第四章抗体抗体（antibody，Ab）是介导体液免疫的重要效应分子，是免疫系统在抗原刺激下，由B细胞或记忆B细胞增殖分化成的浆细胞所产生的、可与相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig），主要分布在血清中，也分布于组织液、外分泌液及某些细胞膜表面。免疫球蛋白是血清中一类主要的蛋白，由α1、α2、β和球蛋白等组成。1968年和1972年世界卫生组织和国际免疫学会联合会的专业委员会先后决定，将具有抗体活性或化学结构与抗体相似的球蛋白统一命名为免疫球蛋白。第一节抗体的结构一、抗体的基本结构尽管抗体与抗原的特异性结合导致聚集、沉淀或中和反应等现象为人们熟知，但是直到20世纪50年代末才由GeraldMEdelman与RodneyRPorter共同阐明抗体的结构特征。抗体的基本结构是由两条完全相同的重链和两条完全相同的轻链通过二硫键连接的呈Y形的单体。每条肽链分别由2~5个约含110个氨基酸，序列相似但功能不同的结构域（又称功能区）组成。结构域的二级结构是由几股多肽链折叠形成的两个反向平行的β片层经一个链内二硫键连接稳定的“β桶状”结构（图4-1)。轻链C区轻链V区N端CDR3CDR1C端CDR2浙叠二硫键图4-1抗体分子的二级结构Ab二级结构是由几股多肽链折叠而成的两个反向平行的β片层，图中轻链的C,两个β片层分别为4股和3股，V,为5股和4股。两个β片层通过链内二硫键垂直连接形成“三明治”状的“β桶状结构（一）重链和轻链1.重链重链（heavychain，H)分子量约为50~75kD，由450~550个氨基酸残基组成。根据H链恒定区抗原性的差异可将其分为5类（class）：μ链、链、α链、8链和e链，不同的重链与轻链组成完整的抗体分子，分别被称为IgM、IgG、IgA、IgD和IgE。不同类的抗体分子具有不同的特征，如链内29
30第四章抗体二硫键的数目和位置、连接寡糖的数量、结构域的数目以及铰链区的长度等均不完全相同。即使是同一类抗体，铰链区氨基酸组成和重链二硫键的数目、位置也不同，据此可将其分为不同的亚类（sub-class）。如人IgG可分为IgG1~IgG4；IgA可分为IgA1和IgA2。IgM、IgD和IgE尚未发现有亚类2.轻链轻链（lightchain,L)分子量约为25kD,由约214个氨基酸残基构成。轻链分为k链和入链，据此可将Ab分为两型（type），即k型和入型。一个天然Ab分子上两条轻链的型别总是相同的，但同一个体内可存在分别带有k或入链的抗体分子。五类Ab中每类Ab的轻链都可以有k链或入链，两型轻链的功能无差异。不同种属生物体内两型轻链的比例不同，正常人血清免疫球蛋白k：入约为2：1，而在小鼠则为20：1。k：入比例的异常可能反映免疫系统的异常，例如人类免疫球蛋白入链过多，提示可能有产生入链的B细胞肿瘤。根据入链恒定区个别氨基酸的差异，又可分为入1、入2、入3和入4四个亚型（subtype）。（二）可变区和恒定区通过分析不同抗体分子重链和轻链的氨基酸序列，发现重链和轻链靠近N端的约110个氨基酸的序列变化很大，其他部分氨基酸序列则相对恒定。抗体分子中轻链和重链靠近N端的氨基酸序列变化较大，形成的结构域称为可变区（variableCDR1VVIregion，V区），分别占重链和轻链的1/4和1/CDR2VLCDR3SV2；靠近C端的氨基酸序列相对恒定的区域称FR1CDRIFR2为恒定区（constantregion，C区），分别占重链ACDR2FR3CDR3和轻链的3/4和1/2（图4-2）FR41.可变区重链和轻链的V区分别称为V和V.。V.和V.各有3个区域的氨基酸饺链区组成和排列顺序高度可变，称为高变区（hy-CHCHpervariableregion，HVR）；该区域形成与抗原11表位互补的空间构象，又被称为互补决定区(complementarity determining region，CDR），分别用CDR1（HVR1）、CDR2（HVR2）和CDR3图4-2抗体分子V区和C区结构示意图（HVR3）表示，一般CDR3变化程度更高。按抗体分子重链和轻链折叠形成的环形结构域，CDR为互补照Kabat编码模式，V.的3个高变区分别位于决定区，FR为骨架区29~31、49~58和95~102位氨基酸，V,的3个高变区分别位于28~35、49~56和91~98位氨基酸。V和V,共6个CDR共同组成Ab的抗原结合部位（antigen-bindingsite），决定着抗体的特异性，负责识别及结合抗原，从而发挥免疫效应（动画41“抗体CDR区识别抗原模式”）。CDR区氨基酸的多样性是抗体与数量庞大的不同抗原特异性结合口O的分子基础。V区中CDR之外区域的氨基酸组成和排列顺序相对变化不大，称为骨架区（frameworkregion，FR）。V或V,各有4个骨架区，分别用FR1、FR2、FR3和FR4表示（图4-2）。FR区的主要作用是稳定CDR区的空间构型，以利于抗体CDR与抗原决定簇间的精细、特异性结合2.恒定区重链和轻链的C区分别称为C和Cr不同型（k或入）Ab其C,的长度基本一致，但不同类AbC的长度不一IgG、IgA和IgD重链C区有C1、C2和C3三个结构域，IgM和IgE重链C区有C.1、C.2、C.3和C4四个结构域。同一种属的个体，所产生针对不同抗原的同一类别Ab,尽管其V区各异，但其C区氨基酸组成和排列顺序比较恒定，其免疫原性相同。例如：针对不同抗原的人IgG抗体，它们的V区不同，所以只能与相应的抗原发生特异性结合，但C区是相同的，均含链，因此抗人IgG抗体均能与之结合。（三）铰链区铰链区（hingeregion）位于Cl与C2之间，含有丰富的脯氨酸，因此易伸展弯曲，能改变Y形两个臂之间的距离，有利于两臂同时结合两个相同的抗原表位。铰链区易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等水
31第四章抗体解，产生不同的水解片段（见水解片段部分）。不同类或亚类的Ab铰链区不尽相同，例如IgG1、IgG2、IgG4和IgA的铰链区较短，而IgG3和IgD的铰链区较长。IgM和IgE无铰链区。二、抗体的辅助成分除上述基本结构外，某些类别的Ab还含有其他辅助成分，如J链和分泌片。(一)J链J链（joiningchain）是由124个氨基酸组成，富含半胱氨酸的酸性糖蛋白（图4-3），分子量约15kD，由浆细胞合成，主要功能是将单体Ab分子连接为二聚体或多聚体。2个IgA单体由J链连接形成二聚体，5个IgM单体由二硫键相互连接，并通过二硫键与J链连接形成五聚体。IgG、IgD和IgE常为单体，无J链。J链anOSPIgM分泌型IgA图4-3抗体分子的J链和分泌片分泌型IgA（SIgA）二聚体和IgM五聚体均由J链将其单体Ab分子连接为二聚体或五聚体。分泌片（SP，图中橙色球组成的肽链）为一含糖肽链，是多聚免疫球蛋白受体（plgR）的胞外段，其作用是辅助SIgA由黏膜固有层，经黏膜上皮细胞转运，分泌到黏膜表面，并保护SIgA铰链区免遭蛋白水解酶降解（二）分泌片分泌片（secretorypiece，SP）又称分泌成分（secretorycomponent，SC）（图4-3），是分泌型IgA分子上的助成分，分子量约为75kD，为含糖的肽链，由黏膜上皮细胞合成和分泌，并结合于IgA二聚体上，使其成为分泌型IgA（SIgA）。分泌片具有保护SIgA的链区免受蛋白水解酶降解的作用，并介导SIgA二聚体从黏膜下通过黏膜上皮细胞转运到黏膜表面。三、抗体分子的水解片段在一定条件下，抗体分子肽链的某些部分易被蛋白酶水解为各种片段（图4-4）。木瓜蛋白酶（papain）和胃蛋白酶（pepsin）是最常用的两种蛋白水解酶，借此可研究Ab的结构和功能，分离和纯化特定的Ab多肽片段。（一）木瓜蛋白酶水解片段木瓜蛋白酶从铰链区的近N端，将Ab水解为2个完全相同的抗原结合片段（fragmentofantigenbinding，Fab）和1个可结晶片段（fragmentcrystallizable，Fc）（图4-4）。Fab由V,、C,和V、C1结构域组成，只与单个抗原表位结合（单价）。Fc由一对C2和C.3结构域组成，无抗原结合活性，是Ab与效应分子或细胞表面Fc受体相互作用的部位。（二）胃蛋白酶水解片段胃蛋白酶在铰链区的近C端将Ab水解为1个F（ab'"),片段和一些小片段pFc（图4-4）
32第四章抗体FaFab木瓜蛋白酶F(ab')2二胃蛋白酶美AbpFe中图4-4抗体分子的水解片段示意图木瓜蛋白酶作用于铰链区二硫键所连接的两条重链近N端，将Ab裂解为2个完全相同的Fab段和1个Fc段。胃蛋白酶作用于铰链区二硫键所连接的两条重链近C端，将Ab水解为1个大片段F（ab")，和多个小片段pFcF(ab')2由2个Fab及铰链区组成，因此为双价，可同时结合两个抗原表位。由于F（ab')，片段保留了结合相应抗原的生物学活性，又避免了Fc段抗原性可能引起的副作用和超敏反应，因而被广泛用作生物制品，如白喉抗毒素、破伤风抗毒素经胃蛋白酶水解后精制提纯的制品。pFc最终被降解，不发挥生物学作用。四、免疫球蛋白超家族在抗体分子中，除了CDR区的氨基酸高度变化外,其余结构域的氨基酸序列相对保守，这些序列折叠成特定的球形结构，被称为免疫球蛋白折叠（immunoglobulinfold）。免疫球蛋白折叠提示具有这种折叠模式的分子可能是由共同的祖先基因进化而来，被称之为免疫球蛋白超家族（immunoglobulinsuperfamily,IgSF)免疫球蛋白超家族分子至少包含一个70~110个氨基酸组成的Ig结构域，折叠成反平行的β片层结构，片层间呈现疏水性，通过二硫键相连，形成免疫球蛋白折叠。IgSF分子分布广泛，大部分与免疫系统相关，如T细胞的抗原受体、T细胞的辅助受体CD4和CD8、B细胞的辅助受体CD19、大部分免疫球蛋白Fc受体、协同刺激分子以及部分细胞因子及其受体等。第二节抗体的多样性和免疫原性尽管所有的抗体均由V区和C区组成，但不同抗原刺激B细胞所产生的抗体在特异性以及类型等方面均不尽相同，呈现出明显的多样性。自然界中抗原种类繁多，每种抗原分子结构复杂，常含有多种不同的抗原表位。这些抗原刺激机体产生的抗体总数是巨大的，包括针对各抗原表位的特异性的抗体，以及针对同一抗原表位的不同类型的抗体。抗体的多样性是由免疫球蛋白基因重排决定并经抗原选择表现出来的，反映了机体对抗原精细结构的识别和应答。抗体既可与相应的抗原发生特异性结合，其本身又因具有免疫原性可激发机体产生特异性免疫应答。其结构和功能的基础在于抗体分子中包含抗原表位。这些抗原表位呈现三种不同的血清型：同种型、同种异型和独特型（图4-5）
第四章抗体331同种型同种异型独特型图4-5抗体分子的抗原性示意图抗体分子存在3种不同的血清型：同种型，指同一种属所有个体Ab分子共有的抗原特异性标志，其表位存在于Ab的C区：同种异型，指同一种属不同个体间Ab分子所具有的不同抗原特异性标志，其表位广泛存在于Ab的C区；独特型，指每个Ab分子所特有的、存在于V区的抗原特异性标志。图中红色区域代表抗体分子中三种血清型抗原表位所在部位（一）同种型（isotype）不同种属来源的抗体分子对异种动物来说具有免疫原性，可刺激异种动物（或人）产生针对该抗体的免疫应答。这种存在于同种抗体分子中的抗原表位即为同种型，是同一种属所有个体Ab分子共有的抗原特异性标志，为种属型标志，存在于Ab的C区。（二）同种异型（allotype）同一种属不同个体来源的抗体分子也具有免疫原性，也可刺激不同个体产生特异性免疫应答。这种存在于同种属不同个体Ab中的抗原表位，称为同种异型，是同一种属不同个体间Ab分子所具有的不同抗原特异性标志，为个体型标志，存在于Ab的C区。（三）独特型（idiotype，ld）即使是同一种属、同一个体来源的抗体分子，其免疫原性亦不尽相同，称为独特型。独特型是每个抗体分子所特有的抗原特异性标志，其表位被称为独特位（idiotope）。抗体分子每一Fab段约有5~6个独特位，它们存在于V区（图4-6）。独特型在异种、同种异体甚至同一个体内均可刺激产生相应抗体，即抗独特型抗体（anti-idiotypeantibody，AId或Ab2）。独特位①独特位2独特位②Ab2Ag独特位1AblAb2p抗原内影像图4-6抗体分子的独特型示意图抗体1（Ab1）的V区存在5~6个个体特异性的氨基酸结构，称为独特位（idiotope），它们也可以作为抗原表位诱导抗体2（Ab2)的产生。如图所示：独特位①是Ab1上与抗原表位结合的部位，它诱导产生的Ab2又称Ab2β，为抗原”内影像”，可模拟抗原并竞争性抑制Ab1与抗原的结合；独特位②存在于Ab1的骨架区，它诱导产生的Ab2又称Ab2α第三节抗体的功能抗体的功能与其结构密切相关。抗体分子的V区和C区的氨基酸组成及顺序的不同，决定了它