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 и вандерваальсовыми 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_а иммунокомплекса 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 соответственно Кй и 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 к Бгй, 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 число з -- 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 валентности з позволяет 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 m субпопуляций 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 IgQ от имеет вид кривой с отрицательным наклоном. Экстраполируя экспериментальную зависимость IgQ от к нулевой концентрации =0, можно получить предельное значение Q, равное Kt.