Il sistema del complemento, insieme con gli anticorpi, è un elemento essenziale del sistema immunitario nei meccanismi di difesa umorale contro gli agenti infettivi. Si tratta di un sistema di mediazione umorale, costituito da circa 30 proteine circolanti nel sangue e di membrana, capaci di interagire reciprocamente e con le membrane cellulari. Nel sangue, le proteine sono presenti come molecole funzionalmente inattive; dopo l’attivazione, esse sono capaci di interagire tra loro, con gli anticorpi o con le membrane cellulari, svolgendo molteplici attività biologiche che comprendono l'uccisione delle cellule. L'attivazione "a cascata" delle sue proteine solubili, che convenzionalmente vengono chiamate componenti, è alla base di attività biologiche varie come la lisi cellulare, batterica o virale; tali componenti si introducono nelle membrane degli agenti patogeni provocando su di esse pori che portano alla lisi. Durante l'attivazione del complemento si ha inoltre il reclutamento di varie cellule immunocompetenti, come cellule fagocitarie (monociti, macrofagi, polinucleati), linfociti B e linfociti T.
Storia Il termine complemento fu usato per la prima volta nel 1898 da J. Bordet che aveva notato che se incubava una miscela di batteri con siero contenente anticorpi rivolti contro i batteri stessi, questi venivano lisati (distrutti); se invece il siero veniva riscaldato a una temperatura di la lisi non avveniva. Poiché era stato già dimostrato che gli anticorpi resistevano al riscaldamento, Bordet ipotizzò la presenza nel siero di un componente termolabile che completava l'azione degli anticorpi e che battezzò appunto complemento.
Attivazione del complemento Come accade per altri sistemi operanti nell'organismo, come quello della coagulazione del sangue e quello delle chinine, l'attivazione del complemento avviene con un meccanismo detto a cascata per attivazione sequenziale dei vari componenti complementari che circolano in forma inattiva.
Esistono tre vie distinte di attivazione del complemento, la via classica, la via alternativa e la via lectinica, che partendo da momenti differenti conducono alla proteolisi del C3 con conseguente formazione di C5 convertasi. Da questo evento centrale, la attivazione delle altre componenti procede attraverso una via comune che porta alla formazione del complesso di attacco della membrana (MAC), il quale, legandosi alle membrane cellulari dei microorganismi, ne determina la lisi osmotica. Come spesso accade i nomi riflettono le tappe della scoperta, non il reale ruolo all'interno dell'organismo.
La via classica è attivata dal legame di alcune classi di anticorpi con il relativo antigene e quindi rappresenta un meccanismo dell'immunità umorale specifica. La via alternativa viene attivata direttamente da alcune proteine delle membrane cellulari dei microbi e quindi fa parte dei meccanismi della immunità innata. La via della lectina legante il mannosio utilizza il mannosio come sito di attacco alle membrane dei patogeni.
Alcune proteine presenti sulle cellule normali dell'ospite inibiscono l'attivazione del complemento e questo riduce al minimo l'effetto dannoso che il complemento potrebbe esplicare sulle cellule dell'ospite. I microorganismi invece non posseggono tali proteine, pertanto il sistema complementare può svolgere interamente la sua azione sulla loro membrana.
Via classica L'attivazione della via classica dipende dalla interazione di tre proteine del complemento, C1, C4 e C2, con il complesso antigene-anticorpo. La reazione comincia con il legame del C1 alle immunoglobuline di tipo IgG1, IgG3 e IgM fissate a un antigene multivalente. Il primo componente del complemento (C1) è costituito da tre sub componenti, C1q, C1r e C1s. Il C1q (composto da sei catene disposte radialmente a ombrello) svolge un'azione di ricognizione legandosi specificamente alla regione Fc delle immunoglobuline e per attivarsi necessita del legame di due Fc contemporaneamente. Per questo motivo le IgM, che sono pentameriche (5 sub unità e quindi 5 Fc), sono più efficaci delle IgG (che sono monomeriche) nell'attivazione del complemento dal momento che richiedono una minor concentrazione per avere 2 Fc sufficientemente vicine per interagire con un singolo C1q. Il C1r e il C1s (che sono presenti a coppie organizzate in un tetramero C1r2-C1s2) svolgono invece un'azione enzimatica (serina-esterasica): il legame di due o più catene di C1q alle immunoglobuline attiva il C1r che a sua volta attiva il C1s. Il C1s scinde enzimaticamente la seconda componente della cascata complementare il C4 in due frazioni: il C4a che rimane in circolo nel plasma e il C4b che si lega covalentemente alla membrana garantendo che l'attivazione prosegua solo in presenza di antigeni o con l'immunocomplesso. C4b, a sua volta, attiva il C2 in due frazioni: la C2a e la C2b. La C2a così prodotta si lega al precedente, dando luogo al complesso C4b2a. Il C2 è l'unico componente del complemento con la nomenclatura dei frammenti invertita (negli anni '90 venne proposto di cambiare la nomenclatura a C4b2b): C2b va in circolo, mentre C2a rimane attaccata alla C4b e manca di attività biologiche. Il complesso C4b2a costituisce l'enzima chiamato C3 convertasi della via classica, capace di legarsi al C3 e di scinderlo. Il C3 viene scisso in C3a (un'anafilotossina che va in circolo) e in C3b capace di legarsi sia alla membrana batterica con finalità opsonizzanti, sia al complesso C4b2a stesso andando a costituire la C5 convertasi della via classica.
C5 viene clivato per formare C5a e C5b. C5a viene rilasciato in circolo, mentre C5b lega i complementi C6 e C7, formando il complesso C5b,6,7 che, mediante C7, si lega sulla membrana del patogeno. Successivamente giungono la molecola C8, che si lega al complesso e si inserisce nella membrana cellulare, e le molecole C9, che legano il complesso polimerizzandolo. Si legano dalle 10 alle 16 molecole di C9 per formare un poro sulla membrana. Quest'ultimo complesso è chiamato "complesso di attacco alla membrana".
Via lectinica La via lectinica, molto simile alla via classica, viene attivata con il legame tra polisaccaridi presenti sui microbi e lectine o ficoline in circolo. La lectina legante il mannosio, (Mannose Binding Lectin, MBL), la H-ficolina e L-ficolina hanno omologie strutturali con la subunità C1q: presentano delle "teste" che legano specificamente residui di mannosio, di fucosio o di N-acetilglucosammina. Questi tipi di zuccheri, legati a proteine o lipidi, sono presenti solo sulle superfici cellulari di patogeni, ma non sulla superficie cellulare dei vertebrati (che contengono altri tipi di zuccheri, come l'acido sialico) permettendo, quindi, di discriminare il tipo di membrana di attacco e di innescare l'attivazione del complemento esclusivamente sulla superficie del patogeno. L'interazione con i polisaccaridi permette poi il legame con serine proteasi associate a MBL (MBL-Associated Serine Protease, MASP) comprendenti MASP-1, MASP-2 e MASP-3. MASP-1 (o MASP-3) e MASP-2 sono strettamente omologhi a C1r e C1s e una volta legato MBL (o le ficoline) vanno a formare tetrameri e a clivare C4 e C2 ricongiungendosi con le altre tappe della via classica.
Via alternativa L'attivazione della via alternativa porta alla formazione di C3 proteasi e quindi alla scissione del C3 senza il contributo di anticorpi. In condizioni normali si verifica continuamente la scissione del C3 circolante a un ritmo lentissimo (nota col termine tickover) con formazione di piccolissime quantità di C3b (che presenta omologie strutturali con C4b). Questo se rimane in circolo viene inattivato rapidamente; se invece si lega alle superfici di cellule, per esempio batteriche, esso può associarsi a una proteina plasmatica chiamata fattore B. Appena legatosi al C3b il fattore B perde un piccolo frammento (frammento Ba) a opera di una proteasi chiamata fattore D. Il frammento residuo, Bb, rimane legato al C3b costituendo il complesso C3b-Bb che rappresenta la C3 convertasi della via alternativa. Questa via è chiamata anche "via della properdina". La properdina (o fattore P) è una proteina plasmatica che, per la sua affinità con queste molecole, lega il complesso C3b-Bb, stabilizzando la C3 convertasi ed aumentandone l'emivita da 4 a 40 minuti.Biologia del sistema immunitario: il sistema del complemento in www.msd-italia.it. Al posto della properdina, può anche legarsi un'altra subunità C3b, formando il complesso C3bBbC3b detto anche C5 convertasi della via alternativa. La C3 convertasi è capace di scindere grandi quantità di C3 con rapida amplificazione del processo ma solo se il complesso C3bBb viene a formarsi su membrane batteriche e non quelle delle cellule di mammiferi, in quanto queste ultime posseggono delle proteine che degradano la C3 convertasi arrestando la cascata.
Dettagli molecolari del C3
Il C3 è un fattore del complemento presente nel plasma sanguigno a elevate concentrazioni, costituito da due catene, β (residui 1-645) e α (residui 650-1641), che insieme formano 13 domini, di cui 6 (MG1, MG2, MG3, MG4, MG5, LNK) appartenenti alla catena β e altri 6 (ANA, MG7, CUB, TED, MG8, C345C) appartenenti alla catena α, mentre un solo dominio (MG6) è formato per metà dalla catena α (MG6α) e per la restante dalla catena β (MG6β).
Di questi 13 domini, 8 (5.5 della catena β e 2.5 della α) mostrano un avvolgimento simile al modulo strutturale fibronectina di tipo 3 (che deriva dal modulo strutturale tipo immunoglobulina), per quanto nessuna omologia di sequenza è evidente tra questi domini. In analogia quindi ai domini dell'immunoglobulina, ci si riferisce a questi 8 domini del C3 con la sigla MG (macroglobulin domains: MG1−MG8).
Il C3 ha la caratteristica di possedere un legame tioesterico (Cys 988-Gln 991) altamente reattivo, perché instabile in ambiente acquoso, e il meccanismo della sua formazione, con conseguente rilascio di ammoniaca, è stato oggetto di molte pubblicazioni, ma alcuni risultati suggeriscono che i residui Cys 988 e Gln 991, durante o a seguito della sintesi della proteina, siano in grado di reagire spontaneamente, portando al tioestere necessario per l'attività biologica della proteina C3: indubbiamente, la formazione di questo legame comporta la partecipazione di strutture adiacenti che formano un sito attivo che promuove la reazione tra Cys 988 e Gln 991, e l'avvolgimento del C3 è in grado di fornire sia l'energia sia l'ambiente necessario affinché la reazione tra questi due residui possa avvenire.
Nella forma non clivata del C3 (C3 nativo), questo gruppo tioesterico è schermato dall'acqua grazie a una tasca idrofobica costituita dai residui Met 1378, Tyr 1425 e Tyr 1460 del dominio MG8 (residui 1331-1474 sulla catena α del C3) e Phe 1047 del dominio TED (thioester-containing domain, o dominio tioesterico: residui 963-1268 sulla catena α del C3), il che rende il tioestere estremamente stabile all'idrolisi a pH 7.4 (t1/2 > 6 giorni) o all'attacco di altri piccoli nucleofili. Sebbene completamente sepolti, il tioestere e la tasca protettiva sono posizionati all'interfaccia TED-MG8 vicino alla superficie della proteina; l'instabilità del tioestere causa una lenta ma costante lisi spontanea di C3, che però non porta sempre all'attivazione del complemento poiché il C3b generato può anche disattivarsi direttamente nella fase acquosa del sangue oppure può essere inattivato dalla presenza di proteine regolatrici dell'attivazione del complemento, presenti costitutivamente sulle membrane delle cellule dei mammiferi, ma assenti in quelle dei microrganismi (vedi oltre).