Spis treści:

1. Wprowadzenie
2. Budowa przeciwciał
3. Zmienność przeciwciał
   3.1. Zmienność rekombinacyjna
   3.2. Zmienność na złączach
   3.3. Mutacje somatyczne
4. Wartościowość przeciwciał
5. Powinowactwo przeciwciał
6. Awidność
7. Klasy przeciwciał i ich funkcje
   7.1. IgA
   7.2. IgD
   7.3. IgE
   7.4. IgM
   7.5. IgG

 

1. Wprowadzenie

Przeciwciała (immunoglobuliny; Ig) to glikoproteiny wykazujące zdolność do swoistego wiązania się z antygenami. Stanowią główny mechanizm efektorowy odpowiedzi odpornościowej typu humoralnego. Immunoglobuliny są syntetyzowane i wydzielane przez komórki plazmatyczne (pobudzone limfocyty B) w odpowiedzi na stymulujące działanie antygenów. W organizmie immunoglobuliny występują w formie wolnej (niezwiązanej) lub w formie związanej. Wolne immunoglobuliny powszechnie występują w płynach ustrojowych (m.in. krwi, limfie, łzach, mleku). Ich obecność wykazano również w tkankach i błonach śluzowych. W formie związanej immunoglobuliny występują na powierzchni limfocytów B, gdzie pełnią rolę receptora (ang. B-cell receptor, BCR). W wyniku związania antygenu przez BCR dochodzi do aktywacji limfocytu B, a w konsekwencji do produkcji i wydzielania przeciwciał.

 

2. Budowa przeciwciał

Przeciwciała zbudowane są z czterech łańcuchów polipeptydowych: dwóch lekkich (zbudowanych z około 220 reszt aminokwasowych) oraz dwóch ciężkich (zbudowanych z około 450-550 reszt aminokwasowych), które połączone są mostkiem (wiązaniem) dwusiarczkowym. W ujęciu schematycznym przeciwciała swoją budową przypominają literę „Y”. Górna część litery „Y” nazywana jest fragmentem Fab (ang. fragment antigen-binding), z kolei jej dolna część nazywana jest fragmentem Fc (ang. fragment crystallizable). Fragment Fab składa się z łańcucha lekkiego oraz ciężkiego i zawiera miejsce wiążące antygen (obejmujące skrajne obszary ramion „Y”), które określane jest jako paratop (antydeterminanta). Paratop jest przestrzennie dopasowany do epitopu (determinanty antygenowej), tj. fragmentu antygenu, który łączy się bezpośrednio z wolnym przeciwciałem. Należy podkreślić, że pojedynczy antygen może posiadać wiele różnych epitopów (np. insulina ma około 115 różnych epitopów, które mogą być rozpoznawane przez przeciwciała). Dlatego też sekwencja aminokwasowa paratopu charakteryzuje się wysoką zmiennością, niezbędną do wiązania wszystkich możliwych antygenów. Fragment Fc nie wiąże antygenu, bierze jednak udział w aktywacji dopełniacza oraz wiąże się z receptorami występującymi na powierzchni komórek odpornościowych. Fragment Fc jest również miejscem przyłączania reszt cukrowych.

Łańcuchy lekkie występują w dwóch formach: kappa (κ) i lambda (λ). Łańcuchy ciężkie występują w pięciu wariantach: alfa (α), delta (δ), epsilon (ε), gamma (γ) oraz mi (μ). Na podstawie różnic w budowie łańcucha ciężkiego (związanych z występowaniem różnych wariantów łańcuchów), wyróżnia się pięć klas przeciwciał: IgA, IgD, IgE, IgG oraz IgM. Zarówno w łańcuchu lekkim, jak i ciężkim można wyróżnić części zmienne oraz części stałe. Części zmienne obejmują odcinki N-końcowe łańcuchów i składają się z czterech regionów zrębowych oraz trzech regionów hiperzmiennych. Regiony zrębowe tworzą rusztowanie dla regionów hiperzmiennych, które odpowiadają za wiązanie antygenu. Wysoka zmienność sekwencji aminokwasowych regionów hiperzmiennych determinuje swoistość przeciwciał. Część zmienna łańcucha ciężkiego kodowana jest przez geny V, D i J, z kolei część zmienna łańcucha lekkiego kodowana jest przez geny V i J (nie występują tu geny D). Części stałe leżą na odcinkach C-końcowych, a ich sekwencja aminokwasowa jest identyczna dla wszystkich przeciwciał danej klasy. Część stała łańcucha ciężkiego i lekkiego kodowana jest przez geny C.

 

3. Zmienność przeciwciał

Ogromna liczba antygenów występujących w przyrodzie wymusza powstawanie wielu rodzajów swoistych immunoglobulin. U podstaw występowania ogromnej różnorodności przeciwciał leżą: zmienność rekombinacyjna, zmienność na złączach oraz mutacje somatyczne. Wszystkie wymienione mechanizmy prowadzą do powstania nowych genów (nieobecnych w linii zarodkowej), a w konsekwencji występowania przeciwciał różniących się sekwencją aminokwasów tworzących miejsce wiązania antygenu.

 

3.1. Zmienność rekombinacyjna

Zmienność rekombinacyjna wynika z występowania różnych wariantów genów kodujących część zmienną łańcucha ciężkiego i lekkiego. Zidentyfikowano ponad sto wariantów genu V, trzydzieści wariantów genu D i sześć wariantów genu J. W trakcie formowania się ostatecznej części zmiennej łańcucha ciężkiego dochodzi do spontanicznego połączenia się jednego z wariantów genu V, jednego z wariantów genu D i jednego z wariantów genu J. W efekcie łączenia się różnych wariantów genów V, D i J powstaje funkcjonalny gen kodujący część zmienną przeciwciała. Właśnie to przypadkowe łączenie się genów V, D i J wielokrotnie zwiększa liczbę wariantów powstających przeciwciał.

Łączenie genów V, D i J zachodzi dzięki aktywności rekombinazy – enzymu, który rozpoznaje sekwencje sygnałowe znajdujące się na początku i na końcu sekwencji nukleotydowej każdego z genów. Każda sekwencja sygnałowa składa się z położonego proksymalnie heptameru (sekwencji siedmiu nukleotydów), wstawki o długości 12 lub 23 nukleotydów oraz położonego dystalnie nonameru (sekwencji dziewięciu nukleotydów). Sekwencja genów V i J ograniczona jest przez 23-nukleotydowe wstawki, natomiast sekwencja genu D ograniczona jest z obu stron przez 12-nukleotydowe wstawki. W trakcie rekombinacji dochodzi do połączenia tych genów, których sekwencje ograniczone są różnymi wstawkami, tzn. gen V może się łączyć z genem D, a gen D może się łączyć z genem J, nie może jednak dojść do połączenia genu V z genem J. Mechanizm ten pozwala na ułożenie genów w odpowiedniej kolejności.

 

3.2. Zmienność na złączach

Łączenie się różnych wariantów genów V, D i J nie wystarczy jednak, żeby wytworzyć taką liczbę przeciwciał, która byłaby zdolna do rozpoznawania wszystkich antygenów występujących w przyrodzie. Dlatego też kolejnym mechanizmem zapewniającym dodatkowe zróżnicowanie sekwencji aminokwasowych budujących przeciwciała jest występowanie zmienności na złączach. W jej wyniku dochodzi do wstawienia/usunięcia pewnej liczby nukleotydów w obrębie złącza kodującego. Za przyłączanie nowych nukleotydów na końcach złączy kodujących odpowiedzialna jest nukleotydylotransferaza. Szacuje się, że w efekcie występowania zmienności na złączach liczba wariantów genów kodujących części zmienne łańcucha ciężkiego wzrasta o dwa rzędy wielkości.

 

3.3. Mutacje somatyczne

Kolejnym czynnikiem zwiększającym różnorodność przeciwciał jest występowanie przypadkowych mutacji somatycznych w sekwencji nukleotydowej genów V, D i J. Są to najczęściej mutacje punktowe polegające na substytucji, delecji czy insercji pojedynczego nukleotydu. Efektem mutacji punktowych jest zmiana aminokwasu w białku budującym część zmienną łańcucha ciężkiego. Skutkiem zajścia mutacji może być zwiększenie powinowactwa przeciwciała do antygenu. Z drugiej jednak strony wynikiem zajścia mutacji może być także utrata zdolności do powstania białka, a tym samym funkcjonalnego przeciwciała.

Oprócz opisanych powyżej trzech mechanizmów do zwiększenia różnorodności przeciwciał przyczynia się również występowanie wielu wariantów genów V w liniach zarodkowych oraz losowy dobór łańcuchów ciężkich i lekkich.

 

4. Wartościowość przeciwciał

Termin “wartościowość przeciwciała” określa liczbę determinant antygenowych, które mogą zostać związane przez pojedynczą cząsteczkę immunoglobuliny. Przeciwciała IgD, IgE oraz IgG, występujące w formie monomerów, posiadają dwa miejsca wiązania antygenu. Oznacza to, że są dwuwartościowe. Przeciwciała IgA, występujące w formie monomerów i dimerów, posiadają dwa lub cztery miejsca wiązania antygenów, tzn. są dwu- lub czterowartościowe. Z kolei przeciwciała IgM, występujące w formie pentamerów, posiadają dziesięć miejsc wiązania antygenów – są dziesięciowartościowe.

 

5. Powinowactwo przeciwciał

Termin powinowactwo określa siłę, z jaką przeciwciało wiąże specyficzne antygeny. Siła wiązania antygenów przez immunoglobuliny jest tym większa, im bardziej dopasowany przestrzennie jest epitop do paratopu. Oddziaływanie pomiędzy antygenem a przeciwciałem ma charakter niekowalencyjny (nie jest trwałe) i uczestniczą w nim wiązania wodorowe, hydrofobowe i jonowe oraz siły Van der Waalsa. Warto podkreślić, że przeciwciała należące do tej samej grupy (wiążące ten sam antygen) mogą różnić się powinowactwem, ponieważ mogą oddziaływać z różnymi epitopami tego samego antygenu, wykazywać różny stopień dopasowania przestrzennego do tego samego epitopu, a ponadto oddziaływanie antygen-przeciwciało może być stabilizowane przez różne wiązania.

 

6. Awidność

Pojedynczy antygen może posiadać wiele różnych epitopów, które mogą być wiązane przez różne przeciwciała. Termin awidność (zachłanność) określa siłę wiązania antygenu przez różne przeciwciała. Awidność zależy od siły wiązania antygenu przez poszczególne przeciwciała oraz wartościowości przeciwciał – nie jest jednak ich prostą sumą.

 

7. Klasy przeciwciał i ich funkcje

7.1. IgA

Stanowią klasę przeciwciał, których organizm dorosłego człowieka wytwarza najwięcej. Większość IgA wytwarzana jest miejscowo – w obrębie błon śluzowych i surowiczych. IgA są obecne m.in. w wydzielinach gruczołów przewodu pokarmowego, gruczołów dróg oddechowych, jak również w wydzielinach takich jak siara, pot czy łzy. Dlatego też, mimo że są wytwarzane w największej ilości, IgA stanowią zaledwie około 15-20% ogólnej puli wszystkich klas przeciwciał występujących w osoczu krwi. Średni okres półtrwania IgA wynosi 5,8 dnia. Ze względu na miejsce występowania, immunoglobuliny klasy A dzieli się na IgA wydzielnicze oraz IgA surowicze. IgA wydzielnicze występują głównie w formie dimerów (czasami tetramerów) i stanowią pierwszą linię obrony błon śluzowych przed inwazją patogenów. Zwiększone stężenie IgA notuje się m.in. w trakcie zakażenia adenowirusami, wirusem różyczki, wirusami grypy, rotawirusami, bakteriami: Salmonella, Escherichia coli czy Chlamydia pneumoniae. IgA surowicze występują głównie w formie monomerów. Do tej pory nie poznano dokładnej funkcji, jaką pełnią te przeciwciała. Uważa się, że IgA surowicze mogą być odpowiedzialne za obronę organizmu przed czynnikami chorobotwórczymi, które pokonały bariery błon śluzowych i surowiczych, w wyniku czego dostały się do krwi.

 

7.2. IgD

Przeciwciała tej klasy występują głównie na powierzchni limfocytów B dziewiczych (takich, które nie zetknęły się jeszcze z antygenem), gdzie pełnią funkcję receptorów BCR. Dlatego też liczba wolnych IgD stanowi mniej niż 1% ogólnej puli wszystkich klas przeciwciał występujących w osoczu krwi. Ze względu na niskie stężenie IgD we krwi, funkcje immunoglobulin należących do tej klasy są najsłabiej poznane. IgD występują w formie monomerycznej, a ich średni okres półtrwania wynosi 2,8 dnia.

 

7.3. IgE

Przeciwciała należące do klasy E stanowią pierwszą linię obrony organizmu przed inwazją pasożytów. IgE występują głównie na powierzchni komórek tucznych i bazofilów. Komórki tuczne oraz bazofile wiążą IgE dzięki obecności w ich błonie receptora (FcR) wykazującego powinowactwo do fragmentu Fc immunoglobulin klasy E. W wyniku związania antygenów przez IgE dochodzi do aktywacji wyżej wymienionych komórek, a w konsekwencji do uwolnienia zawartości ziarnistości obecnych w cytoplazmie. W ziarnistościach magazynowane są mediatory prozapalne, a proces uwolnienia tych substancji przez komórki tuczne i bazofile nazywany jest degranulacją. Przeciwciała IgE uczestniczą również w procesach odpornościowych związanych z reakcją organizmu na alergeny (nadwrażliwość typu I). Liczba wolnych IgE stanowi mniej niż 0.01% ogólnej puli wszystkich klas przeciwciał występujących w osoczu krwi. Przeciwciała IgE występują w formie monomerycznej, a ich średni czas półtrwania wynosi 2,5 dnia.

 

7.4. IgM

Przeciwciała tej klasy, podobnie jak przeciwciała IgD, występują głównie na powierzchni limfocytów B. Liczba wolnych IgM stanowi około 10% ogólnej puli wszystkich klas przeciwciał występujących w osoczu krwi. Są to pierwsze przeciwciała, które powstają w czasie rozwoju osobniczego, a także pierwsze przeciwciała uwalniane w trakcie pierwotnej odpowiedzi immunologicznej. Dlatego obecność IgM w osoczu krwi świadczy o obecnej albo niedawno przebytej infekcji. Wolne IgM występują w formie pentamerów, tzn. mogą one wiązać nawet do 10 różnych epitopów. Jednak w porównaniu z innymi klasami przeciwciał wykazują one mniejsze powinowactwo do antygenów. Średni czas półtrwania IgM wynosi 5,1 dnia.

 

7.5. IgG

Przeciwciała należące do klasy G występują w największym stężeniu w osoczu krwi i stanowią 70-80% ogólnej puli wszystkich klas przeciwciał. Przeciwciała IgG tworzą tzw. pamięć immunologiczną. Utrzymują się w organizmie po pierwszym kontakcie z antygenem. Dzięki temu są w stanie ochronić organizm przed reinfekcją, ponieważ szybko i sprawnie rozpoznają antygen, po czym uruchamiają odpowiedź odpornościową. Dlatego też stanowią główny mechanizm wtórnej odpowiedzi odpornościowej, a ich obecność w osoczu krwi świadczy o przebytej infekcji oraz uzyskaniu odporności na swoiste patogeny. Proces wytworzenia pamięci immunologicznej jest wykorzystywany w szczepieniach ochronnych w celu indukcji swoistej odpowiedzi immunologicznej skierowanej przeciwko określonym czynnikom chorobotwórczym. Warto podkreślić, że IgG to jedyna klasa przeciwciał, które przenikają przez łożysko do krążenia płodowego. Receptory wiążące fragment Fc przeciwciał IgG znajdują się na powierzchni wielu komórek układu immunologicznego, m.in. komórek K i komórek żernych (makrofagów czy neutrofili). W wyniku związania swoistych antygenów przez IgG dochodzi do aktywacji tych komórek, a w konsekwencji uruchomienia procesu nazywanego cytotoksycznością zależną od przeciwciał (komórki K) czy immunofagocytozą (komórki żerne). Wyróżnia się cztery podklasy IgG: IgG1, IgG2, IgG3 oraz IgG4. Przeciwciała IgG1 występują w największym stężeniu i są najbardziej wszechstronne – wiążą wiele rodzajów antygenów białkowych i polisacharydowych, tworzą również kompleksy z alergenami. Głównym zadaniem przeciwciał IgG2 jest rozpoznawanie antygenów polisacharydowych. Przeciwciała IgG3 najlepiej wiążą antygeny białkowe, a IgG4 tworzą kompleksy głównie z alergenami.

Bibliografia:
Berczi I., Szentivanyi A. Immunoglobulins. NeuroImmune Biology, 2003
Boes M. Role of natural and immune IgM antibodies in immune responses. Molecular Immunology, 2000
Gier D. Przeciwciała – kiedy przyjaciel staje się wrogiem Food Forum, 2016
Gołąb J. et al. Przeciwciała. Immunologia, 2014
Görlich A. Przeciwciała – Narzędzie Przyrody i Człowieka. Wszechświat, 2016
Napiórkowska-Baran K. et al. Oznaczanie przeciwciał w codziennej praktyce. Część I – właściwości przeciwciał. Alergia Astma Immunologia, 2019
Rudnicka W. Budowa Immunoglobulin. Kosmos, 1992
Schroeder H.W., Cavacini L. Structure and Function of Immunoglobulins. Journal of Allergy and Clinical Immunology, 2010

Dodaj komentarz