Recunoaşterea structurilor "non-self" este markerul răspunsului imun adaptativ specific. Există 2 tipuri distincte de molecule implicate: imunoglobulinele şi receptorii pentru antigeni ai celulelor T (TCR-T-Cell receptors).
Diversitatea şi heterogenicitatea sunt trăsăturile caracteristice ale acestor molecule; există dovezi că rearanjamentul extins al genelor care generează imunoglobulinele şi TCR - stă la baza abilităţii de a recunoaşte o mare diversitate de antigene.
Imunoglobulinele
Sunt un grup de glicoproteine, prezente în ser, ţesuturi şi în secreţiile exocrine ale mamiferelor.
În organismul uman există sub 4 forme diferite:
- molecule libere (în fluidele organismului)
- complexe Ag-Ac (antigen-anticorp)
- molecule citofilice fixe (prin intermediul fragmentului Fc, care este un fragment C-terminal (carbon-terminal) când legarea are loc într-o manieră nespecifică; în cazul legării specifice, participă fragmentul Fc care este NH2-terminal)
- molecule fixe situate pe suprafaţa celulelor B - ca şi receptori pentru antigene.
Contactul dintre antigene şi celulele B este necesar pentru transformarea acestora în celule formatoare de anticorpi (plasmocite) care vor secreta cantităţi mari de anticorpi. Moleculele de imunoglobuline legate de membrana celulară a celulelor B au aceleaşi specificităţi de legare ca şi ale anticorpilor ce sunt produşi de plasmocite.
Este necesar să se menţioneze trăsăturile moleculelor de imunoglobuline - care sunt diferite de ale altor proteine plasmatice, astfel:
- capacitatea de a reacţiona într-o manieră specifică cu antigenele (prin intermediul paratopului)
- sensibilitatea faţă de anumite enzime: papaină, pepsină
- abilitatea de a fixa componentele sistemului Complement
- activarea proceselor de fagocitoză (prin intermediul opsonizării - situaţie în care imunoglobulinele se identifică ca şi opsonine)
- sunt divizate în clase şi subclase.
Se recunosc 5 clase diferite de imunoglobuline ce există la mamiferele superioare, după cum urmează: IgG, IgM, IgE, IgA şi IgD. Aceste clase se disting între între ele, luând în considerare:
- mărimea moleculei,
- încărcătura electrică (din punct de vedere electroforetic, migrează de la fracţiunea gamma spre fracţiunea alfa a proteinelor serice normale) (fig. 13)
- secvenţa AA
- conţinutul de carbohidraţi (CH)
- afinitate şi aviditate (se referă la capacitatea de a recunoaşte antigenele şi puterea de legare a unui singur situs combinativ sau a mai multor situsuri combinative)
.................................
Fig. 13. Mobilitatea electroforetică a proteinelor plasmatice
.................................
Structura anticorpilor
Cristalografia în radiaţii X, demonstrează forma de literă "Y" a moleculei de imunoglobulină.
Moleculele de imunoglobuline sunt compuse din două tipuri distincte de lanţuri polipeptidice (lanţul L - light şi lanţul greu H - heavy) care sunt legate între ele prin legături covalente şi necovalente.
Lanţul uşor (L)
Are o greutate moleculară de aproximativ 25.000 D şi este prezent la toate clasele de imunoglobuline; lanţurile uşoare ale celor mai multe vertebrate există sub 2 forme: denumite kappa (k) şi lambda (), acestea fiind practic izotipuri ale lanţurilor uşoare.
Toate lanţurile uşoare prezintă o porţiune constantă [porţiunea C-terminal (carbon terminal) ce prezintă 107 reziduri de AA, identificată ca şi CL (Constant Light chain) şi o regiune variabilă (N-terminal - denumită VL - Variable Light chain) deoarece prezintă variabilitate secvenţială.
Lanţul greu
Are aproximativ 50.000-77.000 D (aproximativ de 2 ori mai lung decât lanţurile uşoare) cu o structură distinctă pentru fiecare clasă şi subslasă; există 5 tipuri diferite: şi . Aceste tipuri determină clasa de imunoglobulină, respectiv: IgG, IgM, IgA, IgE şi IgD.
Se poate discuta şi despre existenţa subclaselor, doar la 2 tipuri de imunoglobuline: IgG şi IgA.
În cazul clasei IgG există 4 izotipuri (la baza lor stau 4 tipuri diferite de lanţuri grele: şi ducând la identificarea a 4 subclase: IgG1, IgG2 IgG3 şi IgG4.
Clasa IgA prezintă 2 izotipuri: α1 şi α2 - iar subclasele se identifică ca şi IgA1 şi IgA2.
Toate aceste tipuri de lanţuri grele, posedă o regiune variabilă (VH) şi un număr distinct de regiuni constante (CH).
Regiunea VH prezintă o variabilitate mult mai mare decât regiunea VL (a lanţului uşor), ceea ce face să existe o abilitate mare în recunoaşterea epitopilor (a determinanţilor antigenici).
În cadrul ambelor regiuni variabile - ale lanţurilor grele şi uşoare - anumite segmente scurte polipeptidice arată o variabilitate excepţională - segmente care se recunosc ca şi regiuni hipervariabile (în concordanţă cu secvenţa AA), creindu-se astfel CDRs (Complementary Determing Regions) practic regiuni complementare. Regiunile variabile sunt "pliate" într-o aşa manieră ca regiunile hipervariabile sunt aduse aproape una de alta, pentru a se forma structura de suprafaţă care leagă antigenul.
În cazul claselor IgG, IgA, IgD şi IgE există 3 regiuni constante CH (sau domenii) denumite CH1, CH2, CH3; deoarece molecula de IgM este cea mai mare, există 4 domenii: CH1, CH2, CH3 şi CH4.
Ca o regulă care este strict respectată, în orice moleculă de imunoglobulină cele 2 lanţuri uşoare sunt identice (fie k sau λ), precum şi cele 2 lanţuri grele (fie α, δ, γ, ε sau μ).
Fiecare clasă de imunoglobulină are funcţiile ei specifice, dar în general sunt molecule bifuncţionale:
- domeniile omologe ale lanţurilor grele şi uşoare sunt aşezate în pereche, în fragmente Fab (Antigen Binding Fragment), care participă la legarea antigenului cu molecula de anticorp
- fragmentele C-terminal, sunt identificate ca şi Fc (Crystallized Fragment) şi au funcţie efectoare, fiind implicate în :
- fixarea tisulară,
- în activarea sistemului Complement şi
- activarea celulelor implicate în răspunsul imun ; aceste celule posedă pe suprafaţa lor receptori Fc, cu rol în legarea fragmentului Fc al moleculei de Ig.
- este recunoscută o altă componentă foarte importantă a moleculelor de imunoglobuline şi anume regiunea "balama" ("hinge" region) localizată între domeniile CH1 şi CH2; este o porţiune flexibilă, de aceea permite procesul de adaptare la forma epitopului, participând la legarea de acesta.
Cu ajutorul proteazelor, s-a putut dovedi structura clasică (fig. 14) a moleculei de IgG, astfel:
- papaina - o fitoprotează clivează molecula de IgG la nivelul regiunii "balama" între domeniile Cγ1 şi Cγ2 - rezultând 2 fragmente identice Fab şi un fragment Fc,
- pepsina - o altă enzimă, generează 2 fragmente mari ale moleculei de IgG (practic 2 regiuni Fab care sunt legate una de alta, prin regiunea "balama") şi un fragment parţial de Fc.
.................................
Fig. 14 Structura clasică a moleculei de IgG - clivarea cu papaină şi pepsina:
VL - Light Variable Region (Regiunea variabilă a lanţului uşor); CL - Light Constant Region (regiunea constantă a lanţului uşor); VH - Heavy Variable Region (Regiunea variabilă a lanţului greu); CH1, 2, 3 - Heavy Constant Domains (Regiunea constantă a lanţului greu); Fc - Cystallized Fragment (Fragmentul cristalizabil); Fab - Antigen Binding Fragment (Fragmentul care leaga antigenul); Hinge Region (regiunea " balama")
...................................
Diferenţele secvenţiale (legate de succesiunea AA) între moleculele de imunoglobuline pot fi: izotipice, alotipice şi idiotipice:
- variaţia izotipică - genele pentru variantele izotipice sunt prezente la toţi indivizii sănătoşi aparţinând aceleiaşi specii; genele pentru lanţurile: γ1, γ2, γ3, γ4, μ, α1, α2, ε, δ, λ, k sunt toate prezente în genomul uman, de aceea se definesc ca şi izotipuri.
- variaţia alotipică - se referă la variaţiile genetice care există între indivizii apaţinând aceleiaşi specii, implicând existenţa a diferite alele ale unui anume locus; de exemplu, varianta pentru IgG3 - nu se găseşte la toţi indivizii, de aceea se defineşte ca şi alotip - apare ca şi variantă a regiunii constante a lanţului greu.
- variaţia idiotipică - este o variaţie a domeniului variabil, în mod particular la nivelul regiunilor hipervariabile; în general, sunt specifice pentru clonele individuale ale limfocitelor B.
- excluderea alelică - pare să fie responsabilă de sinteza unui unic anticorp alotipic (care să fie specific fiecăruia dintre miliardele de antigene diferite cu care un individ vine în contact de-a lungul vieţii); plasmocitele sintetizatoare de anticorpi suferă această "excludere alelică".
Clasele de imunoglobuline
Clasa IgG
Molecula de IgG are o structură "tipică" (prezentată mai sus); posedă 2 legături disulfidice intra-lanţ uşor (o legătură în regiunea variabilă şi cealaltă în regiunea constantă) şi 4 legături la nivelul lanţurilor grele μ;
Atât în lanţul uşor cât şi în lanţul greu, primele domenii corespund regiunilor variabile (VH-lanţ greu, respectiv VL-lanţ uşor).
Diferenţele minime între subclasele de IgG (IgG1, IgG2, IgG3 şi IgG4) sunt reprezentate de secvenţa de AA, care sunt concentrate în regiunea "balama".
Clasa de IgG este clasa cea mai reprezentată în serul normal uman, reprezentând 70-75% din întreg rezervorul de imunoglobuline.
Clasa IgG, care este distribuită între spaţiile intra şi extravasculare, este reprezentanta majoră a răspunsului imun secundar (RIS). Anticorpii IgG maternali conferă imunitatea temporară a nou-născutului; prin traversarea placentei, moleculele de IgG conferă un nivel crescut al imunităţii pasive a nou-născutului. IgG conţinute în laptele matern, traversează selectiv tractul gastro-intestinal.
Dintre rolurile clasei IgG, menţionăm:
- implicarea ei în ADCC (prin fagocitoza opsoninică)
- ia parte la reacţiile de neutralizare (IgG având funcţia de anticorpi neutralizanţi)
- activează sistemul Complement (în cursul reacţiei de fixare a Complementului).
Clasa IgM
Clasa IgM are o structură pentamoleculară; lanţul greu μ posedă secvenţa proprie de AA şi au un domeniu constant în plus. Subunităţile sunt legate prin legături disulfidice între regiunile constante (la nivelul domeniului C3).
Molecula completă este formată dintr-o regiune dens compactată central, ce posedă braţe care radiază (aspect observat în microscopia electronică), având o configuraţie tridimensională.
Această clasă reprezintă 10% din rezervorul de imunoglobuline serice; din cauză ca dimensiunea este mare, majoritatea acestei clase este situată intravascular şi reprezintă clasa de molecule activate în decursul răspunsului imun primar (RIP);
Tot din cauza dimensiunii, această clasă nu poate traversa bariera placentară, neputând participa la imunitatea dobândită a nou-născutului.
Când moleculele de IgM se leagă de flagelii bacterieni, capătă o configuraţie plată, de "timbru" dovedindu-se astfel flexibilitatea regiunilor "balama" (la nivelul domeniilor C2 şi C3) (fig. 15).
O altă trăsătură a acestei clase este existenţa unui lanţ peptidic adiţional "lanţul J", care stă la baza reacţiei de polimerizare între cele 5 molecule structurale.
Clasa IgM participă la amplificarea reacţiilor de aglutinare, precipitare şi activare a sistemului Complement.
...................................
Fig. 15 - Configuraţia "timbru" a structurii pentamoleculare a clasei de IgM
(polimerizare datorată existenţei lanţului "J")
...................................
Clasa IgA
Lanţul α posedă 4 domenii: VH, Cα1, Cα2 şi Cα3; fragmenul C-terminal este capabil să lege covalent un lanţ adiţional "J" rezultând o structură dimerică; microscopia electronică arată în cazul clasei IgA o imagine de dublu "Y";
Această clasă reprezintă 15-20% din rezervorul plasmatic al imunoglobulinelor serice.
IgA se găseşte în mod predominant în secreţiile suprafeţelor mucoase, cum sunt: saliva, colostru, secreţiile traheo-bronşice, lacrimale, genito-urinare etc.
IgAs (IgA secretor) este constituit din 2 unităţi de IgA, un component secretor şi un lanţ "J"; spre deosebire de lanţul "J", componentul secretor nu este sintetizat de plasmocite (limfocite B activate), ci de către celulele epiteliale; structura dimerică este susţinută în această configuraţie de către lanţul "J" secretat de către plasmocitele submucosale (fig. 16).
Subclasa IgA1 este cea mai reprezentată în ser, în timp ce IgA2 predomină în secreţii; acest lucru se poate datora existenţei microorganismelor de la nivelul tractului respirator şi digestive, care au capacitatea de a cliva proteolitic subclasa IgA1.
Mecanismele de acţiune la nivel mucosal nu sunt pe deplin înţelese, probabil funcţionează ca şi obstacole în calea penetrării bacteriene la nivelul celulelor epiteliale mucosale.
...................................
Fig. 16 - Structura dimerică a unei molecule de IgAs
...................................
Clasa IgD
Această clasă reprezintă mai puţin de 1% din totalul imunoglobulinelor serice; acest lucru s-ar putea datora susceptibilităţii crescute la acţiunea proteolitică, chiar la proteoliză spontană; se găsesc în cantităţi mai mari la nivelul membranar al limfocitelor B, ca şi receptori membranari; se presupune că intervin şi în procesul de dezvoltare a "memoriei celulare".
Clasa IgE
Există în cantităti infime în fracţiunea plasmatică a imunoglobulinelor. Sunt imunoglobuline citofilice, deoarece au capacitatea de a se lega de receptorii celulari specifici (FcεR) ce există pe suprafaţa anumitor celule: eozinofile, bazofile, celule mastocitare de la nivelul mucoaselor: conjunctivale, nazale sau bronşice.
Celulele menţionate au toate în comun o trăsătură structurală: prezenţa intracitoplasmatică a granulelor ce conţin peptide biologic active (histamină, serotonină, bradikinină, heparină etc).
Această clasă este implicată în imunitatea anti-helmintică şi în reacţiile de tip alergic (astmul bronşic, febra de fân) când există eozinofilie.
Sinteza de imunoglobuline
Aceste molecule sunt sintetizate sub un control genetic riguros; odată sintetizate, moleculele vor "îmbătrâni", vor suferi un proces de descompunere şi vor fi înlocuite de alte molecule nou sintetizate.
Ambele procese - catabolic şi anabolic - interferă dinamic, rezultatul fiind menţinerea homeostaziei în răspunsul imun de tip umoral.
Sinteza moleculelor de anticorpi, urmează anumite etape, astfel:
- procesul de "comutare" vis-ŕ-vis de clasa de imunoglobuline ce urmează a fi sintetizată
- sintetiza lanţurilor polipeptidice
- secundar aceste lanţuri se asamblează
- se adaugă componentele CH (domenii constante ale lanţurilor grele) care variază între 2-3 % la IgG1 până la 10-12% la IgM, IgD şi IgE
- polimerizarea şi eliminarea moleculelor de imunoglobuline în spaţiile intra şi extravasculare
- catabolismul - moleculele "îmbătrânite" sunt în permanenţă înlocuite de molecule tinere, la un nivel constant, determinat de: tipul de clasă, viteza de sinteză a moleculelor, situsul de degradare a moleculelor de imunoglobuline (probabil intestinul gros şi ficatul).
Receptorii imunoglobulinelor
Acţiunile intercelulare care implică participarea imunoglobulinelor, se pot desfăşura condiţionat de existenţa receptorilor pentru imunoglobuline pe suprafaţa diferitelor celule; câţiva dintre receptorii imunoglobulinici identificaţi, sunt:
- receptorii pentru IgG - care mediază câteva funcţii efectoare (activităţi biologice):
o participă la fagocitoză (în cursul ADCC)
o eliberează mediatori şi amplifică procesul de prezentare a antigenului
Există 3 grupe de receptori tip IgG-R pe suprafaţa celulelor: Fcγ-RI (CD64) Fcγ-RII (CD32) şi Fcγ-RIII (CD16); toţi aceşti receptori se caracterizează prin existenţa domeniilor extracelulare, iar distribuţia lor este următoarea:
- Fcγ-RI - pe suprafaţa celulelor mononucleare
- Fcγ-RII - distribuite larg pe suprafaţa celulelor mononucleate şi neutrofilelor
- Fcγ-RIII - pe macrofage, PMN, NK şi celulele T.
- receptorii pentru IgE, există în 2 variante:
o Fcε-RI - pe mastocite, eozinofile, bazofile - reprezentând receptorul "clasic" pentru IgE
o Fcε-RII - pe leucocite şi limfocite.
Funcţiile efectoare ale imunoglobulinelor
Funcţia principală a anticorpilor este de legare a antigenului;
Activarea sistemului Complement este unul dintre cele mai importante mecanisme efectoare ale moleculelor din clasa IgG şi IgM; odată legate de antigen, se activează cascada enzimatică a sistemului Complement.
IgG4, IgA, IgD şi IgE nu au capacitatea de a activa acest sistem.
Aplicaţii clinice ale imunoglobulinelor
Sunt reprezentate de:
- transferul pasiv al unui ser imun sau hiperimun (cu intenţia de a lupta cât mai eficient şi rapid - în bolile infecţioase acute: scarlatină, tetanus, difterie etc)
- metode de diagnostic imunologic: în care trebuie utilizate proprietăţile individuale ale claselor de imunoglobuline: precipitine, aglutinine, fixatori de Complement, sau în metode ce folosesc enzime şi substrat - ELISA, EIA, IF etc)
- identificarea anumitor subclase de imunoglobuline - în sânge, urină, alte fluide biologice
- anticorpii monoclonali - cu scopul identificării anumitor antigeni sau în încercarea de a neutraliza celule de tip malign (în patologia neoplazică).
