第1章 免疫球蛋白及其超家族

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三 抗体与抗原结合的亲和力和亲 合力
亲和力或结合力：在抗原抗体反应体系中，如果 抗体比抗原的浓度低的多，那么在平衡时抗体分 子结合抗原的比率取决于抗原分子的浓度和抗原 抗体结合的强度。在这一状态下，能使一半的抗 原形成复合物，而另一半游历状态的抗原浓度可 衡量结合力或亲和力的大小。
抗原浓度以体积摩尔浓度测定，称为相互作用的 解离常数（Kd), Kd越小，亲和力越大。
第一章 免疫球蛋白及其超家族
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 免疫球蛋白的结构 免疫球蛋白的生物合成和基因结构 免疫球蛋白的生物学功能 单克隆抗体及基因工程抗体 免疫球蛋白超家族的组成和特点
第一节 免疫ห้องสมุดไป่ตู้蛋白的分子结构 与特性
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免疫球蛋白是一类其分子结构和功能研究得最为清楚 的免疫分子。关于免疫球蛋白分子的结构和功能的研 究是现代免疫学中的一大突破。尽管抗体的发现很早， 但由于在血清中存在的抗体分子不均一，即有异质性， 故对其结构的研究十分困难。 • 自发现多发性骨髓瘤病人血清中含有均一的免疫球蛋 白(单克隆Ig)后,在1959～1963年R.Porter和G.Edelman 采用酶及还原剂消化和分离免疫球蛋白技术,弄清了免 疫球蛋白的基本结构,从而提出免疫球蛋白的结构模型。
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• 针对某一线性决定簇和构象决定簇的特 异性抗体可用来确定某一蛋白处于变性 状态还是自然状态。 • 蛋白质可能倾向于共价修饰，如磷酸化 或特异性的蛋白裂解，改变共价结构， 可产生新的抗原表位。（图） • 大分子物质可形成多个抗原决定簇。如 蛋白质由单体构成，具有多价性，可与 一个抗体上的多个结合位点或多个抗体 结合。
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（一）免疫球蛋白基因的结构 1. Ig重链可变区（V区）基因
• 重链基因座位于14号染色体。 V区基因 由V、D、J三种基因片段经重排后形成。 编码重链V区基因长约1000~2000kb，包 括V、D、J三种基因片段。每个V基因片 段上游有L基因片段，编码约20-30个疏 水性氨基酸的信号肽。
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一、免疫球蛋白的基本结构
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五类免疫球蛋白—IgG， IgM，IgA，IgE，IgD的 单体分子结构都是相似的， 即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)四条肽链构成的“Y” 字形的分子。 IgG,IgE,血 清型 IgA,IgD均是以单体 分子形式存在的,IgM是以 五个单体分子构成的五聚 体,分泌型的IgA是以二个 单体构成的二聚体。
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• 一旦一个B细胞合成出一种完整的重链和轻链， 就不能再产生另外一种带有不同V区的重链和 轻链。 • 成熟的B细胞：进入外周血液循环和淋巴组织， 膜上带有IgM和IgD,具有相同的V区和抗原特异 性，对抗原刺激能产生应答。有些B细胞并不 表达IgD。除非遇到抗原刺激，否则经过3-4天 的半衰期后死亡。 • 激活的B细胞：成熟的B细胞遇到抗原刺激后形 成的。细胞发生增殖和分化，分泌性Ig增多， 而膜Ig减少，并表达γ α ε 。 一部分不分泌 抗体，形成记忆细胞。
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一 生物性抗原的结构特征
磷脂或磷脂多糖复合物：抗原决定簇完全具有 大分子共价结构的功能 蛋白质：相邻的氨基酸残基形成的表位称为线 形决定簇。长度大约6个氨基酸。大多数情况 下，自然状态下的线形决定簇不能与抗体结合， 只有当蛋白质变性的时候才能结合。线形氨基 酸序列不同部位的氨基酸残基通过折叠形成空 间结构，称为构象决定簇。
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(一)重链(heavy chain, H链)
• 重链大约是由 420～440个氨基酸组成，分子重大约为 50000～77000，两条重链之间由一对或一对以上的二硫键(S-S-)互相连接。 • 重链从氨基端(N端)开始最初的110个氨基酸(约占整个重链的 1/4)的排列顺序以及结构是随抗体分子的特异性不同而有所 变化,这一区域称为重链的可变区(variable region,简称V区),它 赋予抗体以特异性。 • 在重链的可变区(VH)内部,有四个区域的氨基酸最易发生变化, 称为高(超)变区(hypervariable region),氨基酸残基位置分别位 于 31～37,51～ 58,84～91,101～110,其余的氨基酸变化较小, 称为骨架区(framework regions)。
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二 B淋巴细胞的成熟
• 前B细胞：胞质中出现重链 μ δ （包括V区和 C区），与一种非免疫球蛋白结合，该蛋白的 作用是防止新合成的μ 链降解和促进膜免疫球 蛋白的合成。 • 不成熟的B细胞：合成K和λ 链，与重链结合， 组装成IgM,暴露于细胞表面，作为抗原的特异 受体。受抗原刺激后，不能增殖和分化。一旦 遇到抗原（多为自身抗原），就会产生不反应 性或耐受性。
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• 浆细胞：产生高水平分泌Ig，建立初次和再次 的免疫应答。 • 亲和力成熟：尽管每一B细胞克隆的成员都表 达同样的V区，但当对抗原应答时也会发生抗 体V区精细的变化，特别是分泌性抗体和抗原 特异性B细胞膜Ig的平均亲和力在抗原刺激后 随之增加，并且再次应答时明显高于初次应答， 即亲和力成熟。
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• 在轻链的可变区(VL)内部有三个高变区,氨基酸 残基位置分别位于26～32,48～55,90～95,这三 个部位的氨基酸变化特别大。其余的氨基酸变 化较小,称为骨架区。 • 免疫球蛋白的轻链根据其结构和抗原性的不同 可分为K(Kappa)型和λ (Lambda)型两个型,各 类免疫球蛋白的轻链都是相同的,而各类免疫球 蛋白都有K型和λ 型两型轻链分子。型和λ 型轻链的差别主要表现在C区氨基酸组成和结 构的不同,因而抗原性不同,这也是轻链分型的 依据。
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重链（2）
• 其余的氨基酸(占重键的3/4)数量、种类、排列顺序及含糖 量都比较稳定,称为稳(恒)定区(constant region,简称C区)。
• 免疫球蛋白的重链有五种类型-γ μ α ε δ ,由此决定 了免疫球蛋白的类型,即IgG,IgM,IgA,IgE,IgD的重链分别 为γ μ α ε δ 。因此同一种动物,不同种类免疫球蛋 白的差别就是由重链所决定的。
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• 尾片：重链μ 和α 的分泌形式在近羧基端的最 后一个CH功能区有一附加的延伸的非球形序 列，称之。 • 连接链（J）：为一附加的15KD多肽。以二硫 键连接尾片，形成稳定的多聚体，如IgM的五 聚体，IgA的二聚体。 • 所有的重链都有糖基化的N端，即含有与天冬 氨酸侧链相连的N连接的寡糖基团。
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二 抗原与抗体结合的结构基础
• 不同抗原特异性抗体的VL和VH不同，变化多 位于超变区内。 • 超变区中的变化，既可通过自发突变，也可通 过特异性点突变产生，最终改变抗原结合的特 异性。 • 晶体衍射分析显示，形成伸展的环，暴露在抗 体的表面，与抗原发生作用。 • 抗原抗体晶体衍射分析显示，超变区氨基酸能 与抗原紧密结合。CDR3结合最紧密且变异最 大。
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(三)免疫球蛋白的功能区(domain of immunoglobulin)
• 免疫球蛋白的多肽链分子可折叠形成几个由链内二硫键 连接成的环状球形结构，这些球形结构称为免疫球蛋白 的功能区(domain)。 • IgG,IgA,IgD的重链有四个功能区,其中有一个功能区在 可变区,其余的在恒定区,分别称为VH.CH1,CH2,CH3； IgM和lgE有五个功能区,即多了一个CH4。 • 轻链则有两个功能区,即VL和CL,分别位于可变区和恒定 区。免疫球蛋白的每一个功能区都是由约110个氨基酸 残基组成。 •
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二 免疫球蛋白的微细结构 1. 轻链结构
所有抗体的轻链都可分成两类或两个同型，K(Kappa)型和 λ (Lambda) 。 每一轻链都形成V区和C区，各大约110个氨基酸。在V区， 有3个超变区，分别为CDR1, CDR2和CDR3, 每一个大约10 个氨基酸，其中CDR3最可变。 不同抗体分子的CDR之间序列的不同，引起了突起并具有 独特的化学结构。
2. 重链结构
• 同轻链一样，重链残基变异最大的区域也集中 于CDR1, CDR2和CDR3。 • 所有重链都可以表达成两种分子形式，区别在 于最后一个CH功能的近羧基端氨基酸序列的 不同。 • 血浆中的分泌抗体：末端带电的和亲水的氨基 酸残基。膜抗体：包含大约26个不带电的亲水 侧链后跟着数目不等的带电氨基酸形成胞质片 段。亲水残基形成a-螺旋，穿过膜脂质双层的 亲水部分；氨基酸碱性侧链与膜表面的磷脂群 相互作用。
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(二)轻链(light chain, L链)
• 轻链是由 213～214 个氨基酸组成，分子量约为 22500。两条相同的轻链其羧基端(C端)靠二硫键 分别与两条重链连接。 • 轻链从氨基端开始最初的109个氨基酸(约占轻链 的1/2)的排列顺序以及结构是随抗体分子的特异性 变化而有差异,称为轻链的可变区(variable region,V 区),与重链的可变区相对应,构成抗体分子的原结 合部位,其余的氨基酸比较稳定,称为轻链的恒定区 (constant region,C区)。
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Ig的绞链区
• 在两条重链之间二硫键连接处附近的重链恒定区,即 CH1与CH2之间大约30个氨基酸残基的区域为免疫球 蛋白的绞链区(hinge region),由 2～5个链间二硫键、 CH1尾部和CH2头部的小段肽链构成。 • 此部位与抗体分子的构型变化有关,当抗体与抗原结合 时,该区可转动,以便一方面使可变区的抗原结合点尽量 与抗原结合,可与不同距离的两个抗原表位结合,起弹性 和调节作用;另一方面可使抗体分子变构,使其补体结合 位点暴露出来。 • 免疫球蛋白的绞链区具有坚韧性,这与该部位含较多脯 氨酸残基有关
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• 1.VH-VL这是抗体分子结合抗原的所在部位。 • 2.CH1-CL为遗传标志所在。 • 3.CH2为抗体分子的补体结合位点,与补体的活 化有关。 4.CH3与抗体的亲细胞性有关,IgG同 一些免疫细胞的Fc受体结合就是这个部位。 • 免疫球蛋白的这些功能区虽然功能不同，但其 结构上却具有明显的相似性，即同源性 (homology),故又称免疫球蛋白的同源区。这种 结构上的相似性提示这些功能区最初可能是由 单一基因编码,通过基因复制和突变而衍生进化 而成。
免疫球蛋白（Ig）分子由IGK,IGL和IGH基因 编码。这些基因定位于不同的染色体。1965年 Dreyer和Bennett提出假设认为，Ig的V区和C区 由分隔存在的基因所编码，在淋巴细胞发育过 程中这两个基因发生易位而重排在一起。1976 年Hozumi和Tonegawa应用DNA重组技术证实 了这一假设。 Tonegawa因在免疫球蛋白基因 结构研究方面有重大突破而获1987年诺贝尔生 理和医学奖。
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B细胞产生Ig的两个特征
• 每一B细胞克隆及其子代仅对一种抗原决定簇 是特异的。在两套亲本的Ig等位基因中，只有 一套在B细胞克隆的最早成熟时期表达，称为 等位基因排斥。这是B和T淋巴细胞抗原受体的 共同特征。 • 每一B细胞克隆只能产生一种K链或一种λ 链， 称为亲链同型排斥。
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三 免疫球蛋白的基因结构
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3. 重链与轻链的连接
• 重链与轻链间的相互作用包括共价连接和非共 价连接。 • 共价连接存在于以二硫键连接的轻链羧基端和 重链CH1区；非共价连接主要来自于CL区与 CH1区以及VL与VH之间的疏水作用。
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二 抗体分子与抗原的结合
• 生物性抗原的结构特征 • 抗体与抗原结合的结构基础 • 抗体与抗原结合的亲和力和亲合力
在天然的血清中，含有某一特殊抗原而 具有不同亲和力的抗体混合物中，主要 依靠CDR准确的氨基酸序列。
亲和力的成熟：一个抗体分子的平均亲 和力可通过重复免疫而增强。 亲合力：所有位点结合力的总和称为亲 合力。
第二节 免疫球蛋白的生物合成和基因结构
一. 抗体库的多样性
• 抗体库：每一个体能产生抗体特异性的总和。 • 初级抗体库：个体在对不同抗原初次免疫应答 中产生的所有抗体的总和。这取决于免疫之前 就存在并表达明确抗原特异性膜Ig分子的B细 胞克隆数目，每一个体估计有约109或更多。