Антитела и антигены. Что это такое? Их роль в организме

Антитела — это особый тип белков, необходимых для нашего здоровья. Например, антитела помогают нашему организму избавиться от патогенных микроорганизмов, таких как вирусы, бактерии и паразиты, чтобы мы могли оставаться здоровыми. Когда упоминается «антитело», другой термин «антиген» часто упоминается соответственно. Но что такое антитело? Что такое антиген? И что отличает антитела от других типов белков? Эта статья ответит на эти вопросы, следуя принципу перехода от мелкого к глубокому. Вы получите полное представление о различных аспектах антител, включая их химическую природу, взаимодействие с антигенами, биологические функции, классификацию, производство и применение.

1. Химическая природа

Во-первых, давайте посмотрим на химическую природу антитела.

С химической точки зрения антитело (Ab) представляет собой белок, состоящий из четырех полипептидных цепей, включая две легкие цепи и две тяжелые цепи. Четыре цепи совместно образуют Y- образную структуру, как показано на рис. 1.

Рис. 1 Y-образное антитело

Две тяжелые цепи связаны друг с другом дисульфидными связями, и каждая тяжелая цепь связана с легкой цепью дисульфидной связью. Каждая тяжелая и легкая цепь состоит из одной вариабельной области (V) и одной константной области (С). Вариабельная область уникальна для каждого типа антител и связывается со специфическим антигеном. Напротив, константная область по существу одинакова во всех молекулах антител одного и того же класса (IgG, IgM, IgA, IgD или IgE).

Верхом Y-формы является фрагмент антигенсвязывающей области (Fab). Хвост формы Y представляет собой фрагмент кристаллизуемой области (Fc). Таким образом, антитело имеет два антигенсвязывающих сайта, как показано на фиг. 1.

В заключение, антитело представляет собой молекулу, которая состоит из четырех частей, которые связываются друг с другом, и Fab-фрагмент антитела отвечает за связывание с антигеном. Рис. 1 представляет собой простое изображение, которое помогает понять структуру антитела из четырех частей. Трехмерная структура антитела является более сложной.

2. Антиген-антитело Взаимодействие

Антиген (Ag) представляет собой молекулу, которая обладает способностью индуцировать иммунный ответ (продуцировать антитело) в организме хозяина.

Антигенами обычно являются белки, пептиды или полисахариды. Липиды и нуклеиновые кислоты могут соединяться с этими молекулами с образованием более сложных антигенов. Части бактерий, вирусов и других микроорганизмов могут быть антигеном. Когда чужеродный антиген попадает в организм, он стимулирует иммунную систему вырабатывать антитела. Молекулы защитного антитела помогают организму бороться с антигеном.

Иногда антигены являются частью самого хозяина. Эти антигены известны как аутоантигены. Антитела против аутоантигенов известны как аутоантитела. Некоторые аутоиммунные заболевания включают присутствие аутоантигенов и аутоантител.

Антитела распознают антигены (обычно белки) на основании их структуры, а также содержания и связываются только с небольшой частью антигена, известного как эпитоп или антигенная детерминанта. Каждый тип антитела связывается с одним уникальным эпитопом из-за уникального антигенсвязывающего сайта антитела. Одним словом, антитело специфически связывается с конкретным антигеном. На рис. 2 показаны структуры эпитопа и антитела, которые помогут вам лучше понять специфику взаимодействия антиген-антитело. 

Рис. 2 Антиген-антитело-специфическое связывание

В природе большинство антигенов потенциально могут связываться с несколькими антителами, и если организм хозяина подвергается воздействию антигена, хозяин вырабатывает массив антител, каждый из которых связывается с отдельным эпитопом антигена, поэтому эти антитела будут варьироваться в специфичности и более эффективной борьбе с антигеном.

Высокоспецифичное связывание антитела с антигеном является основой многих полезных экспериментальных методов, таких как WB, IHC, FC, ELISA, IP и т. Д. Эти методы широко используются в научных исследованиях, диагностике заболеваний и других отраслях.

3. Биологические функции

С биологической точки зрения антитело представляет собой защитный белок, вырабатываемый иммунной системой в ответ на присутствие антигена. Более конкретно, антитела вырабатываются плазматическими клетками, которые вырабатываются из B-клеток, или B-лимфоцитами, которые представляют собой тип лейкоцитов. Когда B-клетка активируется благодаря определенному антигену, она дифференцируется в клетку, секретирующую антитело, плазматическую клетку. Плазматические клетки выделяют антитела, которые специфически связываются с соответствующим антигеном.

Антитела обладают широким спектром функций в организме, как зависимых, так и независимых от эффекторных клеток или эффекторных молекул. Вот некоторые примеры:

нейтрализация

В иммунологии нейтрализация относится к процессу, посредством которого антитела блокируют инфекционность или патогенез патогенов, таких как вирусы, бактерии, паразиты и грибки. Антитела могут специфически связываться с соответствующим антигеном на патогенах, делая их неинфекционными. Эти антитела называются нейтрализующими антителами (NAb).

Патогены могут быть нейтрализованы антителами на разных этапах их жизненного цикла. Например, было показано, что некоторые антитела иммобилизуют и / или дестабилизируют патогены, препятствуют прикреплению и проникновению патогенов в клетки-хозяева, способствуют деградации патогенов протеасомой, ингибируют репликацию патогенов в клетках-хозяевах или подавляют высвобождение. патогенов из инфицированных клеток.

агглютинация

Агглютинация — это реакция, в которой антитела связывают свои соответствующие антигены на поверхности крупных легко оседающих частиц, таких как клетки, и заставляют эти частицы образовывать комки. Как упоминалось выше, антитела имеют два антигенсвязывающих сайта. Эта природа позволяет антителам сшивать определенные антигены. Таким образом, антигены, покрытые антителами, объединяются, становясь неподвижными и подверженными разрушению.

Опсонизация

При опсонизации частица, такая как бактерия, будет маркирована опсонинами, такими как антитела, и будет нацелена на разрушение иммунной клеткой, известной как фагоцит, посредством процесса, называемого фагоцитозом. После того, как антитела связываются с определенным антигеном на патогене, фагоциты притягиваются к патогену. Во время этого процесса Fab-область антитела связывается с антигеном, тогда как Fc-область антитела связывается с Fc-рецептором на фагоците, способствуя фагоцитозу.

В целом, антитела выполняют свои функции несколькими способами. Проще говоря, биологическая функция антител состоит в том, чтобы связываться с патогенами и их продуктами и облегчать их удаление из организма.

4. Классификация

Антитело также известно как иммуноглобулин (Ig). У людей существует пять основных классов антител, причем каждый класс играет определенную роль в иммунном ответе. Эти классы идентифицированы как IgM, IgG, IgA, IgE и IgD, которые отличаются константной областью своих тяжелых цепей, как показано на рис. 3.

Рис. 3 Пять классов иммуноглобулинов (Ig)

Пять классов иммуноглобулина (Ig)
	IgM пентамер	IgG мономер	Секреторный IgA димер	IgE мономер	IgD мономер
Тяжелые цепи	μ	γ	α	ε	δ
Количество антигенсвязывающих сайтов	10	2	4	2	2

IgM: из пяти классов Ig, IgM является самым массивным, потому что это пентамер из пяти Y-образных сечений. Каждый Y-образный участок присоединен к соединительному элементу, называемому J-цепью, через дисульфидные связи. IgM является первым Ig, который вырабатывается плодом, и первым Ig, продуцируемым в первичном ответе на антиген.

IgG: IgM является наиболее обильным в кровообращении, составляя 75% всех Ig в сыворотке. IgM может пересекать кровеносные сосуды и даже плаценту, чтобы обеспечить защиту плода. Также говорят, что IgG является наиболее универсальным, выполняя функции всех других классов Ig.

IgA: IgA, обнаруженный в сыворотке, является мономером, но IgA, обнаруженный в секрете, представляет собой димер, содержащий J-цепь. На рис. 3 показан только секреторный IgA. IgA является основным классом Ig в секретах, таких как слезы, слюна, молозиво и слизь, и является важной частью иммунитета слизистой оболочки.

IgE: IgE является наименее распространенным сывороточным Ig, поскольку он очень плотно связывается с Fc-рецепторами иммунных клеток, включая базофилы и тучные клетки. IgE обнаруживается в основном в слюне и слизи. Основной функцией IgE является распознавание антигена во время аллергической реакции.

IgD: IgD в основном обнаруживается на поверхности В-клеток, где он действует как рецептор для антигена и сигнализирует об активации В-клеток. До настоящего времени относительно мало известно как функция IgD.

В заключение следует отметить, что пять классов Ig человека отличаются друг от друга по типу тяжелой цепи, и их функции не совсем одинаковы.

5. Производство

Особые свойства антител делают их полезным инструментом для научных исследований, диагностики и лечения заболеваний и других областей. Существует растущий спрос на антитела из-за их широкого применения. Антропогенные антитела в основном делятся на два типа: моноклональное антитело (mAb) и поликлональное антитело (pAb). С развитием технологии появляется новый тип искусственных антител; это рекомбинантное антитело (rAb).

Моноклональное антитело

Для производства моноклонального антитела в основном используется технология гибридомы, которая включает введение иммуногена (антигена или любого вещества, способного вызывать иммунный ответ) животному-хозяину для запуска иммунного ответа, выделения активированных В-клеток из селезенки, слияния выделенные В-клетки с клетками миеломы для получения гибридом, скрининг супернатантов гибридомы для отбора успешной гибридомы, которая продуцирует желаемые антитела, клонирование или размножение выбранной гибридомы для получения большего количества антител, а также очистка и тестирование антител. Антитела, полученные с помощью этой процедуры, называются моноклональными антителами и распознают только один эпитоп на антигене.

Поликлональное антитело

Производство поликлональных антител отличается от производства моноклональных антител, но также включает иммунизацию животных, а именно: введение иммуногена животному-хозяину для запуска иммунного ответа, взятие цельной крови у иммунизированных животных, отделение сыворотки от цельной крови, выделение и очистка антител от сыворотки и тестирование полученных антител. Этот процесс быстрее и дешевле по сравнению с производством моноклональных антител. Поликлональные антитела распознают множественные эпитопы на антигене.

Рекомбинантное антитело

Продукция рекомбинантных антител сильно отличается от продукции моноклональных или поликлональных антител, но вместо этого она сходна с продукцией рекомбинантных белков. Производство рекомбинантных антител зависит от технологии рекомбинантных ДНК, которая включает использование генетической рекомбинации для объединения генетического материала из множества источников, создания последовательностей ДНК, которые в природе не обнаруживаются в геноме, для получения антител с заданными свойствами.

6. Применение

Антитело может связываться с уникальным антигеном с высокой специфичностью. Специфика является опорой для множества экспериментальных методов. Прогресс в производстве антител позволяет получать антитела с высоким выходом. В настоящее время антитела в основном используются в:

Исследовательская работа

Антитела используются в иммуноанализах, таких как ELISA (иммуноферментный анализ), WB (вестерн-блоттинг), IHC (иммуногистохимия), IF (иммунофлуоресценция), ChIP (иммунопреципитация хроматина), ICC (иммуноцитохимия), FC (проточная цитометрия) и т.д. Эти методы помогают в обнаружении и характеристике белков. Кроме того, антитела также используются для очистки белков, облегчая производство рекомбинантных белков.

Диагностика заболеваний

Некоторые из иммуноанализов также используются в диагностических целях. Обнаружение определенного белка или антитела с помощью иммуноанализа помогает определить наличие заболевания или инфекции. Например, тестирование на наличие антител к ВГС рекомендуется для первоначальной идентификации лиц с ВГС-инфекцией.

Антитело терапия

Моноклональные антитела стали важным средством лечения широкого спектра заболеваний, таких как рак, хронические воспалительные заболевания, аутоиммунные заболевания и инфекции. Терапевтические антитела работают несколькими способами. Например, некоторые терапевтические антитела стимулируют иммунную систему пациента, чтобы атаковать больные клетки, связываясь со специфическими молекулами, тогда как некоторые блокируют критические молекулы, которые раковые клетки используют, чтобы избежать иммунных атак, чтобы выжить.

Таким образом, антитела представляют собой важную защитную группу белков в организмах, обладающую способностью связываться с соответствующими антигенами с высокой специфичностью. Эти защитные белки вырабатываются группой иммунных клеток, известных как плазматические клетки. В организме человека существует пять основных классов антител, каждый с различными тяжелыми цепями и функциями. Поскольку взаимодействия между антителами и антигенами являются высокоспецифичными, антитела используются для многих целей, включая исследования, диагностику заболеваний и терапию антителами.