INFEKČNÉ OCHORENIA

SLOVAK

 

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE JESSENIOVA LEKÁRSKA FAKULTA V MARTINE Ústav mikrobiológie a imunológie Sklabinská 26 , 036 01 Martin

IMUNOLÓGIA – KAPITOLA ŠTVRTÁ

IMUNOGLOBULÍNY – ŠTRUKTÚRA A FUNKCIA
 

Gene Mayer, Ph.D
Emertius Professor of Pathology, Microbiology and Immunology
University of South Carolina

Překlad:

Elena Novakova, MD, PhD
a
MUDr. Martina Neuschlová, PhD.

Institute of Microbiology and Immunology
Jessenius Faculty of Medicine in Martin
Comenius University in Bratislava

 

VIETNAMESE

TURKISH

FRANCAIS

Logo image © Jeffrey Nelson, Rush University, Chicago, Illinois  and The MicrobeLibrary

CIELE VÝUČBY
Diskutovať o hlavných vlastnostiach všetkých imunoglobulínov

Popísať základnú štruktúru imunoglobulínov

Vzťah štruktúry a funkcie imunoglobulínov

Definovať hypervariabilné a podporné (framework) oblasti

Definovať triedy a podtriedy imunoglobulínov, typy a podtypy imunoglobulínov

Popísať štruktúru a vlastnosti jednotlivých tried imunoglobulínov
 

Obrázok 1
Elektroforéza bielkovín séra

DEFINÍCIA

Imunoglobulín (Ig)
Imunoglobulíny sú molekuly glykoproteínov, ktoré sú produkované plazmatickými bunkami ako odpoveď na imunogén a fungujú ako protilátky. Názvy imunoglobulínov sú odvodené od zistenia, že pri umiestnení séra s obsahom protilátok do elektrického poľa, imunoglobulíny migrujú (obrázok 1).

HLAVNÉ FUNKCIE IMUNOGLOBULíNOV

Väzba antigénu
imunoglobulíny sa viažu špecificky k jednému alebo viacerým príbuzným antigénom. Každý imunoglobulín sa viaže v skutočnosti na špecifický antigénny determinant (epitop). Schopnosť protilátok viazať antigén je primárna funkcia protilátok a môže viesť k ochrane hostiteľa. Valencia (väzbovosť) protilátky súvisí s počtom antigénnych determinant, ktoré jediná molekula protilátky dokáže naviazať. Valencia u všetkých protilátok je najmenej dva, ale v niektorých prípadoch je to viac.

Efektorové funkcie
Samotná väzba protilátky s antigénom nemá priamy biologický efekt. Významné biologické účinky sú dôsledkom sekundárnych „efektorových funkcií“ protilátok. Imunoglobulíny sprostredkovávajú rad týchto efektorových funkcií. Schopnosť vykonať určitú funkciu si vyžaduje predchádzajúce naviazanie antigénu na protilátku. Nie každý imunoglobulín je schopný sprostredkovať všetky efektorové funkcie. Efektorové funkcie zajhŕňajú:

• Fixáciu komplementu – to vedie k jeho aktivácii a k lýze buniek a zároveň k uvoľneniu biologicky aktívnych molekúl (viď kapitola 2).
   

• Väzba na rôzne druhu imunitných buniek – fagocyty, lymfocyty, krvné doštičky, mastocyty a bazofily, ktoré majú receptory, na ktoré viažu imunoglobulíny. Táto väzba môže aktivovať bunku, aby vykonala určitú funkciu. Niektoré imunoglobulíny sa tiež viažu na receptory placentárneho trofoblastu, čo má za následok prenos imunoglobulínov cez placentu. Výsledkom je prenos materských protilátok a ochrana plodu a novorodenca.
   

 

Kľúčové slová
Imunoglobulín
Valencia
Ťažký reťazec
Ľahký reťazec
Variabilná oblasť
Podporná (framework) oblasť
Pántová oblasť
Domény
Hypervariabilné oblasti
podporné (framevork) oblasti
Skupiny a podskupiny
Fab a Fc, F(ab')2
Typ a podtyp
Trieda a podtrieda
Opsonín
J reťazec
Sekrečná zložka
 

 Obrázok 2A
Základná štruktúra imunoglobulínov

 Obrázok 2B
Kliknite na obrázok vľavo na otvorenie animovaného tutoriálu o štruktúre protilátok. Dostupné Chime Plug-In. Ísť na Chime tu. Developed by Eric Martz. Development supported by the Division of Undergraduate Education of the National Science Foundation.
 

  Obrázok 2C Nákres protilátky IgG2A.
Harris, L. J., Larson, S. B., Hasel, K. W., Day, J., Greenwood, A., McPherson, A. Nature 1992, 360, 369-372. © 2000 Antibody Resource Page

  Obrázok 2D
Rotujúca protilátka
Jose Saldanha, Humanization by Design © 2000, Antibody Resource Page
 

ZÁKLADNÁ ŠTRUKTÚRA IMUNOGLOBULÍNOV

Základná štruktúra imunoglobulínov je znázornená na obrázku 2. Aj keď sa môžu rôzne imunoglobulíny líšiť štruktúrou, všetky sú vybudované z rovnakých základných jednotiek.

Ťažké a ľahké reťazce
Všetky imunoglobulíny majú štyri reťazce ako svoje základné jednotky. Skladajú sa z dvoch identických ľahkých reťazcov (23 kD) a dvoch identických ťažkých reťazcov (50-70 kD).

Disulfidické väzby

Disulfidické väzby medzi reťazcami
Ťažké a ľahké reťazce a dva ťažké reťazce sú navzájom držané pohromade disulfidickými väzbami medzi reťazcami a nekovalentnými interakciami. Počet disulfidických väzieb medzi reťazcami sa líši medzi jednotlivými imunoglobulínovými molekulami.

Disulfidické väzby v rámci reťazca
V každom polypeptidovom reťazci existujú tiež disulfidické väzby vo vnútri reťazca.

 

Variabilné (V) a konštantné (C) oblasti
Keď sa porovnávali aminokyselinové sekvencie mnohých odlišných ťažkých a ľahkých reťazcov, ukázalo sa, že ako ťažký tak aj ľahký reťazec môžu byť rozdelené do dvoch oblastí na základe variability v aminokyselinových sekvenciách. Sú to:

Ľahký reťazec – VL (110 aminokyselín) a CL (110 aminokyselín)

Ťažký reťazec – VH (110 aminokyselín) a CH (330 - 440 aminokyselín)

Pántová oblasť
Ide o oblasť, v ktorej ramená molekuly protilátky vytvárajú tvar písmena Y. Nazýva sa pántová oblasť, pretože v tomto bode existuje určitá flexibilita v molekule.

Domény
trojrozmerné obrazy imunoglobulínovej molekuly ukazujú, že nie je rovná, ako je znázornené na obrázku 2A. Skôr je zložená do guľovitých oblasti, z kotrých každá obsahje disulfidické bäzby vo vnútri reťazca (obrázok 2B – D). Tieto oblasti sa nazývajú domény.

Ľahký reťazec domény – VL a CL

Ťažký reťazec domény – VH a CH1-3 (alebo CH4).

Oligosacharidy
Uhľovodíky sú pripojené u väčšiny imunoglobulínov k CH2 doméne. Avšak v niektorých prípadoch môžu byť pripojené aj na iných miestach.

ŠTRUKTÚRA VIARABILNEJ OBLASTI

Hypervariabilné (HVR) alebo komplementaritu determinujúce úseky (CDR)
Porovnania sekvencií aminokyselín vo variabilných oblastiach imunoglobulínov ukazujú, že väčšina sa nachádza v troch oblastiach nazývaných hypervariabilné úseky alebo úseky určujúce komplementaritu, ako je zobrazené na obrázku 3. Protilátky s odlišnou špecificitou (odlišné väzbové miesta) majú odlišné komplementaritu determinujúce úseky. Protilátky s úplne rovnakou špecificitou majú zhodné komplementaritu určujúce úseky (t.j. CDR je väzbové miesto protilátky). Komplementaritu determinujúce úseky sa nachádzajú aj na ťažkých H reťazcoch aj na ľahkých L reťazcoch.

Podporné (framework) úseky
Úseky medzi komplementaritu determinujúcimi úsekmi vo variabilnej časti sa nazývajú podporné (framework) úseky (obrázok 3). Na základe podobností a rozdielov v podporných úsekoch môžu byť variabilné oblasti ťažkých a ľahkých reťazcov imunglobulínov rozdelené do skupín a podskupín. Sú produktami odlišných génov pre variabilné oblasti.
 

 

Fragmenty imunoglobulínov vytvorené proteolytickým štiepením sa ukázali ako veľmi dôležité pri objasnení štruktúry a funkčných vzťahov imunoglobulínov.

Fab
Papaínom sa rozštiepi imunoglobulín v pántovej oblasti pred disulfidovou väzbou spájajúcou ťažké reťazce (obrázok 4). To vedie k vytvoreniu dvoch identických fragmentov, ktoré obsahujú ľahký reťazec a VH aCH1 domény ťažkého reťazca.

Väzba antigénu: Tieto fragmenty sa nazývajú Fab fragmenty, pretože obsahujú väzbové miesta protilátky. Každý Fab fragment je monovalentný (jednoväzbový), zatiaľ čo pôvodná molekula je divalentná (dvojväzbová). Väzbové miesto protilátky je tvorené VH a VL doménami. Protilátka je schopná viazať určitý antigénny determinant, pretože má určitú kombináciu VH a VL domén. Rôzne kombinácie VH a VL vedú k existencii protilátok, ktoré majú schopnosť viazať rozličné antigénne determinanty.

Fc
Štiepenie papaínom tiež umožňuje vznik fragmentu, ktorý obsahuje zvyšok dvoch ťažkých reťazcov. Každý z nich obsahuje CH2 a CH3 doménu. Tento fragment sa nazýva Fc, pretože ľahko kryštalizuje (F crystallized).

Efektorové funkcie: efektorové funkcie imunoglobulínov sú zabezpečené Fc časťou molekuly imunoglobulínu. Rozličné domény tohto fragmentu sprostredkúvajú rozličné funkcie (obrázok 5). Za normálnych okolností je na vykonanie efektorových funkcií protilátky potrebná väzba protilátky s antigénom (až na výnimky).

F(ab')2
Pepsínom je možné rozštiepiť imunoglobulín v oblasti za disulfidovou väzbou spájajúcou ťažké reťazce. To vedie ku vzniku fragmentu, ktorý bude obsahovať obidve väzbové miesta pre anitgén (obrázok 6). Tento fragment sa nazýva F(ab´)2, pretože je divalentný (dvojväzbový). Fc oblasť molekuly imunoglobulínu sa rozštiepi pepsínom na malé peptidy. F(ab´)2 síce viaže antigénne determinanty, ale efektorové funkcie protilátky nie sú sprostredkované.
 

 

ĽUDSKÝ IMUNOGLOBULÍN – TRIEDY, PODTRIEDY, TYPY A PODTYPY

Triedy imunoglobulínov
Imunoglobulíny sú rozdelené do piatich tried, a to na základe rozdielov v sekvenciách aminokyselín v konštantnej oblasti ťažkých reťazcov. Všetky imunoglobulíny v rámci určitej triedy budú mať veľmi podobné konštantné oblasti ťažkého reťazca. Tieto rozdiely môžu byť zistené sekvenčnými štúdiami alebo častejšie sérologickými metódami.

• IgG - Gamma ťažké reťazce

• IgM – Mí ťažké reťazce

• IgA - Alfa ťažké reťazce

• IgD - Delta ťažké reťazce

• IgE - Epsilon ťažké reťazce

Podtriedy imunoglobulínov
Triedy imunoglobulínov sa rozdeľujú na podtriedy na základe malých rozdielov v aminokyselinových sekvenciách v konštantnej oblasti ťažkých reťazcov. Všetky imunoglobulíny v podtriede budú mať veľmi podobné aminokyselinové sekvencie konštantnej oblasti ťažkého reťazca. Tieto rozdiely sú najčastejšie detegovateľné sérologickými metódami.

• IgG podtriedy

• IgG1 - Gamma 1 ťažké reťazce

• IgG2 - Gamma 2 ťažké reťazce

• IgG3 - Gamma 3 ťažké reťazce

• IgG4 - Gamma 4 ťažké reťazce

• IgA podtriedy

• IgA1 - Alfa 1 ťažké reťazce

• IgA2 - Alfa 2 ťažké reťazce

Imunoglobulínové typy
Imunoglobulíny môžu byť rozdelené podľa typu ľahkého reťazca, ktorý majú. Typy ľahkého reťazca sú dané rozdielmi v sekvencii aminokyselín v konštantnej oblasti ľahkého reťazca.

Kappa ľahké reťazce
Lambda ľahké reťazce

Podtypy imunoglobulínov
Ľahké reťazce môžu byť rozdelené na podtypy podľa rozdielov v sekvencii aminokyselín v konštantnej oblasti ľahkého reťazca.

Lambda subtypy

• Lambda 1

• Lambda 2

• Lambda 3

• Lambda 4

Názvoslovie
Imunoglobulíny sú pomenované podľa triedy alebo podtriedy ťažkého reťazca a typu alebo subtypu ľahkého reťazca. Ak nie je presne uvedené, predpokladá sa, že sú prítomné všetky podtriedy, typy a podtypy. Napríklad IgG znamená, že sú prítomné všetky podtriedy a typy.

Rôznorodosť
Imunoglobulíny sú považované za veľmi heterogénnu populáciu molekúl, pretože obsahujú rôzne triedy a podtriedy, z ktorých každá ma rôzne typy a podtypy ľahkých reťazcov. Navyše rôzne molekuly imunoglobulínov môžu viazať rôzne antigény, lebo majú rôzne oblasti VH a VL.
 

 

IgG

Štruktúra
Štruktúra podtried imunoglobulínov IgG je uvedená na obrázku 7. Všetky IgG sú monoméry. Podtriedy sa líšia v počte disulfidových väzieb a v dĺžke pantovej oblasti.

Vlastnosti
IgG je najuniverzálnejší imunoglobulín, pretože je schopný vykonávať všetky funkcie imunoglobulínových molekúl.

• IgG je hlavný imunoglobulín v sére - 75% sérových Ig je IgG
• IgG je hlavný Ig v extravaskulárnom priestore
• Placentárny prenos - IgG je jediná trieda Ig, ktorá prechádza placentou. Prenos je sprostredkovaný receptorom na placentárnych bunkách pre Fc oblasť IgG. Nie všetky podtriedy prechádzajú rovnako dobre (IgG2 neprechádza dobre
• Fixuje komplement – nie všetky podtriedy fixujú komplement rovnako dobre; IgG4 nefixuje komplement
• Väzba na bunky – makrofágy, monocyty, PMNL a niektoré lymfocyty majú Fc receptory pre Fc oblasť IgG. Nie všetky podtriedy sa viažu rovnako dobre; IgG2 a IgG4 sa neviažu na Fc receptory. Dôsledkom väzby na receptory Fc na PMNL, monocytoch a makrofágoch je to, že bunka môže lepšie pohltiť antigén. Protilátka pripravila antigén fagocytujúcim bunkám na ľahšie pohltenie. Termín opsonín sa používa na označenie látok, ktoré uľahčujú fagocytózu. IgG je dobrý opsonín. Väzba IgG na Fc receptory na iných typoch buniek vedie k aktivácii ďalších funkcií.
   

 

Obrázok 8
Štruktúra sérového IgM - pentamér

 Obrázok 9
Štruktúra IgM na povrchu bunky

Obrázok 10
Receptor B buniek (BCR)

IgM

Štruktúra
Štruktúra IgM je zobrazená na obrázku 8. IgM existuje vo forme pentaméru (19S imunoglobulín), ale môže sa vyskytovať aj ako monomér. Vo forme pentaméru má všetky ťažké reťazce identické a identické sú aj všetky ľahké reťazce. Valencia je teoreticky 10. IgM má ďalšiu doménu na μ reťazci (doménu CH4) a ďalší proteín viazaný S-S väzbou a nazvaný J reťazec. Tento reťazec zohráva funkciu pri polymerizácii molekuly na pentamér.

Vlastnosti

• IgM je tretí najčastejší sérový Ig.

• IgM je prvý Ig, ktorý si vytvára plod a prvý Ig, ktorý tvoria B lymfocyty stimulované antigénom.

• V dôsledku štruktúry pentaméru, IgM dobre aktivuje komplement. Protilátky IgM teda veľmi účinne vedú k lýze mikroorganizmov.

• V dôsledku svojej štruktúry je IgM tiež dobrým aglutinačným imunoglobulínom. IgM sú tiež účinné pri zhlukovaní mikroorganizmov pre ich eventuálnu elimináciu z tela.

• IgM sa viaže na niektoré bunky prostredníctovm Fc receptorov.

• Tvorí receptor na B lymfocytoch. Povrchový IgM existuje ako monomér a nemá J reťazec, ale na C-konci má ďalších 20 aminokyselín na svoje ukotvenie do membrány B lymfocytu (obrázok 9). IgM na povrchu B lymfocytu funguje ako receptor pre antigén. Povrchový IgM je nekovalentne viazaný s ďalšími dvoma proteínmi v membráne B lymfocytu, ktoré sa označujú Ig-alfa a Ig-beta, ako je zobrazené na obrázku 10. Tieto proteíny pracujú ako molekuly prenášajúce signál do vnútra bunky, pretože cytoplazmatický koniec samotného IgM je príliš krátky na prenos signálu. Na to, aby bol signál prenesený reťazcami Ig-alfa a Ig-beta musí nastať kontakt medzi povrchovým imunoglobulínom a antigénom. V prípade T-nezávislých antigénov je kontakt medzi antigénom a povrchovým imunoglobulínom na B lymfocytoch dostatočný na aktiváciu B lymfocytov a ich diferenciáciu na plazmatické bunky produkujúce protilátky. V prípade T-závislých antigénov je potrebný druhý signál, ten poskytujú pomocné Th lymfocyty pred aktiváciou B lymfocytov.
   

  
Obrázok 11
IgA štruktúra

 
Obrázok 12
Vznik sekrečného IgA

IgA

Štruktúra
Sérový imunoglobulín IgA je monomér, ale IgA vyskytujúci sa v sekrétoch je dimér, ako je zobrazené na obrázku 11. Ak sa IgA nachádza vo forme diméru, obsahuje J reťazec.
Ak sa IgA vyskytuje v sekrétoch, má aj ďalší proteín, čo sa označuje ako sekrečná časť alebo T časť; sIgA sa niekedy označuje ako imunoglobulín 11S. Narozdiel od zvyšku IgA, ktorý sa tvorí v plazmatickej bunke, sekrečná časť sa tvorí v epitelových bunkách a pridaná je k IgA, keď prechádza do sekrétov (obrázok 12). Sekrečná časť pomáha IgA pri transporte IgA cez sliznicu a tiež ho chráni pred degradáciou v sekrétoch.

Vlastnosti

• IgA je druhý najčastejšie zastúpený sérový Ig
• IgA je hlavný Ig v sekrétoch – slzy, sliny, kolostrum, sliznice. Vzhľadom na to, že sa nachádza v sekrétoch, sekrécia IgA je dôležitá v lokálnej (slizničnej) imunite.
• IgA nefixuje komplement, pokiaľ nie je agregovaný.
• IgA sa môže viazať na niektoré bunky – PMNL a niektoré lymfocyty.

IgD

Štruktúra
Štruktúra IgD je zobrazená na obrázku 13. IgD sa vyskytuje iba vo forme monoméru.

Vlastnosti

• IgD sa nachádza v nízkych hladinách v sére; jeho úloha v sére je nejasná.

• IgD sa nachádza na povrchu B lymfocytov, kde pôsobí ako receptor pre antigén. IgD na povrchu B lymfocytov má na C-konci extra animokyseliny na ukotvenie do membrány. Tiež sa spája s reťazcami Ig-alfa a Ig-beta.

• IgD nefixuje komplement.

IgE

Štruktúra
Štruktúra IgE je zobrazená na obrázku 14. IgE sa vyskytuje vo forme monoméru a má extra doménu v konštantnej oblasti.

Vlastnosti

• IgE je najmenej zastúpený sérový Ig, pretože sa viaže na Fc receptory na bazofiloch a mastocytoch ešte pred interakciou s antigénom

• Zúčastňuje sa na alergických reakciách – v dôsledku väzby na bazofily a mastocyty sa IgE podieľa na alergických reakciách. Väzba alergénu na IgE na bunkách vedie k uvoľneniu rôznych mediátorov, ktoré vedú k alergickým prejavom.

• IgE hrá tiež úlohu v parazitárnych ochoreniach spôsobených helmintami. Keďže sérové hladiny IgE pri parazitárnych ochoreniach vzrastajú, meranie hladín IgE je užitočné pri diagnostike parazitárnych infekcií. Eozinofily majú Fc receptory pre IgE a väzba eozinofilov na helminty pokryté IgE vedie k usmrteniu parazita.

• IgE nefixuje komplement.
   

 

IgG

Zvýšenie:

• Chronické granulomatózne infekcie
• Infekcie všetkých typov
• Hyperimunizácia
• Ochorenia pečene
• Malnutrícia (ťažká)
• Dysproteinémia
• Ochorenia spojené s hypersenzitívnymi granulómami, dermatologickými poruchami a IgG myelómom
• Reumatoidná artritída

Zníženie:

• Agamaglobulinémia
• Lymfoidná aplázia
• Selektívna IgG, IgA deficiencia
• IgA myelóm
• Bence Jones proteinémia
• Chronická lymfoblastická leukémia

IgM

Zvýšenie (u dospelých):

• Waldenströmova makroglobulinémia
• Trypanozomiáza
• Aktinomykóza
• Carriónova choroba (bartonelóza)
• Malária
• Infekčná mononukleóza
• Lupus erythematosus
• Reumatoidná artritída
• Dysgamaglobulinémia (niektoré prípady)

Poznámka: U novorodencov je hladina IgM nad 20 nanogram/deciliter indikáciou in utero stimulácie imunitného systému a stimulácie vírusom rubeoly, cytomegalovírusom, syfilisom alebo toxoplazmózou.

Zníženie:

• Agamaglobulinémia
• Lymfoproliferatívne ochorenia (určité prípady)
• Lymfatická aplázia
• IgG a IgA myelómy
• Dysgamaglobulinémia
• Chronická lymfoblastická leukémia

IgA

Zvýšenie:

• Wiskott-Aldrich syndróm
• Cirhóza pečene (väčšina prípadov)
• Niektoré štádiá kolagenóz a iné autoimunitné choroby, ako napríklad reumatoidná artritída a lupus eryhematosus
• Chronické infekcie, ktoré nie sú v súvislosti s imunodeficitmi
• IgA myelóm

Zníženie:

• Dedičná ataxia telangiectasis
• Imunodeficitné stavy (napr. dysgamaglobulinémia, vrodená a získaná agamaglobulinémia a hypogamaglobulinémia)
• Malabsorbčný syndróm
• Lymfoidná aplázia
• IgG myelóm
• Akútna lymfoblastická leukémia
• Chronická lymfoblastická leukémia

IgD

Zvýšenie:

• Chronické infekcie
• IgD myelómy

IgE

Zvýšenie:

• Atopické kožné choroby ako napr. ekzémy
• Senná nádcha
• Astma
• Anafylaktický šok
• IgE myelóm

Zníženie:

• Vrodená agamaglobulinémia
• Hypogamaglobulinémia spôsobená poruchou metabolizmu alebo syntézy imunoglobulínov

Return to the Immunology Section of Microbiology and Immunology On-line

This page last changed on Sunday, December 10, 2017
Page maintained by Richard Hunt