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1、免疫学基础理论免疫学基础理论:第二章第二章免疫球蛋白免疫球蛋白免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)通常是指一组具有抗体活性和（或）抗体样结构的球蛋白。Ig 由浆细胞产生，存在于血液和其他体液（包括组织液和外分泌液）中，约占血浆蛋白总量的 20；还可分布在 B 细胞表面。Ig 的结构具有不均一性，可分为不同的类型；多数 Ig 具有抗体活性，可以特异性识别和结合抗原，并引发一系列生物学效应。第一节第一节免疫球蛋白的化学免疫球蛋白的化学免疫球蛋白具有蛋白质的通性，能被多种蛋白水解酶裂解；可以在乙醇、三氯醋酸或中性盐类中沉淀，常用 50饱和硫酸铵或硫酸钠从免疫血清中提取抗体球蛋白。血清电泳
2、时免疫球蛋白主要分布于 区，因而以往曾称抗体为 球蛋白。其实具抗体活性的球蛋白除存在于 区外，也可延伸到 区，甚至 2区，这反映了抗体由不同细胞克隆产生的不均一性和结构的多样性。自从发现骨髓瘤患者尿中的本周蛋白是Ig 的轻链以后，对其氨基酸顺序的研究大大促进了对Ig 化学性质的了解。（一）Ig 的基本结构Ig 分子由 4 条肽链组成，2 条长链称为重链(heavychain，H)，由大约 440 个氨基酸残基组成，分子量约 5070kD；2 条短链称为轻链(lightchain，L)，由大约 220 个氨基酸组成，分子量约 22.5kD。4 条肽链通过链间二硫键(-SS-)连在一起。其结构模式
3、见图2-1。Ig 分子肽链的 N 端，在 L 链 1/2 和 H 链 1/4 处（约在 110 位前）氨基酸的种类和顺序各不相同，称为可变区（variableregion，V 区）；肽链C 端其余部分的氨基酸，在种类和顺序上彼此间差别不大，称为稳定区或恒定区(constantregion，C 区)。V 区位于 N 端，H链和 L 链各有 3 个高变区(hypervariableregion)，其中的氨基酸残基种类和顺序特别多变。这此都与识别抗原直接有关，为 Ig 分子的抗原结合部位，故亦称为互补决定区(CDR)。可变区中的其他氨基酸残基称为构架区(FR)，大约占整个 V 区近 75，其顺序很少
4、变化（约 5）。FR 的功能为支持 CDR，并维持 V 区三维结构的稳定性。H 和 L 链的 FR 在某些位置上具有相同的氨基酸残基。根据 VH/VL 氨基酸顺序同源程度的差异，可将Ig 分为群和亚群。图 2-1 免疫球蛋白（IgG）结构模式图（二）Ig 的三维结构Ig 分子的每一条肽链，都由链内二硫键将相邻的二级结构单元折叠成球形局部性区域（图 2-2）；每个球形区约由 110 个氨基酸残基组成，不同Ig 分子对应球形区的氨基酸残基顺序具有高度的相似性，因此称为同源区。IgG、IgA 和 IgD 分子共有 12 个同源区，其中L 或 L 各 2 个：VL 和 CL；H 链各 4 个：VH、C
5、H1、CH2 和 CH3。IgM 和 IgE 分子各有 14个同源区，因为其H 链上多一个 CH4。虽然H 链和 C 区的不同区域彼此同源，并且与L 链的CL 同源，但它们与 V 区的氨基酸排列顺序极少相同，说明V 区和 C 区是由不同的基因（V基因和 C 基因）分别编码的。每个同源区担负着一定的免疫功能，因而也称为功能区。可变区中的氨基酸排列顺序呈高度变异性，其高变区对应的 VL 和 VH 形成袋状，随氨基酸残基的不同形状各异，以能与多种多样的抗原决定簇相适应，构成抗体特异性的分子基础。同时CH 和 CL 区的氨基酸排列顺序相对稳定，又适应其发挥许多特定的生物学效应，如固定补体和调节 Ig
6、分解代谢率等功能位于CH2，而亲和细胞的功能则在CH3 或 CH4。图 2-2 免疫球蛋白（IgG）的功能区示意图在重链 CH1 和 CH2 之间的区域富含脯氨酸和半胱氨酸和半胱氨酸，这两类氨基酸的游离基团少，几乎不与邻近的区域形成固定的二级或三级结构。这一自由柔曲的肽段称为铰链区(hingeregion)。该区结构的柔韧性允许抗体分子的抗原结合部位随意改变方向，使抗体分子结合抗原的能力大大增强。同时也因Ig 变构而使补体结合点暴露出来。（三）Ig 的水解片段Ig 分子可被许多蛋白酶水解，产生不同的片段；免疫学研究中常用的酶是木瓜蛋白酶(papain)和胃蛋白酶(pepsin)。木瓜蛋白酶在生
7、理pH 下将 IgG 分子从 H 链二硫键 N 端 219位置上断裂，生成两个相同的Fab 片段和一个 Fc 片段。Fab 段即抗原结合片段，含1 条完整的 L 链和 H 链的一部分(Fd)段；Fab 段仍具有抗原结合活性，但结合能力较弱，只有一价。Fc 段即可结晶片段，为2 条 H 链 C 端剩余的部分，在一定条件下可形成结晶。Fc 段不能与抗原结合，但具有许多其他生物学活性，如固定补体、亲和细胞（巨噬细胞、NK 细胞和粒细胞等）、通过胎盘、介导与细菌蛋白的结合等。图 2-3IgG 分子的水解片段模式图胃蛋白酶于于低pH 下可将 IgG 分子从 H 链间二硫键 C 端 232 位置切断，形成
8、含 2 个 Fab段的 F(ab)2片段和 1 个较小的 pFc片段。F(ab)2段即双价抗体活性片段，经还原后可得 2 个 Fab。Fab的分子量略大于 Fab，而生物活性与 Fab 相同。pFc比 Fc 分子量小，虽然仍保持亲和巨噬细胞及与某些类风湿因子结合的能力，但失Fc 片段原有的固定补体等活性。第二节第二节免疫球蛋白的血清型免疫球蛋白的血清型免疫蛋白为大分子蛋白质，具备抗原的各种性质，对异种、同种异体，甚至宿主自身都是良好的抗原，而且是一个抗原复合体，带有多种抗原决定簇。Ig 分子的这种异质性反映了抗体形成细胞的遗传性差异，代表抗体分子在不同水平上的遗传变异性；通常可用血清学方法检测
9、出来，并据此将Ig 及其肽链（H 和 L 链）分成不同的血清学类型。需要指出的是，在正常状态下，1 个 Ig 分子的 2 条 H 链是均一的，2 条 L 链也是均一的，在任何层次上都不会出现 2 条链不同类或不同型的情况。（一）同种型同种间所有正常个体都具有的Ig 抗原特异性，称同种型。包括IgH 链的类和亚类及 L链的型和亚型，以及 VH/VL 的群和亚群的抗原；亦即同种生物所有正常个体都有各类、亚类及不同型别、群和亚群等多种Ig 的变异体。这种同种型变异体并不具有个体特异性。1类和亚类依H 链 C 区的结构和抗原性的不同，可将H 链分为、和 5类，相应 Ig 分子也分为 5 类，分别为Ig
10、A、IgG、IgD、IgE 和 IgM。有的同类H 链 C 区之间的氨基酸顺序仍有一些差别，再分成若干亚类；例如IgG 可以分为 4 个亚类：IgG1、IgG2、IgG3 和 IgG4；IgA 可分成 2 个亚类：IgA1 和 IgA2（表 2-1）。表 2-1Ig 的类型及其理化特点性状分子量（kD）沉降系数（S）电泳位置含糖量（）重链类别重链亚类IgG1507314IgA160,4007,1181,2IgM9001910IgD180710IgE1908122型和亚型根据 L 链和 C 区的结构和抗原性的不同，可将L 链分为 和 两型。类 链只有 1 个同种异型；但 链至少有 4 种非等位（
11、同种型）基因的产生，为 链上一定位置的 1 个氨基酸置换而形成的变异体。例如Kern（）指链上第 150 位是甘氨酸，而 Kern（）则为丝氨酸；Oz（）为第 190 位上是赖氨酸，Oz（）为精氨酸。（二）同种异型同种不同个体间 Ig 结构和抗原性的差异称同种异型（allotype）。与同种型的区别在于，同种异型的特异性只存在于同种的某些个体中，而同种型的特异性则普遍存在同一物种的所有个体。同种异型表位在C 区，由同一基因位点上几个等位基因控制，反映在CH 和 CL上只有 12 个氨基酸的差异。这此关键氨基酸构成的同种异型抗原称为遗传标志。它包括与 H 链相关的 Gm、Am、Em 系统和与 L
12、 链相关的 Km 系统。Gm 是 链（4 除外）上的同种异型标志，由许多种不同抗原决定簇组成，用字母或数字命名。Am 为 IgA2 亚类 2 链标志，有 2 种 Am 特异性。Km 有 Km1、Km2、Km3 三种，是 链 C 区 153 和 191 位氨基酸残基置换的结果。在入 链中尚未发现同种异链标志。（三）独特型同一种属某一个体产生的抗体分子具有独特的抗原决定簇，不但与其他个体受同一抗原刺激产生的特异性抗体不同，而且与自身其他特异性抗体也有区别，称为独特型(idiotype)。独特型是单克隆的，其抗原决定簇位于V 区，与高变区决定簇的互补空间相关联，反映Ig分子高变区抗原决定簇的差异。独
13、特型抗原可用抗独特型抗体直接特异性检出。抗独特型抗体有两型，一为直接与抗体分子的抗原结合部位决定簇反应，从而能阻断抗原结合，成为抗原内影像，可作为抗独特型抗体疫苗；另一针对抗原结合部位以外的V 区其他决定簇。虽然 Ig 分子 V 区球形构象提示抗体高变区、抗体的抗原结合部位和抗体的独特型决定簇三者关系密切，但不完全重合。一些独特型抗原与抗体活性无关。抗独特型抗体可因单独的H 和 L 链或肽链的 V 而产生，亦即独特型决定簇或称独特位(idiotope)，可完全位于 H 和 L 链的结合体。Ig 分子的独特型抗原具有自身免疫原性，在正常免疫应答过程中产生抗独特型抗体（Ab2），这种抗抗体再生引发
14、另一 B 细胞产生抗 Ab2 抗体(Ab3)，如此继续下去，独特型和抗独特型将整个抗体产生系统联成一个网络，称为独特型网络(idiotypicnetwork)。第三节第三节免疫球蛋白的生物学活性免疫球蛋白的生物学活性免疫球蛋白的重要生物学活性为特异性结合抗原，并通过重链 C 区介导一系列生物学效应（表 2-2），包括激活补体、亲和细胞而导致吞噬、胞外杀伤及免疫炎症，最终达到排除外来抗原的目的。（一）抗原结合作用抗体分子在结合抗原时，其 Fab 片段的 V 区与抗原决定簇的立体结构（构象）必须吻合，特别与高变区的氨基酸残基直接有关，所以抗原抗体的结合具有高度特异性。尽管某些氨基酸残基在肽链的氨基
15、酸顺序上相距很远，但由于肽链沿功能区长轴平行方向往返折叠，使他们能紧紧接近，形成一双层排布的凹形或袋状包围抗原的活性部位，双层间存在许多硫水氨基酸侧链。抗体分子与抗原的相互作用靠各种非共价力，如氢键、静电引力和 VanderWaal力等，是一种可逆性反应。抗体与抗原结合后才能激活效应功能，天然Ig 分子不能起这种作用。但在无抗原存在时，某些物理处理（例如加热、凝聚等）也可模拟Ig 分子构象的变化而起激活效应机制的作用。（二）补体活化作用补体 C1q 与游离 Ig 分子结合非常微弱，而与免疫复合物中的IgG 或 IgM（经典途径）或凝集 Ig（替代途径）结合则很强。C1q 与 IgGFc 段的
16、CH2 功能区起反应，其结合位点在3个氨基酸侧链上。所有 IgG 亚类的单独 Fc 片段对 C1q 具同样的亲和性；但完整蛋白则主要是 IgG1 和 IgG3 才能结合 C1q 结合的影响有关。IgM 激活补体能力最强。IgG 至少需两紧密并列的分子才能有效地激活C1q，而IgM 单个分子在结合抗原后即可激活补体。循环IgM 仅显示低亲和性的单个 C1q 结合点，与 IgG 的效能相近似；但当 IgM 分子与大分子抗原的多个决定簇结合后，改变其构象呈钩环状，以致暴露了原来被相近亚单位隐蔽的C1q 结合点而增强了激活补体的能力。IgG4、IgA1 和 IgA2 虽不能通过经典途径激活补体，但其I
17、g 聚合物均可激活 C3 旁路。（三）亲细胞作用IgG 分子能与细胞表面的 Fc 受体结合。这些受体均属Ig 超族成员，主要有 FcR（CD64）、FcR（CD32）和 FcR（CD16）。FcR在单核细胞表面很丰富，中性粒细胞受适当细胞因子调节以后也可表达此受体；FcR 为一高亲和性受体，与IgG1 和 IgG3 有很强的结合性，与 IgG4 也可作用，但与 IgG2 则不能结合。FcR和FcR受体在很多细胞上都存在，包括中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和血小板，与 IgG1 和 IgG3 有低亲和相互作用。活化 B 细胞表面有一个 IgM 结合蛋白（FcR），但在T 细胞、单核细胞或粒细胞都没有。
18、在单核细胞和中性粒细胞表面有FcR，因而IgA 亦有调理素作用。近年有T 细胞上存在 IgD 受体的报道，但其意义仍不基清楚。FcR受体存在于肥大细胞和嗜碱性粒细胞上；在 B 细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞和血小板上有FcR，它们的相互作用与调节IgE 应答有关。细胞通过表面 Fc 受体与相应 Ig 结合后，可诱发一系例的生物效应，不同细胞的效应不同。（四）其他生物活性1结合 A 蛋白和 G 蛋白人类 IgG1、IgG2 和 IgG4 的 Fc 段可结合葡萄球菌A 蛋白，其结合位点在 IgG 的 CH2CH3 之间；黄种人的 IgG3 也可结合 A 蛋白，而在白种人则不能，可能因为其 IgG3
19、的组氨酸被精氨酸置换。链球菌G 蛋白可与人 IgG 的个亚类结合，也可与几乎所有哺乳动物的 IgG 结合，其结合能力远比葡萄球菌A 蛋白强。但是这两种蛋白对其他类的Ig 均无亲和力。2透过细胞膜人的 IgG 可通过胎盘传递至胎儿的血液循环，这不是被动的扩散，而是由 IgG 的 Fc 段选择性地与胎盘微血管发生可逆结合透过；这种特性仅为 链所特有，其他类 Ig 不具备这种能力。IgA 通过与分泌成分的结合可以从粘膜下转运至外分泌液中，例如转运至肠道和乳汁中。第四节第四节各类免疫球蛋白的特点各类免疫球蛋白的特点五类免疫球蛋白都有结合抗原的共性，但它们在分子结构、体内分布、血清水平及生物活性等方面又
20、各具特点（表2-2）。表 2-2 五类 Ig 的代谢、分布及生物活性性状血清含量(mg/dL)半衰期(d)血管内分布()外分泌液中结合补体透过胎盘与肥大细胞结合IgG12002350(IgG4)IgA200650IgM120580IgD3375IgE0.04250（一）IgGIgG 为标准的单体 Ig 分子，含 1 个或更多的低聚糖基团，电泳速度在所有血清蛋白中最慢。IgG 是再次免疫应答的主要抗体，具有吞噬调理作用、中和毒素作用、中和病毒作用、介导 ADCC、激活补体经典途径、并可透过胎盘传输给胎儿；IgGFc 片段可结合类风湿因子及其他抗 球蛋白抗体，致敏异种（豚鼠）皮肤；还有抗核抗体、抗
21、 Rh 抗体、肿瘤封闭抗体等均属 IgG；因而 IgG 有多能免疫球蛋白之称。IgG 合成速度快、分解慢、半衰期长，在血内含量最高，约占整个 Ig 的 75；各亚类所占比例大约为：IgG16070，IgG21520，IgG3510，IgG417，各亚类的比例随年龄及遗传背景而有变化；同时各亚类的生物学和免疫学性质也不尽相同（表2-3）。表 2-3IgG 各亚类的生物活性性状激活补体透过胎盘IgG1IgG2IgG3IgG4中和毒素抗 Rh 抗体（二）IgMIgM 为五聚体，是Ig 中分子最大者。分子结构呈环形，含一个J 链，各单位通过 链倒数第二位的二硫键与 J 链互相连接。结构模式见图2-4。
22、链含有 5 个同源区，其 CH3和 CH4 相当于 IgG 的 CH2 和 CH3，无铰链区。图 2-4 免疫球蛋白多聚体结构从化学结构上看，IgM 结合抗原的能力可达 10 价，但实际上常为 5 价，这可能是因立体空间位阻效应所致。当 IgM 分子与大颗粒抗原反应时，5 个单体协同作用，效应明显增大。IgM 凝集抗原的能力比 IgM 大得多，激活补体的能力超过 IgG1000 倍；由于吞噬细胞缺乏 IgM的特异受体，因而 IgM 没有独立的吞噬调理作用；但当补体存在时，它能通过 C3b 与巨噬细胞结合以促进吞噬。虽然 IgM 单个分子的杀菌和调理作用均明显高于IgG 抗体，但因其血内含量低、
23、半衰期短、出现早、消失快、组织穿透力弱，故其保护作用实际上常不如IgG。（三）IgAIgA 分为血清型和分泌型两种类型。大部分血清 IgA 为单体，大约 1015为双聚体，也发现少量多聚体。IgA 功能区的分布与 IgG 十分相似，两个亚类（IgA1 和 IgA2）的最大差异在铰链区。IgA2 缺少 H-L 链间二硫键区域，容易被解离分开。从含量、稳定性和半衰期看，血清型IgA 虽不如 IgG，但高于其他类Ig。IgA 可以结合抗原，但不能激活补体的经典途径，因此不能象 IgG 那样发挥许多的生物效应，所以过去曾误以为血清型IgA 的意义不大；近年的研究发现，循环免疫复合的抗体中有相当比例的I
24、gA，因而认为：血清型IgA 以无炎症形式清除大量的抗原，这是对维持机体内环境稳定的非常有益的免疫效应。分泌型IgA（SigA）为双聚体。每一SigA 分子含一个 J 链和一个分泌片（图2-4）。链、L 链和J 链均由浆细胞产生，而分泌片由上皮细胞合成。J 链通过倒数第二位二硫键将2 个 IgA 单体互相连接；结合分泌片后 SIgA 的结构更为紧密而不被酶解，有助于 SIgA 在粘在粘膜表面及外分泌液中保持抗体活性。外分泌液中的高浓度 IgA 主要为局部合成，特别是在肠相关淋巴样组织（GALT）内。分泌型IgA 性能稳定，在局部浓度大，能抑制病原体和有害抗原粘附在粘膜上，阻挡其进入体内；同时也
25、因其调理吞噬和溶解作用，构成了粘膜第一线防御机制；母乳中的分泌型 IgA 提供了婴儿出生后 46 月内的局部免疫屏障。（四）IgDIgD 的分子结构与 IgG 非常相似，有明显的铰链区，其蛋白质高度糖基化。IgD 性能不稳定，在分离过程中易于聚合，又极易被酶裂解。虽然有些免疫应答可能与特异性IgD 抗体有关，但它并不能激活任何效应系统。某些自身免疫病及过敏反应病患者血中存在IgD 类抗核抗体或抗青霉素 IgD 抗体。正常人血清内 IgD 浓度很低，但在血循环内 B 细胞膜表层可检出 IgD，其功能主要是作为B 细胞表面的抗原受体。在B 细胞发育的某些阶段，膜IgD 的合成增强。大部分慢性淋巴细
26、胞白血病病人B 细胞表面带膜 IgD，并常同时有膜 IgM。（五）IgEIgE 为单体结构，分子量大于IgG 和单体 IgA，含糖量较高，链有 6 个低聚糖侧链。象 IgM 一样，IgE 也有 5 个同源区，CH2 功能区置换了其他类重链的铰链区。正常人血清中IgE 水平在 5 类 Ig 中最低，分布于呼吸道和肠道粘膜上的IgE 稍多，可能与 IgE 在粘膜下淋巴组织内局部合成有关。IgE 水平与个体遗传性和抗原质量密切相关，因而其血清含量在人群中波动很大，在特应性过敏症和寄生虫感染者血清中IgE 水平可升高。IgE 不能激活补体及穿过胎盘，但它的 Fc 段能与肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的受体结合，介导型变态反应的发生，因此又称亲细胞抗体。