Полиморфизм белков. Иммуноглубулины

В результате нейтральной мутации у разных особей могут возникать варианты генов, обеспечивающих образование разных форм полноценных белков, выполняющих одну и ту же функцию. Варианты генов, образующихся у отдельных особей, могут постепенно распространяться в популяции в результате наследования. Так формируется генотипическая неоднородность популяции, которая ведет и к фенотипической неоднородности.

На молекулярном уровне генотипическая неоднородность, т.е. гетерогенность проявляется полиформизмом белков, т.е. существованием разных форм белка, выполняющего одинаковые или очень близкие функции. Такие белки получили название «изобелки».

Таким образом, изобелки – это множественные молекулярные формы белка, обнаруживаемые в пределах организма одного биологического вида как результат наличия более чем одного структурного гена в генофонде вида для этого белка.

Наиболее изучен полиморфизм ферментных белков, т.е. наличие изоферментов. Известны также изобелки гемоглобина, α-антитрипсина, групп крови и др. В настоящее время известны десятки белков, для которых найдены множественные формы. Можно считать, что полиморфизм белков лежит в основе биохимической индивидуальности человека. Значительный интерес представляет полиморфизм (разнообразие) особой группы белков-иммуноглобулинов.

Иммуноглобулины (антитела) представляют собой белки плазмы крови, которые по своей электрофоретической подвижности относятся к гамма-глобулинам – наименее подвижной в электрическом поле фракции белков крови. Иммуноглобулины – это специализированные белки с характерными особенностями строения, функций, регуляции биосинтеза, получившие название антитела. С ними связан иммунитет, т.е. специфическая защита организма от генетически чужеродных молекул и клеток, в том числе от всевозможных инфекционных агентов (бактерий, вирусов, грибов, простейших). Все они получили название антигенов. Антитела – это специализированные белки, вырабатываемые в ответ на введение в организм генетически чужеродных соединений (анти­генов) и обладающих способностью связываться с ними, вызывая образование осадка (реакцию преципитации) или склеивание клеток (реакцию агглютина­ции) или разрушение мембран клеток (реакцию лизиса). Антитела синтезируются в В‑лимфоцитах при участии Т‑лимфоцитов (точнее: плазмоцитами, образуемыми В‑лимфоцитами при участии макрофагов и T‑хелперов).

Антитела (иммуноглобулины) по химической природе являются высокомолекулярными гликопротеидами. Будучи гликопротеидами, различные классы иммуноглобулинов содержат от 2-3 до 10-12% ковалентно связанных с белком гексозо- и гексозоаминсодержащих олигосахаридов с небольшим количеством сиаловой кислоты и фукозы.

По структуре, антигенным и иммунобиологическим свойствам иммуноглобулины разделяются на пять классов, обозначаемых какIgG, IgA, IgM, IgE, IgD. Иммуноглобулины G, A, M имеют подклассы. Все классы и подклассы иммуноглобулинов различаются по аминокислотной последовательности. Они отличаются друг от друга физико-химическими особенностями, и поэтому их можно выделить из сыворотки крови электрофорезом, изоэлектрическим осаждением, высаливанием, аффинной хроматографией и другими физическими и химическими методами.IgG, IgA, IgM, представлены в крови количественно более существенно: соответственно у здорового человека 70-80%, 5-10% и 10-25% от общего содержания иммуноглобулинов.

Структурную основу иммуноглобулинов всех классов составляют четыре полипептидных цепи: две одинаковые тяжелые цепи (цепи Н с молекулярной массой 50000-55000 дальтон) и две одинаковые легкие (цепи L с молекулярной массой 20000-25000). С помощью межцепочечных дисульфидных связей, а также нековалентных взаимодействий четыре цепи объединяются в единую структуру, обозначаемую как мономер. Мономер имеет V - образную форму. Примером мономера может служить IgG, а IgА и IgМ построены из 2-5 мономеров, связанных между собой j-цепями (полипептидными цепями).

Соответственно каждому классу иммуноглобулинов (М, G, А, Е, Д) различают пять типов тяжелых цепей: μ (мю), g (гамма), a (альфа), έ (эпсилон) и δ (дельта), имеющих молекулярную массу в пределах 50-70 кД (содержат 420-700 аминокислотных остатков) и различающихся по антигенности. Легкие цепи всех пяти классов являются общими и бывают двух типов: κ (каппа) и λ (лямбда). Они имеют молекулярную массу около 23 кД (содержат 214-219 аминокислотных остатков).

Как в Н‑, так и в L‑цепях имеются вариабельная V - область, в которой последовательность аминокислот непостоянна, и константная или постоянная С‑область с постоянным набором аминокислот. В легких и тяжелых цепях различают NH₂‑ и СООН‑ концевые группы. Как Н - цепи, так и L‑цепи имеют отдельные, линейно связанные компактные участки, названные доменами (около 110‑120 аминокислотных остатка). В Н‑цепи их по 4, а в L‑цепи – по 2. Вариабельные участки (области) располагаются в N‑концевых частях L‑ и Н‑цепей. В L‑цепях к вариабельному участку относится около 100 аминокислотных остатков, а в тяжелых цепях – около 120. В вариабельных участках цепей иммуноглобулинов выделяют гипервариабельные области. Эти области формируют участки связывания антигенов и называются антигенсвязывающими центрами молекул антител (детерминантами). В каждой молекуле иммуноглобулина (мономера) имеются две детерминанты, относящихся к гипервариабельным участкам Н‑ и L - цепей и, следовательно, каждая молекула иммуноглобулина может связать две молекулы антигена. Поэтому антитела являются двухвалентными. Типовой структурой молекул иммуноглобулинов является IgG, который имеет два центра (детерминанты) для связывания эпитопов поливалентного антигена. Остальные классы иммуноглобулинов отличаются дополнительными элементами их организации. Так, IgМ представляет собой пентамер, т.е. пять молекул IgG, связанные j‑цепью, образуют – IgМ, имеющий десять детерминант.

Аминокислотная последовательность в активных центрах (детерминантах) иммуноглобулинов варьирует в связи с различиями в специфичности антител. Эти структурные особенности обеспечивают возможность взаимодействия с различными антигенами.

В ответ на введение любого антигена могут вырабатываться антитела всех пяти классов. Информацию о специфичности синтезируемого иммуноглобулина плазмоциты, их синтезирующие, получают от В‑лимфоцитов, имеющих рецепторы, с которыми и взаимодействуют антигены.

L‑ и Н‑цепи антител синтезируются на полирибосомах плазмоцита отдельно, поскольку иммуноглобулиновая молекула кодируется тремя группами генов. Одна группа кодирует Н‑цепь любого класса, другая – L‑цепъ каппа-типа и третья – L‑цепь лямбда-типа. Синтезированные Н‑ и L‑ цепи соединяются в единую молекулу перед выделением из клетки. Сборка молекулы иммуноглобулина из Н‑ и L‑цепей происходит очень быстро. Каждый плазмоцит синтезирует до 2000 молекул в секунду.

Механизм вырабатывания огромного количества специфических антител к любому из многочисленных антигенов объясняет клонально – селекционная теория Ф. Барнета и теория С. Тоногавы. Развитие этих теорий привело к воззрению, что в эмбриональном периоде в предшественниках лимфоцитов кодоны генов, кодирующие разные области пептидных цепей антител, расположены не рядом друг с другом, а гены имеют фрагментарную организацию, фрагменты этих генов разбросаны по хромосоме в разных частях во многих экземплярах. Они собираются в функциональный ген, контролирующий образование вариабельных доменов, случайным образом в ходе развития плазматической клетки перед началом транскрипции. Происходит особого рода рекомбинация генов, получившая название транспозиций генов. При этом число возможных комбинаций выражается в миллионах вариантов функционирующего гена.

Транспозиция является важнейшим моментом дифференцировки лимфоцитов и образования клонов клеток в процессе онтогенеза. Рекомбинации в иммуноглобулиновых генах завершаются к тому моменту дифференциации, когда клетки впервые встречаются с антигенами. К этому моменту образуется популяция клеток с широким диапазоном специфичности. С конкретным антигеном взаимодействуют только адекватные клетки, несущие комплементарные рецепторы, которые начинают быстро пролиферировать после взаимодействия с антигеном. Затем, уже во время пролиферации отобранных клонов антитело–продуцирую­щих клеток, включается мутагенный механизм, изменяя в отдельных местах генов нуклеотидные последовательности. Соматические мутации еще более повышают число возможных типов иммуноглобулинов. Все это обеспечивает достаточность разнообразия специфичности антител ко всем возможным антигенам.

Дата добавления: 2014-01-05