第四章 免疫球蛋白

第一节 基本概念

1、抗体：B淋巴细胞在有效的抗原刺激下分化为浆细胞，产生具有与相应抗原发生特异性结合功能的免疫球蛋白，这类免疫球蛋白称为抗体。

1937年，Tiselius用电泳方法将血清蛋白分为白蛋白、α1、α2、β及γ球蛋白等组分，其后又证明抗体的活性部分是在γ球蛋白部分。因此，相当长一段时间内，抗体又被称为γ球蛋白（丙种球蛋白）。实际上，抗体的活性除γ球蛋白外，还存在于α和β球蛋白处。

20世纪40年代初期，Tiselius和Kabat用肺炎球菌多糖免疫家兔，证实了抗体活性与血清丙种球蛋白组分相关。肺炎球菌多糖免疫家兔后可获得高效价免疫血清。然后加入相应抗原吸收以除去抗体，将除去抗体的血清进行电泳图谱分析，发现丙种球蛋白（γ-G）组分明显减少，从而证明了抗体活性是存在于丙种球蛋白内。

2、免疫球蛋白：具有抗体活性或化学结构与抗体相似的球蛋白统称为免疫球蛋白 (immunoglobulin，Ig)。

区别：

抗体都是免疫球蛋白，而免疫球蛋白并不都是抗体。如骨髓瘤蛋白，巨球蛋白血症、冷球蛋白血症等患者血清中存在的异常免疫球蛋白结构与抗体相似，但无抗体活性。

免疫球蛋白可分为分泌型（secreted Ig,SIg）和膜型（membrane Ig, mIg）。前者主要存在于血清及其他体液或外分泌液中，具有抗体的各种功能；后者是B细胞表面的抗原识别受体。

第二节 免疫球蛋白结构

一、免疫球蛋白的基本结构

（一）重链和轻链

免疫球蛋白分子是由两条相同的重链（heavy chain，H链）和两条相同的轻链（light chain，L链）通过链间二硫键连接而成的四肽链结构。X射线晶体结构分析发现，IgG分子由3个相同大小的节段组成。

1. 重链

分子量约为50～75kD，由450～550个氨基酸残基组成。免疫球蛋白重链恒定区由于氨基酸的组成和排列顺序不同，故其抗原性也不同。据此，可将免疫球蛋白分为五类，即IgM、IgD、IgG、IgA和IgE，其相应的重链分别为μ链、δ链、γ链、α链和ε链。不同的同种型具有不同的特征，包括链内二硫键的数目和位置、连接寡糖的数量、功能区的数目以及铰链区的长度等。同一类Ig根据其铰链区氨基酸组成和重链二硫键的数目和位置的差别，又可分为不同的亚类。如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

免疫球蛋白轻链的分子量约25 kD，由214个氨基酸残基构成。轻链可分为两型，即κ(kappa)型和λ(lambda)型，一个天然Ig分子上两条轻链的型别总是相同的,两型轻链的功能无差异。不同种属中，两型轻链的比例不同，正常人血清免疫球蛋白κ:λ约为2:1，而在小鼠则为20:1。κ:λ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λ链过多，提示可能有产生λ链的B细胞肿瘤。根据λ链恒定区个别氨基酸的差异，又可分为λ1、λ2、λ3和λ4 四个亚型。

（二）可变区和恒定区 

通过分析不同免疫球蛋白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，称为可变区（variable region,V区），而靠近C端的其余氨基酸序列相对稳定，称为恒定区(constant region, C区)。

1.可变区 重链和轻链的V区分别称为VH和VL。

1高变区（hypervariable region，HVR）：比较许多不同抗体V区的氨基酸序列，发现VH和VL各有三个区域的氨基酸组成和排列顺序特别易变化，这些区域称为高变区，分别用HVR1、HVR2和HVR3表示，一般HVR3变化程度更高。

VL的三个高变区分别位于28～35、49～56和91～98位氨基酸；VH的三个高变区分别位于29～31、49～58和95～102位氨基酸。

2骨架区（framework region,FR）：高变区之外区域的氨基酸组成和排列顺序相对不易变化，称为骨架区。

VH或VL各有四个骨架区，分别用FR1、FR2、FR3和FR4表示。

稳定CDR结构，以利IgCDR与抗原决定簇精细特异地结合。

③互补性决定区（complementarity-determining region，CDR）：VH和VL的三个高变区共同组成Ig的抗原结合部位，该部位形成一个与抗原决定簇互补的表面，故高变区又被称为互补性决定区，分别用CDR1、CDR2和CDR3表示。不同的抗体其CDR序列不相同，并因此决定抗体的特异性。

2.恒定区 

重链和轻链的C区分别称为CH和CL。不同类Ig重链CH长度不一，有的包括CH1、CH2和CH3；有的更长，包括CH1、CH2、CH3和CH4。同一种属动物中，同一类别Ig分子其C区氨基酸的组成和排列顺序比较恒定。例如：针对不同抗原的人IgG抗体，它们的V区不相同，只能与相应的抗原发生特异性结合，但其C区的抗原性是相同的，应用抗人IgG抗体（第二抗体），均能与不同人的IgG结合。

（三）免疫球蛋白的功能区：

1．定义：Ig的H链、L链每隔110个氨基酸由链内二硫键连接构成一个能行使特定功能的球形结构，称为Ig的功能区。

这些功能区的功能虽不同，但其结构相似。每个功能区约由110个氨基酸组成，其氨基酸的序列具有相似性或同源性。

轻链有VL和CL两个功能区；IgG、IgA和IgD重链有VH、CH1、CH2和CH3四个功能区；IgM和IgE重链有五个功能区，比IgG多一个CH4。

2．功能区的作用为：

①VH和VL是结合抗原的部位，其中HVR（CDR）是V区中与抗原表位互补结合的部位；

②CH和CL上具有部分同种异型（allotype）的遗传标志；

③IgG的CH2和IgM的CH3具有补体C1q结合位点，可启动补体活化经典途径；

④IgG可通过胎盘；

⑤IgG的CH3可与单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、B细胞和NK细胞表面的IgG Fc受体（FcγR）结合，IgE的CH2和CH3可与肥大细胞和嗜碱性粒细胞的IgE Fc受体（FcεR）结合。

3．铰链区 铰链区位于CH1与CH2之间，含有丰富的脯氨酸，因此易伸展弯曲，而且易被木瓜蛋白酶、胃蛋白酶等水解。铰链区连接抗体的Fab段和Fc段，使两个Fab段易于移动和弯曲，从而可与不同距离的抗原部位结合。 五类Ig或亚类的铰链区不尽相同，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。

1.利于抗体分子超变区与抗原决定簇吻合

2.Ag和Ab结合后，铰链区发生构型变化，使存在于CH2区补体结合位点暴露，使补体得以结合。

二、免疫球蛋白的其他结构

（一）J链 J链（joining chain）是一条多肽链，富含半胱氨酸，由浆细胞合成。J链可连接Ig 单体形成二聚体、五聚体或多聚体。两个单体IgA由J链连接形成二聚体，五个单体IgM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、IgE为单体，无J链。 

（二）分泌片 分泌片（secretory piece,SP）又称为分泌成分（secretory component, SC），是分泌型IgA分子上的一个辅助成分，为一种含糖的肽链，由粘膜上皮细胞合成和分泌，以非共价形式结合到二聚体上，并一起被分泌到粘膜表面。分泌片具有保护分泌型IgA的铰链区免受蛋白水解酶降解的作用，并介导IgA二聚体从粘膜下通过粘膜等细胞到粘膜表面的转运。

三、免疫球蛋白的水解片段

（一）木瓜蛋白酶水解片段 

木瓜蛋白酶水解IgG的部位是在铰链区二硫键连接的2条重链的近N端，裂解后可得到两个片段：① 2个相同的Fab段即抗原结合片段（fragment antigen binding, Fab）,相当于抗体分子的两个。Fab段为单价，与抗原结合后，不能形成凝集反应或沉淀反应；② 1个Fc段（fragment crystallizable,Fc），即可结晶片段。Fc段相当于IgG 的CH2和CH3功能区，无抗原结合活性，是抗体分子与效应分子和细胞相互作用的部位。Ig同种型的抗原性主要存在于Fc段。 

（二）胃蛋白酶水解片段 

胃蛋白酶在铰链区连接重链的二硫键近C端水解IgG，获得一个F(ab’)2片段，由于抗体分子的两个臂仍由二硫键连接，因此F(ab’)2片段为双价，与抗原结合可发生凝集反应和沉淀反应。Ig的Fc段被胃蛋白酶裂解为若干小分子片段，被称为pFc’，失去生物学活性。 胃蛋白酶水解IgG后的F(ab’)2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，因而作为生物制品有较大的实际应用价值，例如白喉抗毒素、破伤风抗毒素经胃蛋白酶消化后精制提纯的制品，因去掉Fc段而减缓发生超敏反应。

第二节 免疫球蛋白的生物学活性

一、能与相应抗原发生特异性结合，形成抗原抗体复合物

识别并特异性结合抗原是免疫球蛋白分子的主要功能，这种特异性是由免疫球蛋白V区，特别是HVR(CDR)的空间构型所决定。抗体在体内与相应抗原特异结合，发挥免疫效应，清除病原微生物或导致免疫病理损伤。

例如，抗毒素可中和外毒素，保护细胞免受毒素作用，IgG和IgA都具有这种中和作用；病毒的中和抗体可阻止病毒吸附和穿入细胞从而阻止感染相应的靶细胞；分泌型IgA可抑制细菌粘附到宿主细胞。抗体在体外与抗原结合引起各种抗原抗体反应。B细胞膜表面的IgM和IgD是B细胞识别抗原受体，能特异性识别抗原分子。

二、可以激活补体

IgM、IgG(IgG1、IgG2和IgG3)与抗原结合后，可通过经典途径激活补体系统，产生多种效应功能，其中IgM、IgG1和IgG3激活补体系统的能力较强，IgG2较弱。IgD、IgE和IgG4不能激活补体；聚合的IgA可通过旁路途径激活补体系统。

三、可与许多细胞表面Fc受体发生结合

（一）调理促吞噬作用：如IgG促进吞噬细胞发挥吞噬功能；

抗体的调理作用是指IgG抗体（特别是IgG1和IgG3）的Fc段与中性粒细胞、巨噬细胞上的IgG Fc受体结合，从而增强吞噬细胞的吞噬作用。IgA也具有调理作用。

（二）介导过敏反应：如IgE与肥大细胞结合介导Ⅰ型过敏反应

IgE的Fc段可与肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的高亲和力IgE Fc受体（FcεRI）结合，促使这些细胞合成和释放生物活性物质，引起Ⅰ型超敏反应 。

（三）ADCC效应：IgGFc段与NK细胞、单核吞噬细胞上Fc段受体结合，使其发挥ADCC效应。

抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用(antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity，ADCC)是指表达Fc受体的细胞通过识别抗体的Fc段直接杀伤被抗体包被的靶细胞。例如IgG抗体与带有相应抗原的靶细胞结合后，表达FcγR的NK细胞、巨噬细胞和中性粒细胞，可通过与IgG Fc段的结合，而直接杀伤被IgG抗体包被的靶细胞。NK细胞是介导ADCC的主要细胞。抗体与靶细胞上的抗原结合是特异性的，而表达FcR的细胞其杀伤作用是非特异性的。IgG、IgA、IgE

四、穿过胎盘：IgG是唯一可穿过胎盘的抗体

五、免疫调节作用：负反馈性调节等

第三节免疫球蛋白的抗原性

一、 同种型：

（一）定义：指同一种属所有正常个体Ig分子共同具有的抗原特异性标志。其决定簇在Ig分子恒定区，具种属特异性。

（二）举例：IgM、IgG、IgA、IgD、IgE

二、 同种异型：

（一）定义：指同一种属不同个体所产生的同一类型Ig，由于重链或轻链恒定区内一个或数个氨基酸不同而表现的抗原性差异。其决定簇在Ig分子恒定区。

（二）举例：人类ABO血型抗原。

三、独特型：指不同B细胞克隆所产生的免疫球蛋白分子V区所具 

有的抗原特异性标志。其决定簇在Ig分子可变区。

第四节各类免疫球蛋白的特性及功能

一、IgG

（一） 特性

1、存在形式：单体，血清中含量最高的Ig，占血清Ig总量的3/4；分子量最小。再次免疫应答后形成的抗体的主要成分。

2、合成时期：婴儿出生后三个月开始合成。

3、半衰期：23天，是所有抗体中半衰期最长的。Ig38天

（二） 生物活性

1、是主要的抗感染抗体：如抗细菌、抗病毒、中和毒素等。

2、是补体经典激活途径参与者。

3、是唯一可以穿过胎盘的抗体，是新生儿抗感染重要因素。

4、具有调理吞噬作用和介导ADCC效应的功能。

二、IgM

（一）特性

1、存在形式：五聚体，占血清Ig总量的10%，是分子量最大抗体（不能穿过血管壁和胎盘）。膜结合型为单体。

2、合成时期：合成最早（胎儿晚期已能合成）；机体感染后最早出现的Ig。故检测IgM水平可用于传染病的早期诊断。

3、半衰期：5天，所以若血清中特异性IgM类抗体含量增加，表明有近期感染。

（三） 生物活性

1、是高效能的抗菌抗体，是B细胞SmIg成分之一。

2、激活补体传统途径，只需一个IgM分子。

3、中和毒素或病毒，但不能介导ADCC效应。

4、ABO血型天然抗体。

●（3）具有强大的调理、激活补体及杀菌作用

●（4）血型抗体主要为IgM

●（5）参与自身免疫、超敏反应

●单体IgM：SmIgM为B细胞最早出现的重要表面标志 

三、IgA

（一） 特性：

1、存在形式：单聚体（血清型）和双聚体（分泌型）；其中分泌型

主要分布于呼吸道、消化道及初乳、唾液、泪液等分泌液中。

2、合成时期：婴儿在出生4~6个月才能合成IgA。

（二） 生物活性

1、是机体局部粘膜防御感染的重要因素（分泌型IgA）。

2、具有中和毒素作用（血清型IgA）。

3、辅助婴儿抵抗呼吸道、消化道感染（初乳中含分泌型IgA）。

四、IgD

（一） 特性

1、存在形式：单聚体，仅占血清Ig总量的1%。

2、合成时期：较晚。

半衰期：3天

（二） 生物活性

1、成熟B细胞的重要表面标志。

2、血清中IgD的功能尚不清楚。

五、IgE

（一） 特性

1、存在形式：单聚体，仅占血清Ig总量的0.002%。

2、合成时期：最晚合成的抗体。

（三） 生物活性

1、引发Ⅰ型过敏反应。

2、抗寄生虫的主要抗体。

又称亲细胞抗体，CH2和CH3功能区可与肥大细胞、嗜碱性粒细胞上的高亲和力Fcε受体结合，引起I型超敏反应

第五节免疫球蛋白的基因及抗体的多样性

一、Ig的基因结构

1.Ig轻链基因结构与重排

（1）Ig κ型轻链基因：V、J、C κ

V基因：CDR1、CDR2。人V约100（40）个；小鼠：350（250）

  V-J：CDR3。人J：5；小鼠：5

  C基因：C区；人C：1

κ链基因是V基因片断（Vκ）、J基因片断（Jκ）和C基因片断（Cκ）重排后组成。

（2）Igλ型轻链基因：V、J、C λ 

  V基因：CDR1、CDR2；人：100（30个）；小鼠：3

  V-J：CDR3；人：6个；小鼠：4

  C基因：C区；人：6个；小鼠：4

2.Ig重链VDJ基因结构、重排及C基因类别转换

   （1）V区：V、D、J基因编码

          V基因：CDR1、CDR2

          D基因及V-D：大部分CDR3

          D-J基因：CDR3其余部分及骨架区

   （2）C区：C基因编码

          存在类别转换

二、Ig的基因重排

由于Ig基因成簇存在，编码完整的功能性Ig多肽链必须通过基因重排。

三、抗体多样性产生的机制

1.组合多样性：Ig基因库中众多V、D、J、C基因家族成员极端多样性的排列组合；

2.连接多样性：基因重排过程中可出现不同的连接点，以及同一连接点上发生核苷酸的缺失、插入、和倒转，可形成连接多样性；

3.体细胞高频突变：体细胞高频突变是已成熟的B细胞受抗原刺激后，在发育过程中重排基因所发生的突变，这种突变可促进抗体的亲和力成熟。

4. L链H链相互随机配对。

小鼠Ig多样性（举例）

抗体和免疫球蛋白的概念、

免疫球蛋白的基本结构、功能区及其功能、

抗体的生物学活性、

理解：抗体多样性的机制

了解：五类免疫球蛋白的特点与功能。