Антитела и антителообразование

11.1.1. Природа антител

Одной из форм реагирования иммунной системы в ответ на внедрение в организм ан-тигена является биосинтез антител — белков, cпецифически реагирующих с антигенами. Антитела, также как и фагоцитоз, — это одна из наиболее филогенетически древних форм иммунной защиты. Антительный ответ обна­руживается уже у некоторых видов рыб.

Антитела относятся к у-глобулиновой фракции белков сыворотки крови. На долю ga-глобулинов приходится 15—25 % белково­го содержания сыворотки крови, что состав­ляет примерно 10—20 г/л. Поэтому антитела получили название иммуноглобулинов, и их обозначают символом Ig. Следовательно, антитела — это ga- глобулины, вырабатыва­емые в ответ на введение антигена, способ­ные специфически связываться с антигеном и участвовать во многих иммунологических реакциях. Антитела синтезируются В-лим-фоцитами и их потомками — плазматичес-

кими клетками.

Иммуноглобулины существуют в циркули­рующей форме, в виде рецепторных молекул на иммунокомпетентных клетках и миелом-ных белков. Циркулирующие антитела под­разделяются на сывороточные и секреторные. К антителам могут быть также отнесены белки Бенс-Джонса, которые являются фрагмента­ми молекулы lg (его легкая цепь) и синтезиру­ются в избытке при миеломной болезни.

Строение и функцию антител изучали мно­гие видные ученые. П. Эрлих (1885) пред­ложил первую теорию гуморального имму­нитета. Э.Беринг и С. Китазато (1887) по­лучили первые антитоксические сыворотки к дифтерийному и столбнячному токсинам. А. Безредка (1923) разработал метод безопас­ного введения пациентам лечебных иммунных сывороток. Уже в наши дни большая заслуга в расшифровке строения молекулы Ig при­надлежит Д. Эдельману и Р. Портеру (1959), а разгадка многообразия антител — трудам Ф. Бернета (1953) иС. Тонегавы (1983).

Вследствие высокой специфичности и зна­чимости в формировании гуморального имму­нитета, антитела используют для диагностики, профилактики и лечения соматических и ин­фекционных заболеваний, выделения и очист-

ки биологически активных веществ. Для этого на основе специфических иммуноглобулинов созданы соответствующие иммунобиологичес­кие препараты (лечебные и диагностические сыворотки, диагностикумы и пр.).

11.1.2. Молекулярное строение антител

Иммуноглобулины являются гликопроте-идами. Их молекула состоит из нескольких соединенных вместе полипептидных цепей, стабилизированных сахаридными остатками. При нагревании выше 60 °С молекула Ig дена­турируется. Иммуноглобулины различаются по структуре, атигенному составу, а также по выполняемым функциям.

Молекулы Ig, несмотря на их видимое раз­нообразие, имеют универсальное строение (рис. 11.1). Если молекулу Ig обработать 2-мер-каптоэтанолом, то она распадется на 2 пары полипептидных цепей: две тяжелых (550-660 аминокислотных остатков, молекулярный вес 50 кДа) и две легких (220 аминокислотных остатков, молекулярный вес — 20—25 кДа). Обозначают их как Н- (от англ. heavy — тя­желый) и L- (от англ. light — легкий) цепи.

Тяжелые и легкие цепи связаны между собой попарно дисульфидными связями (-S-S-).

Между тяжелыми цепями также есть ди-сульфидная связь. Это так называемый «шар­нирный» участок. Такой тип межпептидно­го соединения придает структуре молекулы динамичность — он позволяет легко менять конформацию в зависимости от окружающих условий и состояния. Шарнирный участок ответствен за взаимодействие с первым ком­понентом комплемента (С1) и активацию его по классическому пути.

Легкие и тяжелые полипептидные цепи молекулы Ig имеют определенные варианты структуры или типы. Они определяются пер­вичной аминокислотной последовательнос­тью цепей и степенью их гликозилирования. Легкие цепи бывают 2 типов: к и лямбда. (каппа и лямбда). Тяжелых цепей известно 5 типов: а, у, ню, е и дельта (альфа, гамма, мю, эпсилон и де­льта), — которые имеют также и внутреннее подразделение. Среди многообразия цепей а-типа выделяют alfal- и alfa2- подтипы, а nu-це-пей— ню1- и ню2-. Для gama-цепи известны 4 подти­па: yl-, у2-, уЗ- гама4-.

Вторичная структура полипептидных цепей молекулы lg обладает доменным строением. Это означает, что отдельные участки цепи свернуты в глобулы (домены), которые со­единены линейными фрагментами. Домены стабилизированы внутренней дисульфидной связью. Таких доменов в составе тяжелой цепи lg бывает 4—5, а в легкой — 2. Каждый домен состоит примерно из 110 аминокислот­ных остатков.

Домены различаются по постоянству ами­нокислотного состава. Выделяют С-домены (от англ. constant — постоянный), с неизменной, или постоянной, структурой полипептидной цепи, и V-домены (от англ. variable — измен­чивый), с переменной структурой. В составе легкой цепи есть по одному V- и С-доме-ну, а в тяжелой — один V- и 3—4 С-домена. Примечательно, что не весь вариабельный домен изменчив по своему аминокислотному составу, а лишь его незначительная часть — гипервариабельная область, на долю которой приходится около 25 %.

Вариабельные домены легкой и тяжелой цепи совместно образуют участок, который специфически связывается с антигеном. Это антигенсвязывающий центр молекулы lg, или паратоп.

Гипервариабельные области тяжелой и лег­кой цепи определяют индивидуальные осо­бенности строения антигенсвязывающего центра для каждого клона lg и многообразие их специфичностей.

Обработка ферментами молекулы lg при­водит к ее гидролизу на определенные фраг­менты. Так, папаин разрывает молекулу вы­ше шарнирного участка и ведет к образо­ванию трех фрагментов (рис. 11.1). Два из них способны специфически связываться с антигеном. Они состоят из цельной легкой цепи и участка тяжелой (V- и С-домен), и в их структуру входят антигенсвязывающие участки. Эти фрагменты получили название Fab (от англ. «фрагмент, связывающийся с ан­тигеном»). Третий фрагмент, способный обра­зовывать кристаллы, получил название Fc (от англ. «фрагмент кристаллизующийся»). Он от­ветствен за связывание с рецепторами на мем-

бране клеток макроорганизма (Fc-рецепторы) и некоторыми микробными суперантигенами (например, белком А стафилококка). Пепсин расщепляет молекулу lg ниже шарнирного участка и ведет к образованию 2 фрагментов: Fc и двух сочлененных Fab, или F(ab)_r

Помимо вышеописанных, в структуре моле­кул lg обнаруживают дополнительные поли­пептидные цепи. Так, полимерные молекулы IgM и IgA содержат J-nenmud (от англ. join — соединяю). Он объединяет отдельные мономе­ры в единое макромолекулярное образование (см. разд. 11.1.3) и обеспечивает превращение полимерного lg в секреторную форму.

Молекулы секреторных lg в отличие от сы­вороточных обладают особым S-пептидом (от англ. secret — секрет). Это так называемый секреторный компонент. Его молекулярная масса составляет 71 кДа, и он является be-гло­булином. Секреторный компонент — продукт деградации рецептора эпителиальной клетки к J-пептиду. Он обеспечивает перенос молекулы Ig через эпителиальную клетку в просвет ор­гана (трансцитоз) и предохраняет ее в секрете слизистых от ферментативного расщепления.

Рецепторный lg, который локализуется на цитоплазматической мембране В-лимфоци-тов и плазматических клеток, имеет допол­нительный гидрофобный трансмембранный М-пептид (от англ. membrane — мембрана). Благодаря гидрофобным свойствам он удер­живается в липидном бислое цитоплазмати­ческой мембраны, прочно, как якорь, фикси­рует рецепторный lg на мембране иммуноком-петентной клетки и проводит рецепторный сигнал через цитоплазматическую мембрану внутрь клетки.

J- и М-пептиды присоединяются к молеку­ле lg в процессе ее биосинтеза. S-пептид яв­ляется продуктом эпителиальной клетки— он присоединяется к полимерной молекуле lg при ее транслокации через эпителиальную клетку.

11.1.3. Структурно-функциональные особенности иммуноглобулинов различных классов

В зависимости от особенностей молекулярно­го строения тяжелой цепи (т. е. наличия изоти-пических, или групповых антигенных детерми-

нант) различают 5 классов, или изотипов Ig (рис. 11.2). Молекулы, содержащие тяжелую цепь ос-типа, относят к изотипу А (сокращенно IgA); IgD обладает 8-цепью, IgE— eps-цепью, IgG— у-цепью и IgM — ц-цепью. Соответственно осо­бенностям строения подтипов тяжелых цепей различают и подклассы Ig.

В структуре молекул Ig разных классов про­слеживается общая закономерность — все они построены из одних и тех же элементов, которые были описаны в разд. 9.5.1.2. Однако для каждого изотипа характерны свои осо­бенности. В частности, IgD, IgE и IgG имеют мономерное строение, IgM — практически всегда является пентамером, а молекула IgA может быть моно-, ди- и тримером. Наиболее характерные черты, присущие различным изотипам Ig, приведены в табл. 11.1.

Иммуноглобулин класса G. Изотип G состав­ляет основную массу Ig сыворотки крови. На его долю приходится 70—80 % всех сывороточ­ных Ig, при этом 50 % содержится в тканевой жидкости. Среднее содержание IgG в сыворот­ке крови здорового взрослого человека 12 г/л. Этот уровень достигается к 7—10-летнему воз­расту. Период полураспада IgG — 21 день.

IgG — мономер, имеет 2 антигенсвязы-вающих центра (может одновременно свя­зать 2 молекулы антигена, следовательно, его валентность равна 2), молекулярную массу около 160 кДа и константу седиментации 7S. Различают подтипы Gl, G2, G3 и G4. Синтезируется зрелыми В-лимфоцитами (В) и плазматическими клетками. Хорошо опре­деляется в сыворотке крови на пике первич­ного и при вторичном иммунном ответе.

Обладает высокой аффинностью. IgGl и IgG3 связывают комплемент, причем G3 ак­тивнее, чем Gl. IgG4, подобно IgE, обладает цитофильностью (тропностью, или сродс­твом, к тучным клеткам и базофилам) и участ­вует в развитии аллергической реакции I типа (см. разд. 11.4). В иммунодиагностических реакциях IgG может проявлять себя как не­полное антитело (см. далее).

Легко проходит через плацентарный барь­ер и обеспечивает гуморальный иммунитет новорожденного в первые 3—4 месяца жизни. Способен также выделяться в секрет слизис­тых, в том числе в молоко путем диффузии.

IgG обеспечивает нейтрализацию, опсони-зацию и маркирование антигена, осуществля­ет запуск комплемент-опосредованного цито­лиза и антителозависимой клеточно-опосре-дованной цитотоксичности.

Иммуноглобулин класса М. Наиболее круп­ная молекула из всех Ig. Это пентамер, кото­рый имеет 10 антигенсвязывающих центров, т.е. его валентность равна 10. Молекулярная масса его около 900 кДа, константа седи­ментации 19S. Различают подтипы Ml и М2. Тяжелые цепи молекулы IgM в отличие от других изотипов построены из 5 доменов. Период полураспада IgM — 5 дней.

На его долю приходится около 5—10 % всех сывороточных Ig. Среднее содержание IgM в сыворотке крови здорового взрослого человека составляет около 1 г/л. Этот уровень у человека достигается уже к 2—4-летнему возрасту.

IgM филогенетически — наиболее древний иммуноглобулин. Синтезируется предшест­венниками и зрелыми В-лимфоцитами (В). Образуется в начале первичного иммунного ответа, также первым начинает синтезиро­ваться в организме новорожденного — опре­деляется уже на 20-й неделе внутриутробного развития.

Обладает высокой авидностью, наиболее эффективный активатор комплемента по клас­сическому пути. Участвует в формировании сывороточного и секреторного гуморального иммунитета. Являясь полимерной молекулой, содержащей J-цепь, может образовывать сек­реторную форму и выделяться в секрет сли­зистых, в том числе в молоко (механизм — см.

IgA). Большая часть нормальных антител и изоагглютининов относится к IgM.

Не проходит через плаценту. Обнаружение специфических антител изотипа М в сыво­ротке крови новорожденного указывает на бывшую внутриутробную инфекцию или де­фект плаценты.

IgM обеспечивает нейтрализацию, опсони-зацию и маркирование антигена, осуществля­ет запуск комплемент-опосредованного цито­лиза и антителозависимой клеточно-опосре-дованной цитотоксичности.

Иммуноглобулин класса А. Существует в сы­вороточной и секреторной формах. Около 60 % всех IgA содержится в секретах слизистых.

Сывороточный IgA: На его долю прихо­дится около 10—15 % всех сывороточных Ig. В сыворотке крови здорового взрослого чело­века содержится около 2, 5 г/л IgA, максимум достигается к 10-летнему возрасту. Период полураспада IgA — 6 дней.

IgA — мономер, имеет 2 антигенсвязыва-ющих центра (т. е. 2-валентный), молекуляр­ную массу около 170 кДа и константу седи­ментации 7S. Различают подтипы А1 и А2. Синтезируется зрелыми В-лимфоцитами (В_alfa) и плазматическими клетками. Хорошо опре­деляется в сыворотке крови на пике первич­ного и при вторичном иммунном ответе.

Обладает высокой аффинностью. Может быть неполным антителом. Не связывает комплемент. Не проходит через плацентар­ный барьер.

IgA обеспечивает нейтрализацию, опсони-зацию и маркирование антигена, осуществля­ет запуск антителозависимой клеточно-опос-редованной цитотоксичности.

Секреторный IgA: В отличие от сывороточ­ного, секреторный IgA (slgA) существует в полимерной форме в виде ди- или тримера (4- или 6-валентный) и содержит J- и S-пеп-тиды. Молекулярная масса 350 кДа и выше, константа седиментации 13S и выше.

Синтезируется В_al-лимфоцитами и их по­томками — плазматическими клетками со­ответствующей специализации только в пре­делах слизистых и выделяется в их секреты. Объем продукции может достигать 5 г в сутки. Пул slgA считается самым многочисленным в организме — его количество превышает сум-

марное содержание IgM и IgG. В сыворотке крови slgA не обнаруживается.

Формирование молекулы slgA происходит при прохождении через эпителиальную клетку, где он присоединяется к секреторному компо­ненту. На базальной и латеральной поверхности эпителиальная клетка несет рецептор к J-цепи полимерной молекулы Ig (JR). Образующийся после взаимодействия этого рецептора с поли­мерной молекулой IgA комплекс эндоцитиру-ется клеткой в виде везикулы. Затем везикула переносится к апикальной поверхности эпите-лиоцита, где JR подвергается ферментативному расщеплению. В итоге IgA высвобождается в слизистый секрет просвета органа уже в секре­торной форме — оставшийся прикрепленным к молекуле Ig фрагмент JR является S-цепью.

Секреторная форма IgA — основной фак­тор специфического гуморального местного иммунитета слизистых оболочек желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы и респираторного тракта. Благодаря S-цепи он устойчив к действию протеаз. sIgA не активи­рует комплемент, но эффективно связывается с антигенами и нейтрализует их. Он препятс­твует адгезии микробов на эпителиальных клетках и генерализации инфекции в преде­лах слизистых.

Иммуноглобулин класса Е. Называют так­же реагином. Содержание в сыворотке крови крайне невысоко — примерно 0, 00025 г/л. Обнаружение требует применения специаль­ных высокочувствительных методов диагнос­тики. Молекулярная масса — около 190 кДа, константа седиментации — примерно 8S, мо­номер. На его долю приходится около 0, 002 % всех циркулирующих Ig. Этот уровень дости­гается к 10—15 годам жизни.

Синтезируется зрелыми В-лимфоцитами (В_Е) и плазматическими клетками преиму­щественно в лимфоидной ткани бронхолегоч-ного дерева и ЖКТ.

Не связывает комплемент. Не проходит че­рез плацентарный барьер. Обладает выражен­ной цитофильностью — тропностью к тучным клеткам и базофилам. Участвует в развитии гиперчувствительности немедленного типа — реакция 1 типа (см. разд. 11.4).

Иммуноглобулин класса D. Сведений об Ig данного изотипа не так много. Практически

полностью содержится в сыворотке крови в концентрации около 0, 03 г/л (около 0, 2 % от общего числа циркулирующих Ig). IgD имеет молекулярную массу 160 кДа и константу се­диментации 7S, мономер.

Не связывает комплемент. Не проходит че­рез плацентарный барьер. Является рецепто­ром предшественников В-лимфоцитов.

Рецепторные иммуноглобулины. Рецепторные, или мембраные Ig, локализуются на цитоп-лазматической мембране В-лимфоцитов. Выполняют функции антигенспецифических рецепторов. Рецепторные Ig имеют те же изо-тип и специфичность, что и синтезируемые в межклеточную среду антитела. Структурное отличие от секретируемых антител заключа­ется в особом, дополнительном М-пептиде, благодаря которому молекула рецепторного Ig фиксируется в цитоплазматической мембране иммунокомпетентной клетки.

Нормальные антитела. В сыворотке кро­ви человека всегда определяется базальный уровень иммуноглобулинов, которые получи­ли название нормальных, или естественных, антител. К нормальным антителам относят изогемагглютинины — антитела различной аффинности и специфичности направленные против эритроцитарных антигенов групп кро­ви (система АВО), а также против бактерий кишечной группы, кокков и некоторых ви­русов. Эти антитела постоянно образуются в организме без явной антигенной стимуляции. С одной стороны, они отражают готовность макроорганизма к иммунному реагированию, а с другой — могут свидетельствовать об отда­ленном контакте с антигеном.

Моноклональные антитела. Каждый В-лим-фоцит и его потомки, образовавшиеся в ре­зультате пролиферации (т. е. клон), способны синтезировать антитела с паратопом строго определенной специфичности. Такие антитела получили название моноклональных. В природ­ных условиях макроорганизма получить моно­клональные антитела практически невозмож­но. Дело в том, что на одну и ту же антигенную детерминанту одновременно реагируют до 100 различных клонов В-лимфоцитов, незначи­тельно различающихся антигенной специфич­ностью рецепторов и, естественно, аффиннос­тью. Поэтому в результате иммунизации даже

монодетерминантным антигеном мы всегда получаем поликлоналъные антитела.

Принципиально получение моноклональ­ных антител выполнимо, если провести пред­варительную селекцию антителопродуцирую-щих клеток и их клонирование (т. е. выделение отдельных клонов в чистые культуры). Однако задача осложняется тем, что В-лимфоциты, как и другие эукариотические клетки, имеют ограниченную продолжительность жизни и число возможных митотических делений.

Проблема получения моноклональных ан­тител была успешно решена Д. Келлером и Ц. Мильштейном (1975). Авторы получили гибридные клетки путем слияния иммун­ных В-лимфоцитов с миеломной (опухоле­вой) клеткой. Полученные гибриды обладали специфическими свойствами антителопро-дуцента и «бессмертием» раковотрансфор-мированной клетки. Такой вид клеток полу­чил название гибридом. Гибридома хорошо размножается в искусственных питательных средах и в организме животных и в неогра­ниченном количестве вырабатывает антите­ла. В результате дальнейшей селекции были отобраны отдельные клоны гибридных кле­ток, обладавшие наивысшей продуктивнос­тью и наибольшей аффинностью специфи­ческих антител.

Гибридомные моноклональные антитела нашли широкое применение при создании диагностических и лечебных иммунобиоло­гических препаратов.

Полные и неполные антитела. Среди мно­гообразия Ig выделяют полные и неполные антитела. Деление основано на способности образовывать в реакции агглютинации или преципитации (in vitro) хорошо различимую глазом макромолекулярную структуру гига­нтского иммунного комплекса. Таким свойс­твом обладают полные антитела. К ним отно­сятся полимерные молекулы Ig (изотип М), а также некоторые IgA и IgG.

Неполные антитела лишены такой способ­ности, несмотря на то что они специфически связываются с антигеном. В связи с этим их еще называют непреципитирующими или блокирующими антителами. Причиной этого явления может быть экранирование одного из антигенсвязывающих центров мономерной

молекулы Ig, а также недостаточное число или малая доступность антигенных детерми­нант на молекуле антигена. Выявить непол­ные антитела можно при помощи реакции Кумбса — путем использования «вторых», ан-тииммуноглобулиновых антител (см. гл. 13).

Другие виды антител. Помимо вышеприве­денных различают тепловые и холодовые ан­титела. Первые взаимодействуют с антигеном при температуре +37 °С. Для вторых наиболь­шая эффективность связывания проявляется в диапазоне +4... —10°С. Понижение темпе­ратуры реакционной смеси позволяет в ряде случаев (например, при отсутствии специфи­ческого антигена) ограничить низкоаффин­ные взаимодействия и повысить специфич­ность реакции.

По способности активировать комплемент (классический путь) антитела подразделяют­ся на комплементсвязывающие (IgM, IgGl и IgG3) и комплементнесвязывающие.

В последние годы открыт вид антител, ко­торые выполняют функции катализаторов биохимических процессов — обладают про-теазной или нуклеазной активностью. Это реликтовые свойства антител. Такие антитела получили название абзимы.

Большим достижением молекулярной био­логии в области иммунологии, помимо гибри­дом, явилось получение белков со свойствами антител — это одноцепочечные антитела, би­функциональные антитела и иммунотокси-ны. Они синтезируются живыми биологичес­кими системами. Одноцепочечные антитела представляют собой фрагмент вариабельного домена Ig, который обладает определенной специфичностью и аффинностью и спосо­бен к блокирующему действию. Размер такой молекулы очень мал и практически не об­ладает иммуногенностью. Бифункциональные антитела имеют антигенсвязывающие цен­тры разной специфичности, т. е. направле­ны к различным антигенным детерминантам. Иммунотоксины представляют собой гибрид молекулы иммуноглобулина и токсина. Они способны направленно доставить молекулу токсина к клетке-мишени, убить ее или нару­шить в ней метаболические процессы.

Иммунотоксины и бифункциональные ан­титела имеют большое будущее. В перспекти-

ве их будут использовать для иммунодиагнос­тики, а также профилактики и лечения ин­фекционных, онкологических, аллергических и других заболеваний.

11.1.4. Антигенность антител
Иммуноглобулин, как и всякий белок, об­
ладает антигеностью и выраженной иммуно­
генностью. В молекуле Ig различают 4 типа
атигенных детерминант: видовые, изотопи­
ческие, аллотипические и идиотипические.
Видовые антигенные детерминанты характер­
ны для Ig всех особей данного вида (напри­
мер, кролика, собаки, человека). Они опреде­
ляются строением легкой и тяжелой цепи. По
этим детерминантам можно идентифициро­
вать видовую принадлежность антител.

Изотипические антигенные детерминанты являются групповыми. Они локализуются в тяжелой цепи и служат для дифференцировки семейства Ig на 5 изотипов (классов) и мно­жество подклассов (см. разд. 11.1.3).

Аллотипические антигенные детерминанты являются индивидуальными, т. е. присущими конкретному организму. Они располагаются в легкой и тяжелой полипептидных цепях. На ос­новании строения аллотипических детерминант можно различать особи внутри одного вида.

Идиотипические антигеннные детерми­нанты отражают особенности строения ан-тигенсвязывающего центра самой молекулы Ig. Они образованы V-доменами легкой и тяжелой цепи молекулы Ig. Обнаружение идиотипических антигенных детерминант послужило основанием для создания теории «идиотип-антиидиотипической» регуляции биосинтеза антител.

11.1.5. Механизм взаимодействия антитела
с антигеном

В процессе взаимодействия с антигеном принимает участие не вся молекула Ig, а лишь ее ограниченный участок — антигенсвязыва-ющий центр, или паратоп, который локали­зован в Fab-фрагменте молекулы Ig. Co своей стороны, антитело взаимодействует не со всей молекулой антигена сразу, а лишь с ее анти­генной детерминантой.

Антитела отличает специфичность взаимо­действия, т. е. способность связываться со

строго определенной антигенной детерми­нантом. Наиболее доступные для взаимодейс­твия эпитопы располагаются на поверхности молекулы антигена.

Связь антигена с антителом осуществляет­ся за счет слабых взаимодействий (ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи, элект­ростатические взаимодействия) в пределах антигенсвязывающего центра. Такая связь от­личается неустойчивостью — образовавшийся иммунный комплекс (ИК) может легко диссо­циировать на составляющие его компоненты. Поэтому взаимодействие антигена и антитела может быть представлено в виде уравнения:

[АГ] + [AT] < -> [ИК].

Продолжительность существования иммун­ного комплекса определяется целым рядом факторов. При этом важное значение имеют особенности антитела, антигена и условия, в которых происходит их взаимодействие.

К особенностям антитела следует отнести его аффинность и авидность.

Аффинность — сила специфического взаи­модействия антитела с антигеном (или энер­гия их связи). Эта характеристика зависит от степени стерического, или пространственно­го, соответствия (комплементарности) струк­туры антигенсвязывающего центра и анти­генной детерминанты. Чем выше их компле-ментарность, т. е. чем больше они подходят друг другу, тем больше образуется межмоле­кулярных связей и тем выше будет устойчи­вость и продолжительность жизни образовав­шегося иммунного комплекса. Структурные несоответствия антигенсвязывающего цен­тра и антигенной детерминанты существен­но снижают число образующихся связей и прочность взаимодействия антитела с анти­геном. Иммунный комплекс, образованный низкоаффинными антителами, чрезвычайно неустойчив, имеет малую продолжительность существования и быстро распадается на ис­ходные компоненты.

Установлено, что в условиях макроорганиз­ма с одной и той же антигенной детерминан-той способны одновременно прореагировать и образовать иммунный комплекс около 100 различных клонов антител. Все они будут отличаться структурой антигенсвязывающего центра и аффинностью. Аффинность антител

существенно меняется в процессе иммунного ответа в связи с селекцией наиболее спе­цифичных клонов В-лимфоцитов. Наименее аффинными считаются нормальные антите­ла. По расчетам, общее число различных ан-тигенспецифических клонов В-лимфоцитов достигает 10⁶—10⁷.

Под термином «авидность» понимают про­чность связывания антитела и антигена. Эта характеристика определяется аффинностью Ig и числом антигенсвязывающих центров. При равной степени аффинности наибольшей авид-ностью обладают антитела класса М, так как они имеют 10 антигенсвязывающих центров.

Особенности антигена также влияют на эф­фективность его взаимодействия с антите­лом. Так, важное значение имеют стерическая (пространственная) доступность антигенной детерминанты для антигенсвязывающего центра молекулы Ig и число эпитопов в соста­ве молекулы антигена.

Эффективность взаимодействия антитела с антигеном существенно зависит от усло­вий, в которых происходит реакция, и прежде всего от рН среды, осмотической плотнос­ти, солевого состава и температуры среды. Оптимальными для реакции антиген—ан­титело являются физиологические условия внутренней среды макроорганизма: близкая к нейтральной реакция среды, присутствие фосфат-, карбонат-, хлорид- и ацетат-ионов, осмолярность физиологического раствора (концентрация раствора 0, 15 М), а также тем­пература (36—37 °С).

11.1.6. Свойства антител

Благодаря уникальной способности спе­цифически связываться с антигенными де­терминантами, антитела выполняют в орга­низме ряд важнейших функций, как форма иммунного реагирования и фактор регуляции иммунореактивности. При этом необходимо дифференцировать эффекты специфическо­го, высокоаффинного взаимодействия и не­специфического, низкоаффинного.

В результате специфического взаимодейс­твия эпитопа молекулы антигена с парато-пом молекулы антитела может образоваться устойчивый иммунный комплекс с продол­жительностью жизни, достаточной для про-

явления эффекторных свойств молекулы им­муноглобулина. Это означает, что благодаря своим уникальным способностям антитела могут оказывать прямое или опосредованное воздействие на молекулы антигена: нейтрали­зовать или маркировать антиген, вызвать его деструкцию или элиминацию.

К прямым эффектам антител относится нейтрализация. Она достигается путем связы­вания и блокирования паратопом иммуног­лобулина активного центра биологически ак­тивной молекулы, например, токсина, рецеп­тора, лекарственного препарата и пр. Эффект имеет обратимый характер в случае распада иммунного комплекса и требует подключения других механизмов иммунной защиты (фаго­цитоз, лизис). На принципе нейтрализации основан механизм действия антитоксических, противовирусных и многих других лечебных иммунных сывороток.

Энзиматическое действие антител также относится к прямым эффектам. Они связаны со стабильной областью V-домена L-цепи. Благодаря реликтовой протеазной или нук-леазной активности (см. разд. 11.1.3), имму­ноглобулины способны вызывать деструкцию молекулы антигена (например, расщепление отдельных пептидов или ДНК).

В большинстве случаев взаимодействие ан­тител с антигеном в организме не влечет за собой непосредственно нейтрализацию био­логического действия последнего, а также его разрушение или утилизацию. Прочно связы­ваясь с эпиопом, антитела «маркируют» моле­кулу антигена — обозначают его как мишень для факторов элиминации или деструкции (фагоцитоз, лизис).

К непрямым эффектам относятся:

• активация комплемента по классическо­му пути и индукция комплемент-опосредо­ванного лизиса чужеродных клеток (см. разд. 9.2.3.3); наилучшими свойствами обладает IgM (IgM> IgG3> IgG1);

• запуск антителозависимой клеточно-опос-редованной цитотоксичности (см. разд. 11.3);

• опосредование гиперчувствительности не­медленного типа, или I типа (см. разд. 11.4);

• индукция иммунного фагоцитоза, приво­дящая к элиминации любых форм антигена из организма (см. разд. 11.2).

Клеточно-опосредованные эффекты имму­ноглобулинов реализуются благодаря экспрес­сии на мембране иммунокомпетентных клеток рецепторов к Fc-фрагменту молекулы имму­ноглобулина (FcR). Эти рецепторы являются трансмембранными белковыми молекулами и различаются по специфичности и аффинности. FcR всегда специализирован к определенному изотипу тяжелой цепи молекулы Ig. Различают высокоаффинные и низкоаффинные FcR. Первые могут взаимодействовать с интакт-ной молекулой иммуноглобулина, используя ее в дальнейшем как ко-рецепторный фактор (базофилы, тучные клетки); вторые — связы­ваются с молекулой lg в составе иммунного комплекса. Поэтому FcR называют непрямыми иммунорецепторами.

Помимо обладания эффекторными свойс­тва, антитела являются активными регуля­торами иммунореактивности. Так, Ig слу­жат антигенспецифическими рецепторами В-лимфоцитов. Благодаря выраженной цито-фильности, они также выполняют функцию специфических ко-рецепторных факторов ба-зофилов и тучных клеток₂ (см. выше).

Согласно теории «идиотип-антиидиотипи-ческого взаимодействия», антитела, специ­фичные к идиотипическим антигенным де­терминантам lg, могут управлять силой анти­тельного иммунного реагирования.

Активное специфическое связывание высо-коиммуногенных эпитопов специфическими антителами может блокировать развитие как гуморального, так и клеточного иммунного ответа. Этот эффект используется в клиничес­кой практике, например, для профилактики гемолитической болезни новорожденных в результате резус-конфликта.

Вместе с тем антитела могут неспецифи­чески взаимодействовать с молекулой анти­гена за счет неспецифической адсорбции или низкоаффинного связывания. Это позволя­ет антителам наряду с другими веществами участвовать в опсонизации антигена и таким образом неспецифически ингибировать его биологическое действие.

К неспецифическим свойствам антител от­носится также их способность захватывать ионы некоторых металлов — микроэлемен­тов или тяжелых металлов, таких как ртуть и

свинец. Кроме того, антитела могут взаимо­действовать с рядом суперантигенов. Однако их связывание происходит нетипично — без участия паратопа. В настоящий момент до­стоверно известно существование трех таких суперантигенов: протеина А стафилококка (SpA), gp 120 ВИЧ-1 и кишечного сиалопро-теина. Перечисленные суперантигены могут нейтрализовать биологическую активность антител и потенцировать иммунодефицитные состояния.

11.1.7. Генетика иммуноглобулинов

Молекулам Ig присуще не только уникаль­ное строение, но также и своеобразное ге­нетическое кодирование. Методами молеку­лярной генетики было доказано, что, в от­личие от других белков, структура молекулы Ig изначально контролируется не одним, а большим числом генов. Гены иммуноглобу­линов имеют фрагментарную организацию и образуют три группы, которые располагаются в трех различных хромосомах и наследуются независимо.

Первая группа генов содержит информацию о первичной аминокислотной последователь­ности легкой цепи к-типа, вторая — легкой цепи la.-типа, а третья — всех типов тяжелых цепей (al, ga, de, XZ), nu). Гены, относящиеся к

каждой группе, находятся на соответствую­щей хромосоме в непосредственной близости друг от друга. Они располагаются последо­вательно (рис. 11.3) и разделены интронами (некодирующие области).

Участок ДНК, кодирующий строение легкой цепи А.-типа, содержит 2 V-сегмента (контро­лируют структуру V-доменов) и 4 С-сегмента (контролируют структуру С-доменов). Между С- и V-сегментами располагается J-сегмент (от англ .join — соединяющий). Легкая цепь к-типа кодируется несколькими сотнями V-сегментов ДНК, 4 J-сегментами и одним С-сегментом. Группа генов, контролирующая структуру тя­желых цепей, имеет еще более сложное стро­ение. Наряду с V-, С- и J- сегментами ДНК в их состав входят 20 D-сегментов (от англ. diversity— разнообразие). Кроме того, имеется М-сегмент, который кодирует биосинтез мем-бранно-ассоциированного участка молекулы рецепторного Ig.

При созревании пре-В-лимфоцитов наблю­даются мощные перестройки в их генетичес­ком аппарате. Происходит произвольное сбли­жение отдельных фрагментов ДНК и сборка в пределах соответствующих хромосом единых функциональных генов. Пропущенные учас­тки ДНК исключаются из дальнейшего счи­тывания. Этот процесс называется сплайсинг

(англ. splicing — сращивание, состыковыва­ние). С функциональных генов в дальнейшем транскрибируется про-мРНК, а затем — окон­чательная мРНК, кодирующая первичную аминокислотную последовательность L- и Н-цепей молекулы Ig. Параллельно со сплайсин­гом в отдельных участках V-сегментов генов иммуноглобулинов наблюдается мутационный процесс и нематричная достройка олигонук-леотидов. Эти участки ДНК получили назва­ние гипермутабельные области.

Сплайсинг и мутационный процесс в генах Ig носят случайный, стохастический характер и происходят в каждом лимфоците независимо друг от друга. Явления, происходящие в генах Ig при их созревании, в бесконечное количес­тво раз повышают разнообразие V-доменов молекулы Ig. Они являются причиной непов­торимой уникальности структуры паратопов и идиотипических антигенных детерминант молекулы Ig, а также множественности анти­генной специфичности рецепторов В-лимфо-цитов и синтезируемых ими антител.

Таким образом, учитывая непрерывность лимфогенеза, в пределах организма уже предсу-ществуют или в любой момент могут возникнуть В-лимфоциты, специфичные к практически любому антигену. Молекулярно-генетическая теория происхождения многообразия специ-фичностей антител была подробно разработа­на С. Тонегавой (1983).

Дальнейшая дифференцировка В-лимфоци-тов, которая возникает при их продуктивной ак­тивации в процессе первичного иммунного от­вета, идет параллельно с их размножением. Она также сопровождается рекомбинационными перестройками в пределах иммуноглобулино-вых генов, но уже в пределах С-сегментов. Этот процесс проявляется последовательной сменой класса Ig: если на ранних этапах дифференци-ровки В-лимфоциты синтезируют Ig классов М и D, то на более поздних — классов G, А или Е (редко). Параллельно наблюдается «дрейф» (то­чечные перестройки) в V-сегментах. Это ведет к появлению вариаций в специфичности BCR и субклонированию В-лимфоцитов.

11.1.8. Динамика антителопродукции

Способность синтезировать антитела мак­роорганизм приобретает довольно рано. Уже

на 13-й неделе эмбрионального периода раз­вития возникают В-лимфоциты, синтезирую­щие IgM, а на 20-й неделе этот Ig можно опре­делить в сыворотке крови. С этого момента в организме начинается процесс непрерывного появления новых антителопродуцирующих клеток с различной специфичностью, которые исходно формируют базальный уровень анти­тел, преимущественно изотипа М — это нор­мальные антитела. Содержание Ig в сыворот­ке крови существенно меняется с возрастом, а также зависит от состояния макроорганизма. Концентрация антител достигает максимума к периоду полового созревания и сохраняется на высоких цифрах в течение всего репродук­тивного периода (период половой зрелости до старости). В старческом возрасте содержание антител снижается. Повышение количества Ig наблюдается при инфекционных заболевани­ях, аутоиммунных расстройствах; снижение его отмечено при некоторых опухолях и им-мунодефицитных состояниях.

При появлении во внутренней среде мак­роорганизма антигена иммунная система реагирует усилением биосинтеза специ­фических антител, что достигается путем размножения клонов антигенспецифичных клеток-анти гелопродуцентов. При этом ан­тиген выступает в роли не только триггер-ного, но и селектирующего фактора.

Преимущество получают клоны с на­ивысшей специфичностью, т. е. наиболь­шей аффинностью рецепторных молекул Ig. Параллельно с размножением идет про­цесс дифференцировки В-лимфоцитов. Наблюдается перестройка в геноме клеток и переключение их биосинтеза с крупной вы-сокоавидной молекулы IgM на более легкие и экономичные высокоаффинные IgG или IgA (редко IgE).

Антителопродукция в ответ на антигенный стимул имеет характерную динамику. Ее мож­но проследить на примере сывороточных Ig (рис. 11.4). Выделяют латентную (индуктив­ную), логарифмическую, стационарную фазы и фазу снижения. В латентную фазу антите­лопродукция практически не изменяется и остается на базальном уровне. В этот пери-

од происходит переработка и представление антигена иммунокомпетентным клеткам и запуск пролиферации антигенспецифичных клонов клеток-антителопродуцентов. Ввиду того, что клетки делятся дихотомически (т. е. надвое), прирост их численности происходит в логарифмической зависимости. Поэтому после первых циклов деления прирост числа клеток в общей массе невелик, и титры спе­цифических антител практически не изме­няются. Параллельно происходит созревание пре-В-лимфоцитов в зрелые формы, вклю­чаются процессы дифференцировки антите-лопродуцентов в плазматические клетки и переключение синтезируемых изотипов Ig.

Во время логарифмической фазы наблюдает­ся интенсивный прирост количества антиген-специфичных В-лимфоцитов, что находит от­ражение в существенном нарастании титров специфических антител.

В стационарной фазе количество специ­фических антител и синтезирующих их кле­ток достигает максимума и стабилизируется. Освобождение макроорганизма от антигена устраняет антигенный стимул, поэтому вслед за стационарной фазой начинается фаза сни-

жения. В этот период наблюдается постепен­ное уменьшение численности клонов спе­цифических антителопродуцентов и титров соответствующих антител.

Динамика антителообразования имеет ха­рактерную временную зависимость. Она так­же существенно зависит от первичности или вторичности контакта с антигеном. При пер­вичном контакте с антигеном развивается первичный иммунный ответ. Для него харак­терны длительная латентная (3—5 суток) и логарифмическая (7—15 суток) фазы. Первые диагностически значимые титры специфичес­ких антител регистрируются на 10—14-е сутки от момента иммунизации. Стационарная фаза продолжается 15—30 суток, а фаза снижения— 1—6 месяцев.

В течение первичного иммунного ответа под влиянием цитокинов Т2-хелпера происходит созревание и размножение клонов антигенс­пецифичных В-лимфоцитов. Их дифференци-ровка приводит к образованию плазматичес­ких клеток. Происходит также переключение биосинтеза Ig с изотипов М и D на G, А или Е. В итоге первичного иммунного реагиро­вания формируются многочисленные клоны

антигенспецифичных В-лимфоцитов: анти­тел опродуцирующих клеток и В-лимфоцитов иммунологической памяти, а во внутренней среде макроорганизма в высоком титре на­капливаются специфические IgG и/или IgA (а также IgE). Таким образом обеспечивается активное противодействие иммунной системы внедрению в макроорганизм антигена и высо­кая готовность к повторной встрече с ним.

Со временем антительный ответ угасает. Накопление в избытке свободных IgG/IgA по­тенцирует гибель активных антителопродуцен-тов. Элиминация антигена исключает новое стимулирование и клонообразования, а поя­вившиеся ранее плазматические клетки имеют короткую продолжительность жизни. Вместе с тем В-лимфоциты иммунологической памяти надолго остаются циркулировать в организме.

Повторный контакт иммунной системы с тем же антигеном ведет к формированию вторич­ного иммунного ответа (рис. 11.4). В отличие от первичного, для вторичного ответа характерна укороченная латентная фаза — от несколь­ких часов до 1—2 суток. Логарифмическая фа­за отличается более интенсивной динамикой прироста и более высокими титрами специ­фических антител. Для стационарной фазы и фазы снижения свойственна затяжная дина­мика (несколько месяцев или даже лет). При вторичном иммунном ответе организм сразу же, в подавляющем большинстве синтезирует IgG. Характерная динамика антителопродук-ции обусловлена подготовленностью иммун­ной системы к повторной встрече с антигеном за счет формирования иммунологической па­мяти (см. разд. 11.5). В результате этого клоны антигенспецифичных В-лимфоцитов, остав­шиеся после первичного иммунного реагиро­вания, быстро размножаются и интенсивно включаются в процесс антителогенеза.

Для развития гуморального иммунитета слизистых характерны те же процессы и дина­мика антителообразования. Однако в данном случае в слизистых в подавляющем большинс­тве созревают и размножаются В-лимфоциты, продуцирующие полимерные молекулы IgA.

Явление интенсивного антителообразова-ния при повторном контакте с антигеном широко используется в практических целях, например при вакцинопрофилактике. Для со-

здания и поддержания иммунитета на вы­соком защитном уровне схемы вакцинации предусматривают первичное введение анти­гена для формирования иммунологической памяти и последующие ревакцинации через различные интервалы времени (см. гл. 14).

Этот же феномен используют при получе­нии высокоактивных лечебных и диагности­ческих иммунных сывороток (гипериммунных). Для этого животным или донорам производят многократные введения препаратов антигена по специальной схеме.

Динамика и интенсивность антителообра-зования в значительной степени зависят от иммуногенности антигена (дозы, способа и кратности его введения), а также от состояния макроорганизма. Попытка повторного введе­ния антигена в латентной фазе может привес­ти к иммунологическому параличу — имму­нологической неотвечаемости на антиген в течение определенного периода времени.

11.1.9. Теории разнообразия антител

Для объяснения механизмов антителопро-дукции и разнообразия специфичности анти­тел было высказано множество гипотез и тео­рий, однако лишь немногие из них получили практическое подтверждение. Большинство теорий имеют чисто историческое значение.

Первой принципиально важной концеп­цией была теория «боковых цепей», которую выдвинул П. Эрлих (1898). Согласно этой тео­рии, клетки органов и тканей имеют на своей поверхности рецепторы, способные в силу химического сродства связывать антиген и инактивировать его; связанные с антигеном рецепторные молекулы отделяются с повер­хности клетки и замещаются вновь синтези­рованными. Эта теория заложила основные представления о гуморальном иммунитете и о рецепторах иммунокомпетентных клеток.

Заслуживаютвнимания «инструктивные»или «матричные» теории. Согласно концепциям, предложенным Ф. Брейнлем и Ф. Гауровитцем (1930), Л. Полингом (1940), антиген являет­ся матрицей, с которой штампуется молекула антител. Эти теории оказались тупиковыми в связи с открытием Д. Уотсоном и Ф. Криком (1953) механизма кодирования в ДНК генети­ческой информации.

Ряд теорий исходил из предположения о предсуществовании в организме антител практически ко всем возможным антигенам (Н. Ерне, 1955; Ф. Бернет, 1959). В настоя­щее время наиболее обоснованной считается теория Ф. Бернета, которая получила назва­ние клоналъно-селекционной. Согласно дан­ной теории, лимфоидная ткань состоит из огромного числа клонов антигенореактивных клеток (лимфоцитов), которые специализи­руются на выработке антител к разнообраз­ным антигенам. Клоны возникли в ходе эво­люции в результате мутаций и селекции под влиянием антигенов и уже предсуществуют в новорожденном организме. Попавший в организм антиген селективно (избирательно) активирует специфичный к нему клон лим­фоцитов, который размножается и начинает вырабатывать специфичные к данному анти­гену антитела. Если доза антигена велика, то клон реагирующих на него лимфоцитов уст­раняется (элиминируется) из организма. В со­ответствии с теорией Бернета, этот путь ведет к формированию в эмбриональном периоде иммунологической толерантности (нечувс­твительности) к собственным антигенам.

Теория Бернета объясняет многие иммуно­логические реакции (антителообразование, ге­терогенность антител, иммунологическую па­мять, толерантность), однако она не способна объяснить происхождение всего многообразия специфичности антител. Бернет предположил, что в организме существует около 10 тыс. кло­нов специфических антителопродуцирующих клеток. Однако, как показывает практика, мир антигенов на 2—3 порядка обширнее, и орга­низм отвечает на практически любой из них, в том числе и на искусственно полученный анти­ген, который не существует в природе.

Значительную ясность в представление о разно­образии специфичности антител внес С. Тонегава (1983), который дал этому явлению генетическое обоснование. Молекулярно-генетическая теория С. Тонегавы исходит из того, что в генах им­муноглобулинов постоянно происходят мощные рекомбинационные и мутационные процессы. В результате возникает огромное количество ва­риантов и комбинаций генов, которые кодируют разнообразные по специфичности иммуногло­булины. Каждый клон антителопродуцирующих

лимфоцитов обладает своим уникальным вариан­том гена иммуноглобулина (см. разд. 11.1.7).

Следует также упомянуть теорию сетевой регу­ляции иммунной системы. Ее основой является выдвинутая Н. Ерне (1974) идея идиотип-ан-тиидиотипического взаимодействия. Согласно этой теории, иммунная система представляет собой бесконечную цепь взаимодействующих антигенных идиотипов иммуноглобулинов и направленных к ним антиидиотипических ан­тител. Введение антигена вызывает каскадную реакцию образования антител 1-го порядка. Это антитело, действуя как антиген, вызывает обра­зование к своему идиотипу антител 2-го порядка. К идиотипу антител 2-гО порядка синтезируются антитела 3-го порядка и т. д. При этом антитело каждого порядка как бы несет «внутренний об­раз» антигена, который передается эстафетно в цепи образования антиидиотипических антител. Доказательством этой теории является обнару­жение антиидиотипических антител, способных вызвать в организме иммунитет к соответству­ющему антигену, а также существование лим­фоцитов, сенсибилизированных к антиидиоти-пическим антителам. С помощью теории Ерне можно понять формирование иммунологичской памяти и возникновение аутоиммунных реак­ций. Однако она не способна объяснить многие другие явления иммунитета: механизм иммуно­логического распознавания «свой-чужой», уп­равление каскадом идиотип-антиидиотипичес-ких реакций и т. д. Данная теория не получила дальнейшего развития.

В 60-е годы XX в. выдающийся отечествен­ный иммунолог П. Ф. Здродовский сформу­лировал физиологическую концепцию имму­ногенеза — гипоталамо-адреналовую теорию регуляции иммунитета. Основная идея этой теории сводилась к тому, что продукция ан­тител подчиняется общим физиологическим законам. Ведущая роль в этом процессе при­надлежит гормонам и нервной системе.