Иммунологическая специфичность

Контрольная работа

по биологии

2009

Содержание

1. Иммунологическая специфичность............................................................ 3

2. Взаимодействие антигена с субпопуляцией антител................................. 8

1. Иммунологическая специфичность

Антитела, образуемые в ответ на введение в организм антигенов, специфически взаимодействуют с этими антигенами. Образование специфического комплекса антиген — антитело обеспечивается гидрофобными, ионными ивандерваальсовыми взаимодействиями, а также водородными связями. Наиболее существенную роль играют силы гидрофобного взаимодействия. Неполярное связывание возникает в результате стремления гидрофобных групп в водном растворе к ассоциации друг с другом, что сопровождается стабилизацией всей системы. Эффективность таких взаимодействий возрастает с повышением температуры.

Меньший вклад в связывание антигена с активным центром антитела вносят водородные и ионные взаимодействия. Водородные связи образуются при взаимодействии атома водорода, ковалентно связанного с каким-либо отрицательно заряженным атомом, с неподеленной парой электронов другого отрицательно заряженного атома. В реакции антиген — антитело в качестве таких групп обычно выступают аминогруппы и гидроксильные группы/ Электростатические силы возникают при взаимодействии сильно заряженных ионизированных групп, таких, как ионизированная аминогруппа и ионизированная карбоксильная группа.

Степень соответствия между антигенной детерминантой и антигенсвязывающей областью активного центра антитела {иммунологическая специфичность) определяется химической и пространственной комплементарностью, которая обусловлена, с одной стороны, взаимодействием электронных облаков реагирующих химических групп, с другой — стерическими силами отталкивания. Если структуры антигена и активного центра не соответствуют друг другу, то их притяжение будет слабым, а отталкивание сильным. Важным моментом в образовании прочных специфических комплексов является наличие множественных контактов, позволяющих, несмотря на слабость отдельных единичных взаимодействий, прочно удерживать антиген в активном центре. Замена отдельных атомов или групп в молекуле антигена или в антигенсвязывающих центрах приводит к ухудшению связывания.

Вполне понятно, что один и тот же антиген могут узнавать антитела, имеющие комплементарные ему структуры, но несколько отличающиеся по составу аминокислотных остатков в антигенсвязывающем центре. Например, антигенсвязывающая область антидекстранового антитела человека в одном случае представляет собой неглубокий «желобок», в который укладывается до 6 остатков изомальтозы, в другом — состоит из глубокой полости, куда помещается 1-2 остатка, и более мелкой выемки для 2-4 остатков изомальтозы.

С другой стороны, антигенсвязывающий центр молекулы антитела определенной специфичности обладает способностью связывать антигены, отличные по структуре от основного. Можно представить себе, что в таком случае в связывании принимают участие как часть общих аминокислотных остатков в антигенсвязывающих центрах, так и отличающихся по своей локализации и природе.

С количественной стороны специфичность взаимодействия антиген— антитело характеризуется через аффинность антител или равновесную константу образования иммунокомплекса. В простейшем случае взаимодействие одного центра связывания антитела с моновалентным антигеном может быть представлено схемой

где Аг — свободный антиген; Ат — свободное антитело; Аг-Ат— комплекс антиген — антитело; k – константы скоростей ассоциации и диссоциации комплекса соответственно.

С учетом закона действующих масс в условиях равновесия можно записать

где — равновесные концентрации Аг, Ат и комплекса Аг-Ат, соответственно, или при переходе к константе равновесия или внутренней аффинности:

Равновесная константа образования К_аиммунокомплекса имеет размерность. На практике часто используют равновесную константу диссоциации комплекса Kd,связанную с Ка простым соотношением

и имеющую размерность. Очевидно, что чем меньше Kd, тем прочнее образующийся иммунокомплекс.

Константа комплексообразования является термодинамическим параметром, характеризующим изменение свободной энергии взаимодействия антиген — антитело AF, которое может быть рассчитано по следующей формуле: '

где R— газовая постоянная;Ф— абсолютная температура.

Общее изменение свободной энергии при комплексообразова-нии складывается из двух термодинамических величин —' изменений энтальпии и энтропии:

Определение АН можно провести экспериментально — либо с помощью прямых калориметрических измерений, либо из зависимости равновесной константы комплексообразования от температуры, описываемой законом Вант-Гоффа:

Д# рассчитывают из температурной зависимости логарифма константы равновесия от обратной температуры.

Зная изменения энтальпии равновесного процесса АН и свободной энергии AF,при данной температуре изменение энтропии находят из соотношения

Реакция антиген — антитело.протекает с выделением теплоты, но, как правило, изменение энтальпии невелико и составляет около 40 кДж/моль. Изменение энтропии в большинстве случаев положительно, так как активные центры антител в свободном виде доступны растворителю и гидратированы, а при взаимодействии с антигеном из них высвобождаются связанные молекулы воды, что приводит в целом к уменьшению упорядоченности системы. Таким образом, говоря об иммунологической специфичности антител, мы всегда проводим сравнительную оценку эффективности взаимодействия антиген—антитело, которое характеризуется константой равновесия или изменением свободной энергии системы при комплексообразовании.

Можно оценивать как специфичность данного антитела по отношению к различным антигенам, так и данного антигена по отношению к различным системам. Если одна и та же популяция антител взаимодействует с двумя различными антигенами An и Аг₂ с константами комплексообразовании соответственноКйи 2, то говорят, что данные антитела являются высоко специфическими по отношению к Аг] и менее специфическими к Агг. Аналогично, если константа комплексообразования антигена с популяцией антител Бфй много больше, чем с антителами Атг, то первые являются специфическими по отношению к антигену, а вторые нет. Еще раз подчеркнем, что понятие специфичности является относительным. Например, если для одной и той,же популяции антител взаимодействие с антигеном Аг] по сравнению с Аг₂ является специфическим, то при наличии третьего антигена Агз, для которого Ks^Ki,эти антитела будут менее специфичны кБгй, чем к Агз.

На практике часто условно подразумевают, что если константа равновесия процесса комплексообразования больше, чем 10⁸ л/моль, то антитела являются высокоаффинными.

Обычный диапазон изменения аффинности антител составляет 10⁵—10^й М^-1, что соответствует изменению свободной энергии связывания в области —24-.—52 кДж/моль. Максимальные значения констант связывания характерны для антигенов, обладающих ярко выраженными гидрофобными свойствами или же взаимодействующих с активным центром антитела достаточно большой областью молекулы. Наименьшей эффективностью взаимодействия характеризуются антитела против углеводов.

Таким образом, количественно специфичность можно оценить, измеряя изменение свободной энергии связывания или внутреннюю аффинность. В практических целях иногда очень важно провести сравнение специфичности взаимодействия ряда антигенов с антителами, индуцированными одним из этих антигенов. Относительная специфичность в этих случаях может быть выражена как отношение внутренних аффинностей взаимодействия с антителами рассматриваемого антигена и антигена, индуцировавшего антитела.

Подобного рода проблемы очень часто возникают, например, при разработке методов иммуноферментного анализа лекарственных препаратов, стероидных и белковых гормонов. В зависимости от способа получения антисыворотки антитела могут быть специфичны либо только к одному лекарственному препарату, либо к целой группе близких по структуре химических соединений. В этих случаях распространен способ оценки специфичности, основанный на сравнении связывания антител в данной концентрации одного и того же количества гомологичного и гетерологичного гап-тена. При этом концентрация образовавшегося иммунного комплекса для гомологичного гаптена принимается равной единице, а связывание всех гетерологичных гаптенов оценивается как доля от соответствующего связывания гомологичного гаптена.

Представляет большой интерес и оценка специфичности различных популяций антител, например различных типов моиокло-нальных антител, продуцируемых разными клонами клеток. Такое сравнение может быть проведено на основании сопоставления значений внутренней аффинности: антитела с более высокой специфичностью характеризуются более высоким значением константы внутренней аффинности.

2. Взаимодействие антигена с субпопуляцией антител

Ранее для количественного описания эффективности взаимодействия антиген — антитело за основу была взята простая модель взаимодействия одновалентного антигена и одновалентного антитела. Но так как молекула антитела имеет несколько антигенсвязывающих центров и, кроме того, способна взаимодействовать с несколькими антигенными детерминантами молекулы антигена, то такая характеристика образования иммуно-химического комплекса является весьма упрощенной.

Для описания более сложного реально существующего процесса взаимодействия поливалентного антитела с поливалентным антигеном введен термин авидность, или функциональная аффинность. В этом случае простые моновалентные взаимодействия характеризуются «внутренним сродством», или «внутренней аффинностью». С биологической точки зрения именно функциональная аффинность играет основную роль в иммунном ответе на инфицирование организма вирусами или бактериями, имеющими на своей поверхности повторяющиеся антигенные детерминанты.

Процесс образования комплекса антиген — антитело состава 1:1, в котором реализуются поливалентные взаимодействия, также является обратимым и может быть охарактеризован константой комплексообразования. С энергетической точки зрения образование поливалентного комплекса намного выгоднее, чем моновалентного. Например, было показано, что IgG-антитела с внутренней аффинностью к 2,4-динитрофенольному гаптену 10⁷ л/моль имеют функциональную аффинность по отношению к комплексу ДНФ — фаг 4-174—10¹⁰ л/моль, т. е. бивалентные взаимодействия являются в 1000 раз более прочными, чем моновалентные.

Ранее полагалось, что присутствующие в системе антитела характеризуются одинаковой константой ассоциации с антигеном или же одинаковой энергией связывания. В качестве такой субпопуляции может выступать субпопуляция антител, продуцируемых одним клоном антителпродуцирующих клеток,— моноклональные антитела. ', ·

Синтезируемые в живом организме антитела гетерогенны по физико-химическим свойствам. Общая популяция антител иммунной сыворотки включает в себя антитела с различными значениями изменения свободной энергии взаимодействия с гаптеном, т. е. антитела различной аффинности; Схему взаимодействия- антигена с общей популяцией антител, представляющей совокупность субпопуляций, может быть представлена в следующем виде:

;

Для общей характеристики такой популяции антител по аффинности взаимодействия с антигеном используют некоторое среднее значение аффинности Ко для л-го числа субпопуляций. Как правило, истинная форма распределения антител по значениям констаит взаимодействия неизвестна и обычно определяемая тем или иным способом равновесная константа взаимодействия является некоторым эффективным параметром.

При разработке методов иммунохимического анализа, базирующихся на реакции антиген — антитело, знание физико-химических характеристик специфических взаимодействий очень важно, поскольку позволяет оценить чувствительность и специфичность метода, осуществить правильный подбор реагентов для анализа.

Так как образуемые в ответ на введение в организм антитела являются гетерогенными по константам связывания, средняя аффинность Ко— это, в действительности, некоторое среднее значение для неизвестного распределения частных констант Ki, где числоз— неизвестно. Для характеристики получаемой антисыворотки. целесообразно ввести некоторую функцию распределения антител по аффинности. Простейшее приближение — нормальное распределение, описываемое функцией Гаусса:

Графическое представление функции Гаусса

где стандартное отклонение характеризует гетерогенность антител.

В иммунохимии распределение антител по константам часто описывают одним из приближений нормального распределения, предложенного Сипсом. Приближение Сипса отклоняется от нормального при /Со± or, и значительные отклонения наблюдаются при Кп±2у. Широкое распространение этой функции для описания распределения антител по константам связывания обусловлено его сходством с обычно используемыми простыми методами обработки результатов иммунохимических равновесий.

Функция Сипса применительно к взаимодействию антигена с антителом валентностизпозволяет получить соотношение

где AO — средняя аффинность; а — индекс гетерогенности.

Распределение Сипса является симметричным и унимодальным и может быть полностью охарактеризовано средней константой аффинности Ко и индексом гетерогенности «а». Произвольное предположение о симметричном распределении антител по аффинности имеет свои ограничения. Истинная форма распределения остается неизвестной. Часто все же на практике используют распределение Сипса для описания гетерогенной популяции антител. В действительности распределение антител по К бывает несимметричным и мультимодальным, поэтому, строго говоря, распределение антител по аффинности нельзя аппроксимировать распределением Сипса.

В частности, например, описаны распределения, сильно смещенные в сторону антител с низкой аффинностью. Вследствие этого представление всей популяции антител как популяции, взаимодействующей с одной средней аффинностью или даже как бимодальной, не всегда точно отражает распределение антител по аффинности.

В предположении об отсутствии внутри- и межмолекулярных взаимодействий Муккур с сотрудниками ввели понятие об общей константе аффинности Ки представляющей собой сумму произведений равновесных констант каждой из mсубпопуляций антител на множители, учитывающие концентрационный вклад каждой из фракций в общей популяции антител:

>

т.е. общая константа аффинности для гетерогенной популяции является средневесовым параметром и представляет собой сумму средневесовых аффинностей яг-субпопуляций в реакционной смеси. Концентрацию антигена, связанного в комплексы с антителами, можно представить в виде

Можно показать, что предельное значение функции Q, являющейся формальным выражением для константы равновесия, при концентрации в системе, а графически зависимость IgQот имеет вид кривой с отрицательным наклоном. Экстраполируя экспериментальную зависимость IgQ от к нулевой концентрации =0, можно получить предельное значение Q, равное Kt.