Gli anticorpi, detti anche immunoglobuline (Ig, globuline del sistema immunitario) oppure impropriamente γ-globuline (per via della banda principalmente occupata nel processo di elettroforesi sierica)In un soggetto sano le γ-globuline circolanti sono quasi esclusivamente anticorpi e per tale ragione i termini sono talvolta utilizzati come sinonimi sebbene le γ-globuline teoricamente comprendano anche gli altri tipi di globuline a elevato peso molecolare eventualmente presenti nel siero e non tutti gli anticorpi hanno la carica elettrica e il peso molecolare necessari per essere classificati come γ-globuline., sono una classe di glicoproteine con elevato peso molecolare presenti nel siero dei vertebrati. Tali molecole hanno un ruolo chiave nella risposta immunitaria specifica e la loro produzione, che avviene in larga parte a seguito del processo di maturazione dei linfociti B in plasmacellule secernenti, costituisce la funzione principale del sistema immunitario umorale (detto umorale perché il sangue è stato definito dai primi anatomisti un "umore", ovvero un fluido biologico).
Insieme ai TCR (T-cell receptors, recettori dei linfociti T) costituiscono l'unica classe di molecole in grado di rispondere specificamente ad un "agente estraneo" presente nell'ospite. Nello specifico grazie agli anticorpi avviene un legame tra il "non-proprio" che è costituito da un determinante antigenico o epitopo mostrato tipicamente sulla superficie di un patogeno (es. batterio o virus) e il "proprio" che è costituito dalla struttura dell'anticorpo legante l'epitopo (paratopo) che assume una particolare conformazione molecolare (idiotipo).
Gli anticorpi posseggono una peculiare struttura quaternaria che conferisce loro una forma a "Y" costituita da due porzioni variabili leganti gli antigeni (Fab) e una invariabile detta frammento cristallizzabile (Fc): è proprio questa organizzazione sovramolecolare che rende possibile il riconoscimento degli epitopi. In maniera schematica e semplificata si può dire che ciò avviene perché al termine dei bracci della "Y" gli anticorpi presentano delle porzioni molecolari variabili che sono in grado di legare in maniera specifica particolari segmenti del bersaglio da riconoscere, ovvero dell'antigene verso cui l'anticorpo è diretto. In maniera analoga a quanto riscontrato nella catalisi enzimatica, ogni "serratura" ha una sua "chiave" diversa, costituita dal proprio determinante antigenico; quando la "chiave" (l'antigene) è inserita, l'anticorpo si attiva e cambia la conformazione della porzione cristallizzabile innescando l'azione di diversi meccanismi immunitari.
Negli organismi che li producono è presente tipicamente un'ampia varietà di anticorpi e la loro diversità è generata dalla ricombinazione casuale di un insieme di segmenti dei geni che codificano i diversi siti di legame con l'antigene (o paratopi). Nel successivo sviluppo dei linfociti tali geni subiscono numerose mutazioni. Tale processo è detto ipermutazione somatica ed è seguito dalla selezione dei cloni linfocitari producenti le molecole più in grado di legare l'antigene (e quindi più funzionali alla risposta immunitaria). Ciò causa una diversità esponenzialmente maggiore della sola ricombinazione genica.Eleonora Market, F. Nina Papavasiliou (2003) V(D)J Recombination and the Evolution of the Adaptive Immune System PLoS Biology1(1): e16. Anche i geni anticorpali codificanti per la porzione cristallizabile (Fc) si riorganizzano in un processo noto come cambio di classe delle immunoglobuline o switch isotipico, creando un isotipo anticorpale diverso pur mantenendo una regione variabile specifica per l'antigene bersaglio. Ciò consente a un singolo paratopo di essere utilizzato da diverse porzioni del sistema immunitario e in diverse fasi della risposta immunitaria (esempio tipico è il cambio di classe da IgM a IgG nella risposta adattativa), con effetti diversi in base all'isotipo immunoglobulinico in cui esso è localizzato.
Caratteristiche generali Hanno la capacità di legarsi in maniera specifica agli antigeni (microorganismi infettivi come batteri, tossine o qualunque macromolecola estranea che provochi la formazione di anticorpi). Negli organismi a sangue caldo vengono prodotte dai linfociti B, trasformati per adempiere a questo compito, in seguito a stimoli specifici, in plasmacellule.
Le immunoglobuline, insieme ai recettori dei linfociti T (TCR) e alle molecole del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC, Major Histocompatibility Complex) sono le uniche molecole capaci di legare l'antigene in misura altamente specifica.
Le immunoglobuline fanno parte delle gammaglobuline facenti parte a loro volta delle globuline uno dei due gruppi di proteine plasmatiche (insieme alle albumine).
Storia
La scoperta delle tossine e dell'immunizzazione Un primo passo verso la scoperta degli anticorpi venne effettuato nel 1883 da Edwin Klebs che identificò il batterio della difterite e lo chiamò "batterio di Klebs-Loffler".
Nel 1884 Friedrich Löffler, un microbiologo tedesco, usò i postulati di Koch per dimostrare scientificamente la correlazione tra "presenza di Corynebacterium diphtheriae" e la difterite. In altre parole egli scoprì la patogenicità dei batteri della difterite ed inventò il "siero di Löffler", del sangue coagulato utilizzato per il rilevamento di C. diphtheriae. Nel 1888 Emile Roux e Alexandre Yersin dimostrarono che una sostanza prodotta da C.diphtheriae causava i sintomi della difterite in diversi animali da laboratorio.
Nello 1884 Antonio Carle e Giorgio Rattone (due professori dell'università di Torino) dimostrarono per la prima volta la trasmissibilità del tetano. Essi indussero il tetano in animali da laboratorio (conigli) iniettando nei loro nervi sciatici del pus proveniente da un paziente umano affetto da tetano. Nel 1889 Kitasato Shibasaburō, un batteriologo giapponese che lavorò sotto la guida di Koch nell'università di Berlino, riuscì a coltivare colture estremamente purificate del bacillo del tetano.
Ehrlich e la scoperta dell'immunizzazione contro la ricina e l'abrina In quegli anni Paul Ehrlich, un microbiologo tedesco, documenta per la prima volta il fenomeno di immunizzazione nel suo laboratorio privato. In altre parole, somministrando a dei topi la tossina "ricina" in quantità minime (evitando così gli effetti della dose letale) egli notò che dopo pochi giorni essi diventavano resistenti (immunizzati) alla stessa tossina, anche se questa veniva ri-somministrata a distanza di mesi. Notò, tuttavia, che i topi ricina-resistenti non erano immunizzati contro altre tossine, come ad esempio l'abrina. Elrich documentò che i topi ricina-resistenti esposti all'abrina si ammalavano nelle stesse proporzioni dei topi ricina-immunodeficienti.
Koch e l'unificazione dei tre precedenti contributi: scoperta dell'immunoterapia contro la difterite e il tetano Sulla base di queste scoperte Emil von Behring, nell'Istituto di malattie infettive di Berlino, tentò di formulare terapie antisieriche per il trattamento della difterite e del tetano. Questi tentativi procedettero fino al 1893, fino a quando Koch suggerì a Behring, Elrich e Shibasaburo di cooperare insieme. Questa collaborazione, sulla base dei precedenti lavori di Elrich e Shibasaburō, permise di immunizzare diversi animali da laboratorio contro la difterite e il tetano.
Nel 1890 von Behring e Shibasaburo riuscirono ad immunizzare delle cavie pre-trattate con la tossina difterica riscaldata dal calore.
1891: La scoperta delle antitossine e la formulazione della sieroterapia Nel 1891, durante le vacanze natalizie di Berlino, venne immunizzato il primo paziente umano contro la difterite. Essi iniettarono in questi pazienti del siero di animali sopravvissuti a difterite e tetano (in altre parole, "immunizzati" contro questi microbi) e registrarono un'elevata probabilità di eradicazione della patologia. Questo spinse Kitasato a formulare la teoria dell'immunità umorale. La componente proteica di questo siero venne chiamata inizialmente antitossina per l'azione rivolta verso la tossina difterica. Solo in seguito venne scoperto che proteine simili potevano essere prodotte contro altri microbi, e le immunoglobuline presero il nome attuale di anticorpi mentre le molecole in grado di legarli antigeni.
I primi studi sugli anticorpi analizzavano immunoglobuline presenti nel sangue di soggetti immunizzati. Questa metodica, tuttavia, non condusse a grandi conclusioni per la presenza di moltissimi anticorpi differenti fra loro e specifici per porzioni diverse di un antigene (anticorpi policlonali). Notevoli progressi furono effettuati esaminando il sangue di pazienti affetti da mieloma multiplo, un tumore delle plasmacellule che porta alla formazione di grandi quantità di anticorpi uguali (monoclonali). Tale osservazione fu in seguito alla base di numerose terapie basate sulla produzione in vitro di tali molecole e il loro utilizzo per stimolare l'azione del sistema immunitario contro bersagli specifici.
Biochimica
Struttura degli anticorpi
Gli anticorpi sono complessi proteici a struttura modulare che condividono una struttura di base, ma che presentano notevoli variabilità in specifiche regioni capaci di legarsi a particelle strutturalmente complementari denominate antigeni. In maniera molto grossolana, sono paragonabili a delle Y, costituite da un gambo centrale e due bracci laterali. La loro dimensione è di 15 nm x 10 nm x 2,5 nm. Le immunoglobuline sono simmetriche e composte da 4 catene: due leggere e due pesanti legate covalentemente da ponti disolfuro presenti tra residui di cisteine, le cui posizioni variano a seconda del tipo di anticorpo. Ogni catena contiene una serie di unità costituite da circa 110 amminoacidi formanti una struttura globulare chiamata dominio Ig. Il dominio è contenuto anche in altre proteine che, per la presenza di questa particolare struttura, vengono accomunate sotto il nome di superfamiglia delle Ig. Nello specifico il dominio Ig è costituito da due foglietti β tenuti insieme da un ponte disolfuro composti da 3-5 "nastri" ad andamento antiparallelo collegati da anse le cui sequenze amminoacidiche possono essere importanti per il riconoscimento dell'antigene.
Sia le catene pesanti sia quelle leggere sono formate da una regione variabile (V) aminoterminale ed una regione costante (C) carbossiterminale. Le regioni variabili di una catena pesante (VH) e di una leggera (VL) formano il sito di legame per l'antigene, dove le anse dei domini Ig contengono la variabilità che rende specifico il legame con l'antigene. Poiché ogni immunoglobulina è composta da due catene leggere e due pesanti, saranno presenti due siti di legame. Le regioni costanti non partecipano al riconoscimento dell'antigene, ma alle funzioni effettrici degli anticorpi.
Organizzazione delle immunoglobuline Alcuni esperimenti condotti da Rodney Porter servirono a capire le associazioni tra le catene e parte della struttura delle immunoglobuline. Essendo proteine, esse possono andare incontro a digestione proteolitica se trattate con specifici enzimi. Usando la papaina le immunoglobuline vengono tagliate in 3 frammenti costituiti dai due bracci e dal gambo. Due di questi sono identici e costituiti dalla catena leggera ancora legata ad un pezzo di catena pesante. Dal momento che la capacità di legare l'antigene è mantenuta vengono chiamati frammenti con sito di legame per l'antigene (FAB = Fragment, Antigen Binding). Il terzo frammento è composto dalle parti restanti delle catene pesanti che tendono ad aggregarsi e a cristallizzare. Viene per questo chiamato frammento cristallizzabile (FC = Fragment, crystallizable). L'uso della pepsina, invece, genera un solo frammento F(ab')2 costituito dai due FAB legati insieme. La restante parte dell'immunoglobulina non genera un Fc, ma piccoli frammenti peptidici.
Regione variabile (V) e ipervariabile