第2章抗体与抗原

临床免疫学与免疫学检验第二章抗原和抗体及其结合反应一、抗原的概念1.抗原(antigen)与抗原性(antigenicity)

凡能刺激机体产生抗体和致敏淋巴细胞并能与之发生反应的物质称为抗原(Ag)。抗原物质具有抗原性,包括免疫原性与反应原性。有免疫原性也有抗原性，但是反之并非这样。第一节抗原免疫原性(immunogenicity)（抗原作用）指能刺激机体产生抗体和致敏淋巴细胞的特性。反应原性(reactinogenicity)（抗原反应）指抗原与相应的抗体或致敏淋巴细胞发生反应的特性，此特性又称为免疫反应性(immunoreactivity)。2.完全抗原与半抗原

抗原又分为完全抗原与不完全抗原。既具有免疫原性又有反应原性的物质称为完全抗原(completeantigen)。只具有反应原性而缺乏免疫原性的物质称为不完全抗原(incompleteantigen)，亦称为半抗原(hapten)

。如荚膜多糖、类脂、脂多糖。半抗原又分为简单半抗原和复合半抗原。简单半抗原(simplehapten)简单半抗原的分子量较小，只有一个抗原决定簇，不能与相应的抗体发生可见的反应，但能中和相应的抗体阻止其出现可见的反应(用沉淀抑制反应可证实)。复合半抗原(complexhapten)复合半抗原的分子量较大，有多个抗原决定簇。一般的半抗原都属于此类，能与相应的抗体发生沉淀反应。二硝基氯苯(DNCB)、多糖、类脂质、脂多糖等半抗原都为复合半抗原。1.异源性

又称异物性(foreigness)

，一般说来，只有非自身物质进入机体才能具有免疫原性。微生物、异种组织、细胞及蛋白质均是良好的抗原。通常动物亲缘关系相距越远，种系差异越大，免疫原性越好。有以下几种情况:非动物性抗原非动物性的物质，譬如植物蛋白(叶绿素等)、微生物等，对动物宿主有良好的免疫原性。异种动物抗原动物之间血源关系相距越远，生物种系差异越大、免疫原性越好。譬如:鸭源蛋白质对鸡的免疫原性较弱，而对兔则是良好的免疫原。同种异体抗原同种动物异体间的某些物质也有免疫原性，譬如血型抗原、组织相容性抗原等。自身抗原动物自身的组织通常情况下不具有免疫原性。二、构成抗原的条件（影响抗原免疫原性的因素）2.大分子抗原的免疫原性与其分子大小有直接关系。免疫原性良好的物质分子量一般都在10000以上，在一定条件下，分子量越大，免疫原性越强。分子量小于5000其免疫原性较弱。分子量在l000以下的物质为半抗原，没有免疫原性。但与蛋白质载体结合后可获得免疫原性。3.分子结构

相同大小的分子如果化学组成、分子结构和空间构象不同，其免疫原性也有一定的差异。一般讲，分子结构和空间构型越复杂，免疫原性越好。芳香环结构比直链结构强。4.物理性

颗粒性抗原的免疫原性通常比可溶性抗原强。可溶性抗原分子聚合后或吸附在颗粒表面可增强其免疫原性。例如将甲状腺蛋白与聚丙烯酰胺颗粒结合后免疫家兔可使IgM的效价提高20倍。免疫原性弱的蛋白质如果吸附在氢氧化铝胶、脂质体等大分子颗粒上可增强其免疫原性。5.完整性

所以抗原物质通常要通过非消化道途径以完整分子状态进入体内，才能保持抗原性。1.概念抗原分子并非所有的基团都作用一致，决定其免疫活性的只是其中的一小部分抗原区域。抗原分子表面具有特殊立体构型和免疫活性的化学基团称为抗原决定簇(antigenicdeterminant)或抗原决定基。由于抗原决定簇通常位于抗原分子表面，因而又称为抗原表位(epitope)

。抗原决定簇决定抗原的特异性。

三、抗原决定簇102.决定簇的大小抗原决定簇的大小是相当恒定的。蛋白质抗原的每个决定簇由5-7个氨基酸残基组成，如肌红蛋白的决定簇由6～7个氨基酸残基组成，伸长约为1.9～2.3nm；多糖抗原由5~6个单糖残基组成，大小为3.5nm

；核酸抗原的决定簇由5-8个核苷酸残基组成，大小为2.0nm

。123.决定簇的数量抗原分子抗原决定簇的数目称为抗原的抗原价。⑴单价抗原只有一个抗原决定簇的抗原称为，如简单半抗原。⑵多价抗原含有多个抗原决定簇的抗原为多价抗原。⑶单特异性决定簇抗原分子只含有一种特异性决定簇称为单特异性决定簇。13⑷多特异性决定簇含有两种以上不同特异性的决定簇。⑸功能价

位于抗原分子表面、能与免疫活性细胞接近，对激发机体的免疫应答起着决定意义的决定簇称为抗原的功能价。⑹非功能价隐蔽于抗原分子内部的决定簇谓之非功能价，只有在用酶轻度消化后才能暴露。

天然抗原一般都是多价和多特异性决定簇抗原。14单特异性决定簇多价抗原多特异性决定簇多价抗原不同抗原物质之间存在相同的抗原决定簇，这种现象称为抗原的交叉性。这些共有的抗原组成或决定簇称为共同抗原或交叉抗原。如果两种微生物有共同抗原，它们与相应抗体相互之间可以发生交叉反应。四、抗原的交叉性16载体效应(carriereffect)小分子物质不具有免疫原性，不能诱导产生免疫应答，但当与大分子物质(载体)连接后，就能诱导机体产生免疫应答，并能与相应的抗体结合，这种现象称为半抗原载体现象。这些小分子物质即为半抗原，实质上就是抗原决定簇，大分子物质即为载体。半抗原与载体结合后首次免疫动物，可测得半抗原的抗体(初次免疫反应)，但当二次免疫时，半抗原连接的载体只有与首次免疫所用的载体相同时，才会有再次反应，这种现象称为载体效应。现代实验表明免疫系统对半抗原和载体各自的决定簇分别进行识别。T细胞识别载体决定簇，B细胞识别半抗原决定簇。实际上任何大分子抗原都可看成半抗原和载体的复合物。在抗原分子中载体起着增加半抗原的大小，使其获得免疫原性与免疫记忆的作用。18抗原—载体现象（一）抗原分类抗原有多种分类方法，大致如下:

1.按抗原的性质分类分：抗原完全抗原不完全抗原（半抗原）简单半抗原复合半抗原

五、抗原的分类

2.按来源分异种抗原

与免疫动物不同种属的抗原，如微生物抗原，异种动物红细胞，异种动物蛋白。同种抗原

与免疫动物同种属不同个体的抗原，能刺激同种而基因型不同的个体产生免疫应答，如血型抗原、同种移植物抗原。自身抗原

动物的自身组织细胞、蛋白质在特定条件下形成的抗原，对自身免疫系统具有抗原性。异嗜性抗原

指与种属特异性无关，存在于人、动物、植物及微生物之间性质相同的抗原(交叉抗原)。该现象首先由瑞典病理学家Forssman(1868～1947)发现的，故又称为Forssman抗原。213.根据对胸腺(T细胞)的依赖性分类胸腺依赖性抗原：这类抗原在刺激B细胞分化和产生抗体的过程中需要辅助性T细胞的协助。多数抗原都属此类，如异种组织与细胞、异种蛋白及人工复合抗原等。非胸腺依赖性抗原这类抗原直接刺激B细胞产生抗体，不需要T细胞的协助。如大肠杆菌脂多糖、肺炎球菌荚膜多糖等。4.根据化学性质分类糖蛋白脂蛋白脂质多糖核酸抗原（二）微生物抗原1.按保护性分

保护性抗原和非保护性抗原。2.按微生物种类分⑴细菌抗原

细菌的抗原结构比较复杂，每个菌的每种结构都由若干抗原组成，因此细菌是多种抗原成分的复合体。有菌体抗原、荚膜抗原、鞭毛抗原和菌毛抗原等。菌体抗原

又称O抗原，是革兰氏阴性菌细胞壁抗原，其化学本质为脂多糖的多糖侧链。鞭毛抗原

又称H抗原。鞭毛抗原主要决定于鞭毛丝。荚膜抗原

又称K抗原。荚膜是细菌主要的表面抗原，成分为多糖或多肽。菌毛抗原

菌毛由菌毛素组成，有很强的抗原性。毒素抗原

外毒素的成分为糖蛋白或蛋白质，具有很强的抗原性，能刺激机体产生抗体(即抗毒素)。25⑵病毒抗原

各种病毒都有相应的抗原结构。如囊膜抗原、衣壳抗原、可溶性抗原和核蛋白抗原。

囊膜抗原（V抗原）

有囊膜病毒，抗原特异性主要是囊膜上的纤突所决定的。如流感病毒HA和NA，是流感病毒亚型分类基础。衣壳抗原（VC抗原）

无囊膜病毒，其抗原特异性决定于病毒颗粒表面的衣壳蛋白。如口蹄疫病毒的衣壳蛋白VP1、VP2、VP3、VP4等属此类抗原。可溶性抗原（S抗原)。核蛋白抗原

(NP抗原)。26一、免疫球蛋白与抗体1.免疫球蛋白(immunoglobulin，简称Ig)

指存在于人和动物血液(血清)、组织液及其他外分泌液中的一类具有相似结构的球蛋白。过去曾称为γ球蛋白，在1968年和1972年两次国际会议上决定以Ig表示。免疫球蛋白普遍存在于血液、组织液及外分泌液中。依据化学结构和抗原性差异，Ig可分为IgG、IgM、IgA、IgE和1gD五类。第二节抗体2.抗体(antibodyAb)抗体动物机体受到抗原物质刺激后，由B淋巴细胞转化为浆细胞产生的，能与相应抗原发生特异性结合反应的免疫球蛋白，这类免疫球蛋白称为抗体(antibody，简称Ab)

。抗体的本质是Ig，它是机体对抗原物质产生免疫应答的重要产物，具有各种免疫功能。体液免疫

抗体具有各种免疫功能，主要存在于动物的血液(血清)、淋巴液、组织液及其他外分泌液中，因此将抗体介导的免疫称为体液免疫。膜表面免疫球蛋白

在成熟的B淋巴细胞表面具有抗原受体，其本质也是免疫球蛋白，称为膜表面免疫球蛋白简称（SmIg)。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。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。IgG、IgE、血清型IgA，IgD均是以单体分子形式存在，IgM是以五个单体分子构成的五聚体，分泌型IgA是以二个单体构成的二聚体。

二、Ig的分子结构301.单体分子结构所有种类Ig的单体分子结构都是相似的，即是由两条相同的重链和两条相同的轻链四条肽链构成的“Y”字形的分子。⑴重链

又称H链，大约是由420～440个氨基酸组成，分子量大约为50000～77000，两条重链之间由一对或一对以上的二硫键互相连接。可变区重链从氨基端(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（与抗原对应）不同而有所变化，这一区域称为重链的可变区(variableregion，VH，简称V区)，它赋予抗体以特异性。恒定区其余的氨基酸(占重链的3/4)数量、种类、排列顺序及含糖量都比较稳定，称为恒（稳）定区（constantregion，CH，简称C区）。高(超)变区

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，氨基酸残基位置分别位于31-37，51-58，84-91，101-1l0，其余的氨基酸变化较小，称为骨架区。35⑵轻链（lightchain）

又称L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N端开始最初的109个氨基酸的排列顺序及结构随抗体分子的特异性（与抗原对应）变化而有差异，称为轻链的可变区(VL)，其余的氨基酸比较稳定，称为恒定区(CL)。抗原结合部位Ig的重链的可变区(VH)与轻链的可变区(VL)相对应，构成有结合特异抗原决定簇功能的区域为抗体分子的抗原结合部位。37381.种类Ig可分为类、亚类、型、亚型及亚群等。分类分型Ig类的区分是依据其重链C区的理化特性及抗原性的差异，Ig可分为IgG、IgM、IgA、IgE和IgD5大类及其亚型。三、Ig的种类与抗原性392.Ig的抗原性Ig是蛋白质，因此一种动物的Ig对另一种动物而言是良好的抗原。同种型指在同一种动物所有个体的不同类型的Ig共同具有的抗原特异性，同种间不表现出抗原性，只是在异种动物之间才表现出抗原性。Ig的同种型抗原决定簇主要存在于重链C区。同种异型

指Ig在同一种动物不同个体之间呈现出的抗原性。同种异型的抗原决定簇存在于IgG、IgA、IgE的重链C区和k型轻链的C区。同种异型是Ig稳定的遗传标志，可用于亲子鉴定。40独特型

抗体分子的特异性是由Ig的重链和轻链可变区所决定的，因此体内针对不同抗原分子的抗体之间的差别表现在Ig分子的可变区，这种差别就决定了抗体分子在机体内具有抗原性，由抗体分子的可变区呈现的抗原性就称为Ig的独特型。独特位

独特型由Ig可变区若干个抗原决定簇所组成，它们被称为独特位。独特型在异种、同种异体乃至同一个体内均可刺激产生相应的抗体，称为抗独特型抗体。1.IgG特性是人和动物血清中含量最高的Ig，占血清Ig总量的75％-80％。IgG是介导体液免疫的主要抗体，多以单体形式存在，分子量为160000～180000。产生与分布IgG主要由脾脏和淋巴结中的浆细胞产生，大部分(45%～50%)在血浆中，其余存在于组织液和淋巴液中。IgG是惟一可通过人(和兔)胎盘的抗体，在新生儿的抗感染中起重要作用。

四、各类Ig的主要特性与功能42IgG的功能

IgG是动物机体抗感染免疫的主力，同时也是血清学诊断和疫苗免疫后监测的主要抗体。IgG在动物体内不仅含量高，而且持续时间长，可发挥抗菌、抗病毒、抗毒素以及抗肿瘤等免疫学活性.能调理、凝集和沉淀抗原，与抗原结合后能结合补体。2.lgM

特性是动物机体初次体液免疫应答最早产生的免疫球蛋白，IgM是由五个单体组成的五聚体，是所有Ig中分子量最大的,分子量为900000左右，又称为巨球蛋白(macroglobulin)。产生与分布IgM主要由脾脏和淋巴结中B细胞产生，只分布于血液中，仅占血清lg的10％左右。IgM在体内产生最早，在抗感染免疫的早期起着十分重要的作用。IgM的功能

与IgG相比，IgM在体内产生最早，但持续时间短，因此不是机体抗感染免疫的主力，但由于它是机体初次接触抗原物质(接种疫苗)时体内最早产生的抗体，因此在抗感染免疫的早期起着十分重要的作用，也可通过检测IgM抗体进行血清学的早期诊断。IgM具有抗菌，抗病毒，中和毒素等免疫活性，由于其分子上含有多个抗原结合部位，所以它是一种高效能的抗体，其杀菌、溶菌、溶血、促进吞噬(调理作用)及凝集作用均比IgG高(大约高500～1000倍)。3.IgA

特性以单体和二聚体两种分子形式存在。单体存在于血清中，称为血清型IgA，约占血清Ig的10％-20％；二聚体为分泌型IgA。产生与分布分泌型IgA是由粘膜固有层中的浆细胞所产生。主要存在于各种分泌液中。分泌型IgA对机体呼吸道、消化道等局部粘膜免疫起着相当重要的作用，可抵御经粘膜感染的病原微生物。在传染病预防中，经滴鼻、点眼、饮水及喷雾途径免疫，均可产生分泌型IgA而建立相应的粘膜免疫力。IgA功能血清型的IgA同样具有抗菌、抗病毒、抗毒素等免疫学活性。分泌型的IgA对机体呼吸道、消化道等局部粘膜免疫起着相当重要的作用，特别是对于一些经粘膜感染的病原微生物，动物体的这种粘膜免疫功能就显得十分重要，若动物体呼吸道、消化道分泌液中存在这些病原微生物的相应的分泌型IgA抗体，则可抵抗其感染，因此分泌型IgA是机体粘膜免疫的一道"屏障"。在传染病的预防接种中，经滴鼻、点眼、饮水等途径免疫，均可产生相应的粘膜免疫力。4.IgEIgE的产生部位与分泌型IgA相似，在血清中的含量甚微。IgE是一种亲细胞性抗体，易与皮肤组织、肥大细胞、血液中的嗜碱性粒细胞和血管内皮细胞结合，可介导I型过敏反应。IgE在抗寄生虫、某些真菌感染方面也有重要作用。5.IgD

特性很少分泌，在血清中的含量极低，而且不稳定，容易降解。IgD分子量为17-20万。迄今对血清中的IgD的结构和功能尚不完全清楚，是否具有抗感染作用也未证实。有报道认为IgD与某些过敏反应有关，如抗青霉素和牛奶过敏性抗体以及一些自身免疫病抗体，有的属于IgD。功能IgD主要作为成熟B细胞膜上的抗原特异性受体，是B细胞的重要表面标志。此外IgD与免疫记忆与某些过敏反应有关。第三节抗原抗体结合反应的原理

一、抗原抗体结合力二、抗原抗体结合的亲和力和亲合力三、液相中抗原抗体的结合反应四、固相表面抗原抗体的结合反应一、抗原抗体结合力1.静电引力:抗原与抗体上带有相反电荷的氨基和羧基基团之间相互吸引的作用力2.范德华引力:抗原与抗体相互接近时分子极化作用发生的一种吸引力3.氢键:抗原分子中的氢原子与抗体分子中电负性大的原子如氮、氧等相互作用而形成的引力4.疏水作用力:水溶液中抗原和抗体之间的两个疏水基团相互接触，对水分子排斥而趋向聚集的力静电引力（electrostaticforces）范德华引力:作用最小（vanderWaalsinteractions）氢键:最具特异性（hydrogenbond）疏水作用力:作用最大（hydrophobicinteractions）

亲和力：抗体单价Fab片段与单价抗原表位的结合能力。亲合力：多价抗体与抗原分子间的结合能力。三、液相中抗原抗体的结合反应通常的血清学反应条件下，抗原抗体为亲水胶体，不会相互凝集或沉淀。抗原与抗体结合后，由亲水胶体转化为疏水胶体。在一定浓度的电解质作用下，各疏水胶体进一步靠拢，形成可见的抗原抗体复合物。可见反应抗原抗体复合物

(疏水胶体)电解质

抗原(亲水胶体)

抗体(亲水胶体)

+图2-5亲水胶体转化为疏水胶体示意图四、固相表面抗原抗体的结合反应固相表面抗原抗体的结合反应所需时间较液相免疫测定长。微球表面抗原抗体结合反应的效率较微孔高。固相表面抗原抗体复合物的解离速率较液相免疫测定低。固相表面抗原和抗体的利用效率较液相免疫测定低。第四节抗原抗体结合反应的特点

一、特异性二、可逆性三、比例性四、阶段性一、特异性抗原抗体结合具有高度特异性，这种特异性是由抗原表位与抗体高变区的互补结合所决定的。交叉反应：若两种不同的抗原分子的部分抗原表位相同或类似，则可与彼此相应的多克隆抗体发生交叉反应。

分子基础:抗原表位与抗体分子高变区之间空间构型的互补性二、可逆性可逆性：抗原与抗体的结合在一定的条件下可解离为游离抗原与抗体。可逆性取决于：亲和力和实验环境因素。三、比例性比例性：抗原与抗体发生可见反应遵循一定的量比关系。等价带：抗原与抗体分子比例合适。前带：抗体过剩带。后带：抗原过剩带。四、阶段性两个阶段：特异性结合阶段、反应可见阶段。

第五节影响抗原抗体结合反应的因素

一、抗原抗体本身因素二、反应基质因素三、实验环境因素一、抗原抗体本身因素抗原因素:抗原的理化特性、表位数目和种类