Антитела́, иммуноглобулины — крупные глобулярные белки плазмы крови, выделяющиеся плазматическими клетками иммунной системы и служащие для нейтрализации клеток патогенов (бактерий, грибов, многоклеточных паразитов) и вирусов, а также белковых ядов и некоторых других чужеродных веществ. Каждое антитело распознаёт уникальный элемент патогена, отсутствующий в самом организме, — антиген, а в пределах данного антигена — определённый его участок, эпитоп. Связываясь с антигенами на поверхности патогенов, антитела могут либо непосредственно нейтрализовать их, либо привлекать другие компоненты иммунной системы, такие как система комплемента и фагоциты, чтобы уничтожить чужеродные клетки или вирусные частицы. Антитела — важнейший компонент гуморального специфического иммунитета.
Антитела (иммуноглобулины) образуют белковое суперсемейство. Молекула антитела имеет Y-образную форму, на двух концах молекулы располагаются два одинаковых сайта связывания антигенов, а третий конец бывает одного из нескольких видов, в зависимости от него антитела относят к тому или иному классу. В состав одного антитела в большинстве случаев входят две тяжёлые цепи и две лёгкие цепи. У млекопитающих существует пять типов тяжёлых цепей — α, γ, δ, ε и μ, которым соответствуют пять (классов) антител — IgA, IgG, IgD, IgE и IgM. Антитела каждого изотипа отличаются от других функциями и особенностями структуры. Колоссальная вариабельность антител обеспечивается перестройками локусов, кодирующих тяжёлые и лёгкие цепи, в ходе V(D)J-рекомбинации.
Образование антител, распознающих нормальные белки организма (аутоантител), составляет основу развития аутоиммунных заболеваний, например, системной красной волчанки, ревматоидного артрита, диабета 1-го типа и других. Полное или частичное отсутствие антител приводит к развитию иммунодефицитных состояний.
Строение
Молекулы иммуноглобулинов (антител) имеют форму буквы «Y» и состоят из двух одинаковых лёгких и двух одинаковых тяжёлых полипептидных цепей, соединённых вместе дисульфидными связями. Полипептидные цепи на «верхних» концах «буквы Y» завершаются аминогруппами и являются антигенсвязывающими участками, «ножка» — карбоксильными группами.
Известны растворимые и мембранные формы антител. Мембранные антитела встречаются у B-лимфоцитов и называются B-клеточными рецепторами. Растворимые антитела по строению практически идентичны мембранным, различия касаются лишь C-концевой (константной) части. Молекула мономерного иммуноглобулина имеет молекулярную массу 150—170 кДа и состоит из четырёх полипептидных цепей: двух лёгких, или L-цепей () (масса 50—60 кДа), и двух тяжёлых, или H-цепей () (масса 100—120 кДа), которые располагаются симметрично и соединены дисульфидными связями. H- и L-цепи соединены единственной дисульфидной связью, расположенной недалеко от C-конца лёгкой цепи, остальные дисульфидные связи скрепляют H-цепи. В состав лёгких цепей входит два гомологичных сегмента (домена), а в состав тяжёлых — 4—5 доменов. Домены состоят из приблизительно 110 аминокислотных остатков (а. о.) и имеют сходную пространственную структуру, которая стабилизирована одной дисульфидной связью, однако их функции различаются. Эти домены относятся к так называемым иммуноглобулиновым доменам, содержащим характерный , известный как иммуноглобулиновая укладка, представленная двумя β-слоями, которые взаимодействуют друг с другом с помощью дисульфидных связей и электростатических взаимодействий, формируя нечто наподобие сэндвича. Домены взаимодействуют друг с другом посредством гидрофобных взаимодействий.
N-концы всех цепей участвуют в распознавании антигена, то есть образуют два одинаковых сайта связывания антигена. Ключевую роль в процессе распознавания антигена играет соответствие структур антигена (точнее, части молекулы антигена — эпитопа) и антигенраспознающего участка антитела, или паратопа по принципу «ключ-замок». Специфичность иммуноглобулинов определяется аминокислотной последовательностью антигенраспознающих доменов, которые называют вариабельными, или V-доменами (их также называют FV-участками). Антигенсвязывающий участок формируется V-доменами тяжёлых и лёгких цепей (VH- и VL-домены соответственно). Его формируют вариабельные петли β-листов, три из которых относятся к VL-доменам, а оставшиеся три — к VH-доменам. Эти петли иногда называют (). CDRs также известны как гипервариабельные участки. В молекуле иммуноглобулина обычно имеется 3 гипервариабельных участка, положение которых в цепи может быть различным. Кроме того, в состав каждого V-домена входит 4 участка относительно постоянного состава (каркасные участки). Сверхвысокая вариабельность CDRs обеспечивает огромное разнообразие иммуноглобулинов.
Остальные домены молекулы иммуноглобулина имеют фиксированную структуру, поэтому их называют константными, или C-доменами. L-цепь содержит один C-домен (обозначается CL), а H-цепь — 3 или 4 домена, которые обозначаются CH1, CH2, CH3, CH4. C-домены не участвуют в распознавании антигенов и необходимы для взаимодействия с рецепторами иммунных клеток, активации системы комплемента и других эффекторных функций.
Доля гипервариабельных положений в V-доменах по сравнению с относительно инвариантными невелико и составляет 15—20 % от всех аминокислотных остатков. Кроме того, в эволюции позвоночных животных V-домены оказались более консервативными, чем константные домены, причём их консервативность связана с константными участками. Так, гомология VL-доменов между тигровой и галапагосской акулами составляет около 75 %, а между человеком и собакой — около 50 %.
Антитело называют , если оно может распознавать только один антиген или эпитоп, и биспецифичным, если оно связывается с двумя разными антигенами или двумя разными эпитопами в составе одного антигена. Некоторые антитела называют поливалентными, или неспецифичными, если они распознают несколько антигенов.
Под действием протеаз молекулы иммуноглобулинов расщепляются на фрагменты, которые имеют специальные названия. Так, папаин расщепляет молекулу иммуноглобулина на три фрагмента: два фрагмента Fab (от ) и один фрагмент Fc (от ). В состав фрагментов Fab входят V-домены, а также CL- и CH1-домены, а Fc содержит остальные C-домены и соединяющие их дисульфидные связи. Пепсин разрезает молекулу иммуноглобулина немного иначе и даёт двухвалентный антигенсвязывающий F(ab')2-фрагмент и укороченный Fc'-фрагмент.
В области C-доменов находится большая часть участков, взаимодействующих с рецепторами клеток, такими как Fc-рецепторы. Так, в домене Сγ2 расположены участки связывания с компонентом комплемента С4b, а также с рецепторами FcγRI и FcγRII. В домене Сγ3 локализован участок связывания с FcγRIII. Продолжительность пребывания антитела в кровотоке зависит от особенностей строения домена CH2. Между доменами СН1 и СН2 располагается участок, различный по протяжённости в Н-цепях разных изотипов и не входящий в состав доменов. В связи высоким содержанием пролина этот участок обладает высокой гибкостью, поэтому его также называют шарнирным участком. Именно в нём располагаются сайты расщепления иммуноглобулинов протеазами.
Молекулы антител подвергаются гликозилированию, то есть являются гликопротеинами. L-цепи лишены стабильных участков гликозилирования, а в Н-цепях они представлены во всех доменах, кроме вариабельного (больше всего их находится в СН2-домене). Сайтов N-гликозилирования в составе антител больше, чем сайтов O-гликозилирования. Углеводная составляющая антител не влияет на их специфичность, однако гликозилирование необходимо для стабилизации функционально важных характеристик молекулы, обеспечивает взаимодействие с лектинами, определяет особенности катаболизма и биологические свойства антител. Углеводные фрагменты в составе антител чаще всего имеют основу из остатков маннозы и хитобиозы.
Классы Тяжёлые и лёгкие цепи существуют в нескольких вариантах, отличающихся структурой и функциями, в связи с чем антитела делят на классы, или изотипы. Выделяют два типа L цепей (κ и λ) и пять изотипов H-цепей (μ, γ, α, δ и ε). В состав одной молекулы иммуноглобулина могут входить только H-цепи одного вида. У млекопитающих существует пять основных типов антител: IgM, IgG, IgA, IgD и IgE (латинские буквы в названиях классов антител соответствуют греческим в обозначении изотипов Н-цепей). Иммуноглобулины классов IgG и IgA разделяют на подклассы (субтипы), также в зависимости от особенностей Н-цепей. Иммуноглобулины всех классов могут принадлежать к К- и L-типам в зависимости от присутствия в их составе L-цепей κ- или λ-типов соответственно. Разные изотипы H-цепей имеют отличающееся количество C-доменов: γ-, α- и δ-цепи имеют по 3 C-домена, а в состав μ- и ε-цепей входит по 4 C-домена. Классы антител также различаются степенью гликозилирования, в частности, наименее гликозилированы антитела класса IgG.
Основные свойства классов антител перечислены в таблице ниже.
Свойство IgM IgG IgA IgD IgE Молекулярная масса, кДа 950 150; субтип IgG3 — 165 150; димер — 300 185 190 Количество мономеров 5 1 1 или 2 1 1 Валентность 5 2 2 или 4 2 2 Изотип H-цепи μ γ α δ ε Количество C-доменов в H-цепи 4 3 3 3 4 Количество дисульфидных связей между H-цепями 4 3—12 4 или 5 1 3 Содержание в сыворотке, мг/мл 1,5 13—14 3,5 0,03 0,00002—0,0005 Время полужизни, сут 5—10 23 (IgG3 — 7) 6 3 2 Клетки, связывающие антитело через Fc-рецепторы — Макрофаги, моноциты, нейтрофилы Макрофаги, моноциты, нейтрофилы (слабо) — Тучные клетки, базофилы Функции Мембранный рецептор, первичный иммунный ответ Вторичный иммунный ответ, защита от бактерий и вирусов Преобладают в секретах слизистых оболочек Мембранный рецептор Реагины, защита от паразитов
Помимо перечисленных выше классов антител млекопитающих, у некоторых позвоночных животных имеются другие классы антител. Например, у костных рыб имеется особый класс антител IgT/Z, а у амфибий, рептилий и птиц имеются иммуноглобулины Y (IgY), которые состоят из двух тяжёлых и двух лёгких цепей и в больших количествах накапливаются в яичном желтке. У хрящевых рыб и млекопитающих семейства верблюдовых имеются антитела из тяжёлых цепей, лишённые лёгких цепей. Считается, что антитела из тяжёлых цепей хрящевых рыб и верблюдовых — результат конвергентной эволюции, и они появились в связи с функциональными особенностями. Около 50 % антител верблюдов и близких видов составляют типичные для млекопитающих антитела из четырёх цепей. Существуют ли животные, обладающие только антителами из тяжёлых цепей, неизвестно.
Функции К основным функциям антител в иммунной системе можно отнести: , в ходе которой нейтрализующие антитела блокируют часть поверхности бактериальной клетки или вириона и делают их неактивными; агглютинацию, при которой антитела «склеивают» чужеродные клетки в комки, которые уничтожаются путём фагоцитоза; преципитацию, в ходе которой антитела собирают растворимые в плазме крови антигены в скопления, выпадающие в осадок, подвергающийся фагоцитозу; активацию комплемента, при которой антитела присоединяются к поверхности патогенной клетки, благодаря чему её могут атаковать компоненты системы комплемента, вызвать её лизис и запустить воспаление.
Антитела, которые связываются с поверхностью чужеродной клетки, активируют первый компонент каскада комплемента с помощью своих Fc-участков; такой способ активации комплемента получил название классического пути активации комплемента. В результате клетка, покрытая антителами, может погибнуть двумя способами. Во-первых, связывание антител и компонентов комплемента с поверхностью клетки помечает её как мишень для уничтожения фагоцитами, которые привлекаются к клетке некоторыми компонентами каскада комплемента. Во-вторых, компоненты комплемента формируют мембраноатакующий комплекс на поверхности клетки, который вызывает её гибель в результате лизиса.