与不同McAb的作用, 确定抗原 表位 ▪ 该法对蛋白质一级结构不作要求, 测定结 果只能是抗原的线性表位
•XIICCNAAC-W-WCYHSYESM
❖②水解抗原-抗体复合物
半抗原+载体=完全抗原 •XNC CHEM
问题
➢什么是抗原的特异性 ？ ➢决定抗原特异性的物质基础 ？
•XICNAC -WCHYESM
抗原的特异性（antigen specificity)
❖ 指抗原诱导机体产生特异性免疫应答 并与免疫应答产物发生专一结合的特 性
决定抗原特异性 的物质基础？
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➢溶菌酶分子5个AD，3个是构象AD
❖改变AD氨基酸序列或破坏蛋白质构象，其 专一性也随之改变
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（二）蛋白质抗原表位分析方法 ❖1.表位预测方法
➢适于已知一级结构的蛋白质或多肽抗原预测 ➢(1)亲水性方案(Hydrophilicity) ➢蛋白抗原各氨基酸残基分为亲水和疏水残基
两类 ➢疏水性残基一般埋在蛋白内部, 亲水性残基
位于表面,亲水部位与抗原表位有密切联系
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❖(2)抗原性方案(Antigenicity)
❖ 抗原性刻度（Welling）各氨基酸用出现在抗 原区频率描述, 此频率除以各氨基酸在所有蛋 白质中的频率就可推出此刻度值 ➢疏水性氨基酸残基对抗原表位形成亦有贡 献 ➢缺点:所用数据库有限,并且连续位点内的残 基被认为是同等重要
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表2-2 化学基团位置对抗原特异性的影响
❖
抗体
半抗原
❖ （抗半抗原-载体
苯胺 邻氨基 间氨基 对氨基
免疫血清）
苯甲酸 苯甲酸 苯甲酸
❖ 抗载体-苯胺
++++ — — —
❖ 抗载体-邻氨基苯甲酸 — ++++ — —
❖ 抗载体-间氨基苯甲酸 — — ++++ —
❖ 决定抗原特异性的分子结构基础
➢抗原表位(epitope) ➢亦称为抗原决定簇（antigenic
determinant, AD)
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三、抗原决定簇（表位）
❖抗原分子表面上一小部分具有化学活性 的区域
❖注意：抗原决定簇, 而非 整个抗原决定抗原的 特异性
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❖ 抗载体-对氨基苯甲酸 — — — ++++
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❖AD特异性与其构象有关
➢Sela 合成2种有不同构象的三肽聚合物： ▪ TAG-L：Tyr-Ala-Glu 三肽连在多聚Ala和多 聚Lys叉链骨架上（无规则螺旋结构） ▪ (TAG)n：α-螺旋构象的Tyr-Ala-Glu聚合物
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一、抗原的概念
❖抗原（antigen,Ag）概念
➢是一类能刺激机体免疫系统产生特异性免疫 应答 ，并能与相应免疫应答产物在体内或体 外发生特异性结合的物质
➢免疫应答 (immune response) 免疫细胞对抗 原分子的识别、活化、分化和效应过程
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1134
119 113
119
His-Val-Leu-His-Ser-Arg-His
145 146
151
His5-Val-Le(Luys-)-HTyri-sLy-sS-Gleu-rLe-uA-Glryg-Ty-rHis
6或7
6 7 6或7
❖
145 146
151
❖5
(Lys)-Tyr-Lys-Glu-Leu-Gly-Tyr
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❖肺炎荚膜多糖S3 型与S8型的结构式：
S3
纤维二糖醛酸残基 纤维二糖醛酸残基
S8
纤维二糖醛酸残基 葡萄糖半乳糖残基
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四、抗原结构的免疫化学
❖（一）蛋白质抗原 ❖鲸肌红蛋白结构
❖ 1条153个氨基酸残基多肽链+1个血红素辅基 ❖ 8个螺旋区（α-螺旋占75%） ❖ 肽链转弯处形成无规卷曲（α-螺旋不能转弯） ❖AD处于肽链第16~ 21、56~62、94~99、113~ 119
表2-1 不同化学基团对抗原特异性的影响
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❖构型与构象
➢ AD特异性与抗原分子上化学基团空间构型 与有关
▪ 氨基苯甲酸邻、间、对位异构物分别与同种蛋白 偶联后，经分别免疫动物得3种抗体，它们只能 与相应抗原发生反应
➢AD的特异性与抗原光学构型有关
▪ 左旋和右旋酒石酸分别与蛋白质偶联后，经免疫 动物获得的抗体，只能与相应的左旋或右旋酒石 酸发生特异反应。
与146~151位氨基酸残基的各位点上
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F8
E7
F
G
D
H
E
C
B
A
图2-4 肌红蛋白的构象
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•16~21
•56~62
•113~ 119
•146~151 图2-5 鲸肌红蛋白的结构示意图
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❖抗原结合价（抗原价） ➢指能与抗体分子结合的AD总数 ▪ 分子量10万：2个抗原价 ▪ 分子量40万：10~12个抗原价 ▪ 一个含100个氨基酸的球型蛋白可能只 有几个表面AD，因蛋白质空间折叠使 大部分AD埋藏于分子内部
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化学组成和性质
❖不同化学基团决定抗原抗体反应专一性
➢Landsteiner用马血清白蛋白分别偶联苯胺类物 质组成偶氮蛋白质。然后用所制偶氮蛋白质作 抗原分别免疫家兔得到相应抗血清
➢这些抗血清只能与相应抗原起反应
▪ 说明不同化学基团决定抗原抗体反应的专一性
❖半抗原 (hapten)
➢ 有反应原性，无免疫原性
•30
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半抗原(Hapten)
具有免疫反应性 , 没有免 疫原性的小分子物质
+
小分子 载体 carrier
载体(carrier)：赋
予半抗原免疫原性的 大分子物质
免疫应答 （immune response）
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❖(3)二级结构预测方案(Secondary structure)
➢β转角为凸出结构,多出现在蛋白质抗原表面, 利 于与抗体嵌合, 较可能成为抗原表位
➢α螺旋、β片层结构规则不易形变, 较难嵌合抗 体,一般不作为抗原表位
➢预测成功率均不超过65%。Cohen方法对转角 的预测正确率很高, 对于已知折叠类型的蛋白 质(αα类, ββ类,α/β类) 正确率高达95%
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❖"for their discovery of human immunodeficiency virus"
1/4 of the prize FRANCE
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问题
➢什么是抗原（ antigen,Ag ） ？ ➢ 抗原如何分类？
免疫原性
抗原
免疫 系统
抗体或 致敏淋巴细胞
体内外特异性结合（免疫反应性）
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❖既有免疫原性又有免疫反应性的抗原称 为免疫原 （immunogen）
•6
•30
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二 、抗原的分类
❖完全抗原 (complete antigen)
➢ 具有免疫原性和反应原性的抗原
➢这两种多聚物分别免疫家兔所产生的抗体，在 免疫学上无交叉反应
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•分子量7.5x104
•无规则螺旋结构多聚物
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(Tyr-Ala-Glu)n
•分子量1.0x105 •α –螺旋构象聚合物
❖ TAG-L抗原性取决于氨基酸序列，称序列 决定簇 (sequential determinant)
•94~9 9
❖ 表2-4 鲸肌红蛋白抗原决定簇位点的一级结构
❖ 决定簇位点
氨基酸残基及位置
❖
15 16
21 22
❖1
(Ala)-Lys-V表a2l--2Gl鲸u肌-红A蛋l白a抗-原A决s定p簇-位V点a的l一-级(A结构la)
❖ ❖2 ❖ ❖3 ❖ ❖4
56
决定簇位点
氨基酸残基及位置
62 残基数
❖交叉反应
➢Ag除与相应Ab发生特异性反应外，有时还可 与其它Ab或Ag发生反应，称为交叉反应（ cross reaction） ▪ 因两种AD在化学结构上有部分相似
• 肺炎荚膜多糖3型(S3)与8型 (S8)均含有纤维二糖 醛酸残基结构，有一定相似性，故与马抗S3血清 或马抗S8血清相遇时，两者均出现一定程度的交 叉反应
▪ 1个多糖AD含5~7个葡萄糖残基
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❖ 抗原决定簇位点分布 ➢抗原决定簇的位点分布对抗原特异性 具有决定性意义
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Sela等用多聚-DL-Ala和聚-L-Lys合成的多肽研究
残基侧 链间距 离扩大
AD外 露分子
表面
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HO3S
❖*
HO3S
HO3S
NH3+Cl-
+
HNO2
pH 0~1
冷
HO3S
N N+Cl- + 2H2O
N N+Cl- + HO
C=O CH2 CH NH
蛋白质中Tyr残基
OH N=N
CH2 CH NH C=O
pH 8~9
偶氮苯磺酸蛋白质（抗原）
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Lys-Ala-Ser-Glu-Asp-Leu-Lys
94 1
99 15 16
21 22
(Ala)-Lys-Val-Glu-Ala-Asp-Val-(Ala)
56
62
2Ala-ThLyrs--ALlay9-4Sser--GHlu-iAssp--LLeuy-Lsys-9I9le
7
3
Ala-Thr-Lys-His-Lys-Ile
❖意义
➢ AD是被免疫细胞识别的靶结构，是免 疫反应具有特异性的物质基础
➢ AD大小、数目、性质、构型和构象决 定着抗原的特异性
•43
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(一) 抗原决定簇对抗原特异性的影响
❖抗原决定簇分子大小 ➢ 受抗体抗原结合部位大小限制
▪ 1个蛋白质或多肽分子的AD含5~7个氨基酸 残基
AD处 于分 子内 侧
图2-3 3种合成的叉链多聚氨基酸
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❖抗原免疫原性必要条件 ➢AD外露在分子表面(与抗体结合的只是抗原
分子表面的AD ) ▪ BSA含18个AD，暴露在分子表面与抗体特
异性结合的只有6个。BSA酶解后，内部AD 暴露出来，成为新生的 AD，可引起免疫反 应
第二章 抗原特异性的分子基础
❖一、抗原的概念 ❖二、抗原的分类 ❖三、抗原决定簇 ❖四、抗原结构的免疫化学
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The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2008
❖"for his discovery of human papilloma（乳头瘤） viruses causing cervical cancer"
➢直接确定线性及构象性抗原表位方法, 又称蛋 白质足迹分析( Protein footprinting)
➢理论依据:抗原-抗体复合物结合部位能抵抗蛋 白酶水解
➢采用质谱技术已成功确定细胞色素C , 胃泌素 释放肽(GRP) , 脂碱性磷酸酶( PLAP) 等抗原 表位
▪ Lemmel C, Stevanović S. The use of HPLC-MS in Tcell epitope identification. Methods 29 (2003) 248 ~259
❖免疫原性（immunogenicity，抗原性） ➢指抗原能刺激机体产生免疫应答，即产生 抗体或致敏淋巴细胞的能力
❖反应原性 (immunoreactivity，免疫反应性） ➢指抗原与相应免疫效应物质（抗体和致敏 淋巴细胞）在体内或体外发生特异性反应 的特性
•10
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❖2. 化学“切割”法或酶法
➢① 化学法或酶“切割”抗原, 分离抗原肽 段, 研究其与不同McAb的作用, 确定抗原 表位 ▪ 该法对蛋白质一级结构不作要求, 测定结 果只能是抗原的线性表位
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❖②水解抗原-抗体复合物
半抗原+载体=完全抗原 •XNC CHEM
问题
➢什么是抗原的特异性 ？ ➢决定抗原特异性的物质基础 ？
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抗原的特异性（antigen specificity)
❖ 指抗原诱导机体产生特异性免疫应答 并与免疫应答产物发生专一结合的特 性
决定抗原特异性 的物质基础？
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