第二章-免疫球蛋白

第二章

免疫球蛋白杜军中山大学药学院微生物与生化制药研究室2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军2抗体与免疫球蛋白的概念抗体（antibody，Ab）由B细胞接受刺激后增殖分化为浆细胞产生的一类糖蛋白，主要存在血液和组织液中，是免疫应答的效应分子。抗体分布于体液（及粘膜的外分泌液）中，还可存在于B细胞膜上。1964年世界卫生组织将具有抗体活性及化学结构与抗体相似的球蛋白统称为免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军3第一节免疫球蛋白的结构

2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军42024/3/2微生物与生化药学研究室杜军5一、基本结构（一）轻链和重链四肽链结构所有Ig的基本单位都是四条肽链的对称结构。两条重链（H）和两条轻链（L）。每条重链和轻链分为氨基端和羧基端。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军61、轻链（lightchain，

L链）由210个氨基酸残基组成，通常不含碳水化合物，分子量为25KD，有两个由链内二硫键组成的环肽，L链可分为：Kappa（κ）与lambda（λ）2个亚型。2、重链（heavychain，H链）由450-550个氨基酸残基组成，分子量50-75KD，含糖数量不同，4-5个链内二硫键，可分为5类，μ、γ、α、δ、ε链，不同的H链与L链（κ或λ）组成完整的Ig分子。分别称为：IgM，IgG，IgA，IgD和IgE。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军7人类Ig根据其重链稳定区的分子结构和抗原特异性的不同，分为五类：IgG、IgA、IgM、IgD、IgE，其重链分别为：g、a、m、d、e轻链可分为两型：k、l型2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军8（二）可变区和恒定区1．可变区（Variableregion，V区）L链N端1/2处（VL）108-111个氨基酸残基H链N端1/5-1/4处（VH）118个氨基酸残基，V区有一个肽环65-75个氨基酸残基。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军9VLCLVHCH1CH2CH3可变区可分为高变区（hypervariableregion,HVR）和骨架区（frameworkregion,FR）

VL的HVR在24-34，50-56，89-97氨基酸位置。VH的HVR在31-35，50-56，95-102氨基酸位置。分别称为VL和VH的HVR1，HVR2，HVR3。高变区为抗体与抗原的结合位置，又称为互补决定区（complementarity-determiningregion,CDR

），VL和VH的HVR1，HVR2，HVR3又分别称为CDR1，CDR2，CDR32024/3/2微生物与生化药学研究室杜军102024/3/2微生物与生化药学研究室杜军1124-3450-5689-9731-35

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95-102VL的HVRHL的HVRCDR1CDR2CDR3其中CDR3具有更高的高变程度，H链在与抗原结合中起重要的作用。FR2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军122．恒定区（constantregion，C区）L链C端1/2处，105个氨基酸，H链C端3/4-4/5处，331-431个氨基酸。在同一种属动物中是比较恒定的,是制备第二抗体进行标记的重要基础。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军13（三）铰链区位于CH1与CH2之间，含有丰富的脯氨酸，因此易伸展弯曲，而且易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等水解。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军14免疫球蛋白的铰链区及其功能2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军15Hinge2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军16（四）结构域（功能区）链内二硫键折叠成球形区称为功能区（domain）约由110个氨基酸组成。氨基酸的顺序具有高度的同源性。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军17VLCLVHCH1CH2CH3L链功能区：

2个，（VL，CL各一个）H链功能区：IgG，IgA，IgD，4个（V区1个，C区3个）,IgM，IgE，5个（V区1个，C区4个）2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军183功能区的作用：VL和VH是抗原结合的部位（FV区）。CL和CH1上具有同种异型的遗传标记。CH2具有补体结合点。CH3具有结合单核细胞，巨噬细胞，粒细胞，B细胞，NK细胞，Fc段受体的功能。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军19（1）VL和VH是抗原结合的部位（FV区）。（2）CL和CH上具有同种异型的遗传标记。（3）CH2具有补体结合点。（4）CH3具有结合Fc段受体的功能。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军20二、J链和分泌片J链

J链是一条多肽链，富含半胱氨酸，由浆细胞合成。IgM，IgA分泌片由黏膜上皮细胞合成和分泌，以非共价形式结合到二聚体上，并一起被分泌到黏膜表面。对分泌型IgA具有保护作用2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军212024/3/2微生物与生化药学研究室杜军22三、免疫球蛋白的水解片段木瓜蛋白酶水解IgG得到两个相同的Fab段和一个Fc段。胃蛋白酶裂解IgG

得到一个具有双价活性的F（ab’）2段和若干个小分子多肽碎片（pFc’）2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军232024/3/2微生物与生化药学研究室杜军24第二节免疫球蛋白的异质性免疫球蛋白是一群高度不均一性的复杂的大分子蛋白，除具有各种抗体的生物功能外，其本身还具有不同的抗原特异性。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军25一、同种型同种型（isotype）是指同一种属所有正常个体的Ig分子共有的抗原表位。为非遗传型标志。即同种型抗原存在种属差异，在异种体内可诱导产生相应的抗体。同种型的抗原性主要存在于Ig的C区内，包括CH和CLH链的类、亚类抗原L链的型和亚型抗原2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军261．Ig的类和亚类（classesandsubclasses）（1）类：决定Ig不同类的抗原性差异存在于重链的恒定区（CH）。根据CH抗原性的差异，即氨基酸组成、排列、空间构型、二硫键数目等的不同，将H链分为μ、γ、α、δ和ε链五类，与L链组成完整的Ig分子，分别为IgM、IgG、IgA、IgD和IgE。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军27（2）亚类：同一类Ig中，根据重链区氨基酸组成（抗原性）和二硫键数目的差异。在同一类Ig中，H链结构并非完全相同，其氨基酸的组成和序列的差异也必然反映出其抗原性的不同，据此可用血清学方法再进一步分成亚类。人类IgG有4个亚类：IgG1、IgG2、IgG3和IgG4；IgM有2个亚类：IgM1和IgM2；IgA也有2个亚类：IgA1和IgA2。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军282、Ig的型和亚型（typesandsubtypes）（1）型各类Ig根据轻链恒定区（CL）抗原性差异（氨基酸的组成、排列和空间构型的不同）分为κ和λ两型。（2）亚型按λ轻链恒定区（C2）个别氨基酸的差异又可分为λ1，2，3，4，四个亚型。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军29二、同种异型同种异型（allotype）是指同一种属不同个体间的Ig分子所具有的不同抗原表位，为个体型标志。在同种异体间免疫可诱导免疫反应。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军30三、独特型独特型（idiotype）指每个Ig分子所特有的抗原特异性表位。存在于抗体V区上。独特型的抗原决定基称为独特位（idiotope），可在异种、同种异体以及自身体内诱导产生相应的抗体，称为抗独特型抗体（antiidiotypicantibody）。独特型和抗独特型抗体可形成复杂的免疫网络，在机体免疫调节中占有重要地位。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军312024/3/2微生物与生化药学研究室杜军32抗原抗体抗独特型抗体抗体Idiotype抗原表位2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军33第三节

免疫球蛋白的生物学功能与特性

2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军34一、免疫球蛋白的主要功能免疫球蛋白是血清中最主要的特异性的免疫分子，Ig的重要生物学活性由Fab段和Fc段分别执行Fab段能特异地结合抗原；Fc段可介导一系列生物效应，包括激活补体、亲细胞而导致吞噬、介导Ⅰ型超敏反应、通过胎盘等。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军351.IgV区功能Ig最显著的生物学特点就是能够特异性地与抗原结合，这种特异性结合抗原特性是由其V区（HVR）的空间构型决定的。Ig的抗原结合点由L链和H链超变区组成，与相应抗原上的表位互补，借助静电力，氢键以及范德华力等次级键相结合，这种结合是可逆的，并受到pH、温度和电解质浓度的影响。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军36IgV区与抗原结合后所显示的效应：中和毒素、阻断病原体侵入通过C区发挥作用同一克隆的浆细胞产生的不同类别Ig具有相同的特异性。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军372.IgC区的功能（1）活化补体：IgM，IgG1，IgG2和IgG3可通过经典途径活化补体。凝聚的IgA1，IgG4，IgE等可以通过旁路途径活化补体。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军38（2）细胞亲嗜性（结合Fc受体）1）介导I型变态反应IgE诱导的细胞脱颗粒，释放组胺，合成由细胞质来源的介质引起I型变态反应。2）调理吞噬作用调理作用（opsonization）是指抗体，补体等调理素（opsonin），促进吞噬细胞吞噬细菌等颗粒性抗原。由于补体对热不稳定，称热不稳定调理素（heat-labileopsonin），抗体又称为热稳定调理素（heat-stableopsonin）。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军392024/3/2微生物与生化药学研究室杜军403）发挥抗体依赖的细胞介导细胞毒作用（antibodydependentcell-mediatedcytotoxicity,ADCC）2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军412024/3/2微生物与生化药学研究室杜军42

通过胎盘：IgG是唯一可通过胎盘从母体转移给胎儿的Ig。是一种重要的自然被动免疫，对于新生儿的抗感染有重要作用。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军432024/3/2微生物与生化药学研究室杜军44二、五类免疫球蛋白的特性与功能1.IgGIgG于出生后3个月开始合成IgG多为单体，半衰期最长的抗体分子约为23天，占血清免疫球蛋白总量的75%～80%（10mg/ml）有4个亚类（IgG1，IgG2，IgG3和IgG4）。是再免疫应答的效应分子，是最重要的抗感染性抗体。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军45具有多种功能：1、结合抗原（中和细菌毒素、阻止病毒进入易感细胞病毒，抑制病毒的繁殖等）。2、激活补体3、调理吞噬4、通过胎盘（是唯一能够通过胎盘的抗体）5、抗体依赖细胞介导细胞毒效（ADCC）2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军462.IgM为五聚体，是分子量最大的Ig，称巨球蛋白。IgM激活补体能力比IgG强天然血型抗体是IgMIgM是个体发育过程最早能产生的抗体，胚胎晚期已能合成，新生儿脐带血中若IgM水平升高，表示该儿曾有宫内感染IgM有10个抗原结合点。没有铰链区，有4个CH结构域（CH1、CH2、CH3、CH4）。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军47其特点是：是在个体发育过程和免疫应答过程中最早出现的抗体初次免疫应答的主要效应分子。结合抗原（中和毒素）、激活补体、调理吞噬作用均比IgG更有效不能通过血管进入组织。膜性IgM（serfaceIgM，sIgM）是单体结构，它是B细胞抗原受体（BCR）2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军482024/3/2微生物与生化药学研究室杜军493.IgA分为血清型和分泌型两种，血清型IgA主要由肠系膜淋巴组织中的浆细胞产生。分泌型IgA（SIgA）是由呼吸道、消化道、泌尿生殖道等处的固有层中浆细胞产生。主要存在于初乳、唾液、泪液，以及呼吸道消化道和泌尿生殖道黏膜表面的分泌液中。分泌型IgA的合成和主要作用部位在黏膜2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军502024/3/2微生物与生化药学研究室杜军514.IgE又称亲细胞抗体CH2和CH3功能区可与肥大细胞、嗜碱性粒细胞上的高亲和力Fcε受体结合，引起I型超敏反应与抗寄生虫感染有关。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军525.IgDIgD是B细胞的重要表面标志B细胞的分化过程中首先出现SmIgM，后来出现SmIgD，他的出现标志着B细胞成熟了。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军532024/3/2微生物与生化药学研究室杜军542024/3/2微生物与生化药学研究室杜军55

第四节免疫球蛋白基因及抗体的多样性机体对外界环境中众多抗原刺激可产生相应的特异性抗体，有人推算抗体的多样性在107以上，这种抗体多样性主要是由遗传控制的。1965年Dreyer和Bennet首先提出假说，认为Ig的V区和C区是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年日本学者利根川进应用DNA重组技术证实了这一假说。利根川进由此获得1987年医学和生理学诺贝尔奖。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军57基本特征Ig分子是由三个不连锁的Igκ、Igλ和IgH基因所编码。Igκ、Igλ和IgH基因定位于不同的染色体上。编码一条Ig多肽链的基因是由在胚系中多个分隔的DNA片段（基因片段）经重排而形成的。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军58Ig轻链k基因Ig重链H基因Ig轻链l基因21422IgH基因、l基因、k基因分别位于不同染色体上2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军59一、免疫球蛋白胚系基因结构胚系中众多的V、D、J基因片段胚系（germline)中未重排的DNA有众多的V基因片段以及一定数量的D、J基因片段。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军60H基因L基因V:VarietyJ:Join

D:Diversity2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军61D基因编码CDR3V基因编码CDR1,CDR22024/3/2微生物与生化药学研究室杜军62二、Ig基因的结构和重排Ig分子重链是由IgH基因所编码的。VH基因1000个片段；JH基因9个片段；DH基因10-20个片段；2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军63（一）重链V区基因H链V区基因是由V，D，J三种基因片段经重排组成，首先发生D与J基因片段的连接形成D-J，然后再与V片段连接，是通过七聚体-间隔序列-九聚体识别信号和重组酶(RAG-1/RAG-2)而完成的。2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军64重组信号序列（RSS）2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军65RAG-1/22024/3/2微生物与生化药学研究室杜军66(recombinationactivationgene-1/2)基因重排时的环出2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军67V(D)JRecombination2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军682024/3/2微生物与生化药学研究室杜军69（二）重链C区基因小鼠H链区基因片段从5′端到3′排列的顺序是Cμ-Cδ-Cγ3-Cγ1-Cγ2b-Cγ2a-Cε-Cα；人H链C区基因的顺序为Cμ-Cδ-Cγ3-Cγ1-Cε2（Pseudo基因）-Cα1-Cγ2-Cγ4-Cε-Cα2。

2024/3/2微生物与生化药学研究室杜军70三、Ig轻链基因的结构和重排Ig轻链基因的重排在IgH链基因重排后，L链可变区基因片段随之发生重排。在L链中，κ链基因先发生重排，如果κ基因重排无效，随即发生λ基因的重排。L链的CDR1