Наши внутренние войска: антитела - что было дальше?
В предыдущем посте я сделал обзор антител или, по-научному, иммуноглобулинов. Пришло время разобраться, какие бывают антитела, как они обезвреживают врага и зачем нужны разные типы иммуноглобулинов. И снова вашим нейронам придется напрячь свои связи, так как пост не самый легкий. Надеюсь, своим объяснениями я никого не сподвигну уйти в профессию "с пониженной социальной ответственностью" (это к комменту) :)
Какие такие антитела?
Несмотря на прошлый пост, давайте немного всколыхнем память и уточним, что такое антитела. Это особые белки, вырабатываемые иммунными клетками B-лимфоцитами. За глобулярную (шаровидную) структуру эти белки называют глобулинами. А за то, что они вырабатываются иммунными клетками, их прозвали иммуноглобулинами.
На картинке - модель спайк-белка SARS-CoV-2 (источник). Спайк-белки (S-protein) - это как раз те белки-шипы, которые создают ореол короны вокруг коронавируса. S-протеины обеспечивают проникновение вируса в клетку. Зеленым подсвечены эпитопы (антигенные детерминанты) - участки антигена, с которыми может связаться антитело. Если антитело свяжет белок, то вирус не сумеет проникнуть в клетку.
Каждый B-лимфоцит вырабатывает свой уникальный набор антител.
А все вместе лимфоциты могут синтезировать от нескольких миллионов до нескольких миллиардов различных вариантов иммуноглобулинов. Правда, установить, с каким количеством антигенов способно связаться одно антитело, практически невозможно. Антитело может связаться с узким кругом антигенов, что зависит от химических свойств и совпадения поверхностей антигенсвязывающего центра антитела и активной части антигена (эпитопа).
Компьютерная модель взаимодействия антигена вируса гриппа с антителом (антиген слева, антитело справа). Как видите, их поверхности комплементарны, то есть соответствуют друг другу.
Иммуноглобулин не простой белок, он состоит из двух пар других белков (полипептидов), которые называют цепями. Большие тяжелые цепочки полипептидов называют H-цепи (Hard), легкие - L-цепи (Light).
Отдельные фрагменты антитела связаны между собой дисульфидными связями (связь между двумя атомами серы). Буквой С обозначили не изменяющиеся участки антитела (constant), буквой V - уникальные изменяющиеся участки (variable).
Вариабельная часть антитела (“усы”) содержит антигенсвязывающий центр - тот участок иммуноглобулина, который схватит антиген за его выступающую часть (за эпитоп).
Противоположный конец антитела (Fc-фрагмент, Fragment crystallizable) нужен для кооперации с другими участниками иммунного ответа: с макрофагами, нейтрофилами,
Ещё раз о силе и слабости антител
Также важно понимать, что несколько разных антител (от разных лимфоцитов) могут с разной силой связываться с антигеном. Вообще, антиген и антитело склеиваются не навсегда, и этот союз может распадаться, что зависит от различных химических характеристик. Чем быстрее комплекс антиген-антитело распадется, тем хуже, ведь тогда носитель антигена сможет продолжить своё подлое дело. Для определения силы связи иммуноглобулина с эпитопом придумали термин аффинность. Этот показатель выражается в молях, и чем он меньше, тем лучше. То есть аффинность 10М лучше (сильнее) 100М. А на самом деле, эти значения гораздо меньше - от 10 в минус 7 степени до 10 в минус 11.
Ещё выделяют понятие специфичности антитела. Чем более узкий круг антигенов может связать антитело, тем оно специфичнее. Идеальная специфичность - это когда антитело может связать только одну конкретную молекулу. Но в жизни идеал не достижим, и обычно антитело может связать несколько очень похожих антигенов. Низкая специфичность означает, что иммуноглобулин способен связаться со многими антигенами (условно многими), но эти связи достаточно слабые. То есть низкая специфичность означает слабую аффинность, и наоборот - высоко специфичные антитела имеют сильную аффинность. Иммуноглобулины с низкой специфичностью подобны дружинникам - они могут быстро схватить почти любого нарушителя, но не сумеют его долго удержать. А вот высокоспецифичные антитела похожи на отряд специального назначения - их меньше, их нужно дольше обучать, зато действуют они быстро и эффективно.
Как антитела убивают врагов
Антитела защищают наш организм с помощью нескольких механизмов. Чтобы остальные участники иммунитета узнали, когда антитело связалось с антигеном, существует специальный механизм. Иммуноглобулин, который прилип к антигену, изменяет свой Fc-фрагмент таким образом, что к нему могут присоединиться лейкоциты и некоторые иммунные белки. Без активации антигеном антитело никому не даст потрогать свой Fc-фрагмент.
Непосредственно связывая вредную молекулу, антитела могут нейтрализовать действие яда и токсинов. Связанный яд не сможет проникнуть в наши клетки или воздействовать на рецепторы. Конечно, если доза токсина большая, и поступил он быстро, то антитела не спасут (не успеют). Антитела против ядов и токсинов можно вводить в виде лекарств. К примеру, противостолбнячная и противодифтерийная сыворотки содержат готовые антитела против токсинов столбняка и дифтерии. Кстати, за разработку этих сывороток немецкий иммунолог Эмиль фон Беринг получил Нобелевскую премию. Какие ещё примеры есть? Сыворотки против яда гадюки или каракурта содержат, как вы догадываетесь, антитела против этих ядов. Антирабический иммуноглобулин вводят против бешенства (в случае укуса больным животным). Получают такие антитела путем иммунизации животных (животным вводят токсин, и у них вырабатывается иммунитет с антителами).
Анимация иллюстрирует, как антитело связывает токсин, и связанный токсин не может проникнуть в клетку.
Антитела, прилипшие к вирусу, блокируют его патогенную (болезнетворную) активность, не позволяя проникнуть внутрь клетки (вирусы могут жить только внутри клеток). Кроме того, антитела могут связывать несколько вирусных частиц в единый конгломерат и делать врага более уязвимым. Противовирусные антитела также можно вводить больным в виде сыворотки. Например, против вируса Эбола была изобретена сыворотка ZMapp на основе антител (с использованием генной инженерии). Для лечения новой коронавирусной инфекции применяют сыворотку из крови больных, переболевших COVID-19. Обратите внимание, что это не вакцинация, а пассивная иммунизация (иммунитет не вырабатывается, а получается извне).
Тандем антиген-антитело называют иммунным комплексом (ИК). К Fc концу антитела может присоединиться фагоцит и проглотить этот комплекс. Фагоциты ужасно возбуждаются, когда встречают связанные антитела. Внутри фагоцита ИК переварится внутриклеточными ферментами. Также к свободному концу активного антитела может прицепиться один из белков комплемента (группа белков врожденного иммунитета). А комплемент, в свою очередь, может прилипнуть к эритроциту. Эритроцит транспортирует иммунные комплексы в селезенку и печень, где макрофаги расщепляют антиген-антитело. Да, эритроциты тоже участвуют в иммунитете.
Циркулирующие иммунные комплексы могут оказывать повреждающее действие на организм (например, если их слишком много или присутствуют иммунные дефекты). Оседая в разных тканях (особенно в сосудах), ИК вызывают локальное повреждение органа (например, гломерулонефрит, некоторые артриты).
Антитела, облепившие бактериальную клетку, активируют макрофаги и нейтрофилы. Эти клетки как бы цепляются за Fc фрагмент антитела и начинают фагоцитировать микробную клетку. Кроме того, антитела, облепившие опухолевые клетки, активируют цитотоксическую (клеткоубийственную) активность особых лимфоцитов - натуральных киллеров. Как вы уже знаете, антитело умеет связываться и с комплементом. Но в случае бактерий активированный комплемент способен формировать поры в микробной клетке, в результате чего та погибает. Ещё антитела могут склеивать бактериальные клетки между собой, нарушая процесс их жизнедеятельности.
Типы антител
В зависимости от структуры Н-цепей выделяют 5 классов (изотипов) молекул иммуноглобулинов - IgM, IgG, IgA, IgD и IgE. Кроме разницы в строении тяжелых цепей, растворимые формы иммуноглобулинов M и A представлены пентамером и димером. “Мер” здесь означает повторяющуюся часть, а приставки “ди” - два и “пента” - пять. То есть IgM состоит из пяти повторяющихся молекул, а IgA - из двух. Остальные антитела называются мономерами (“моно” - один).
В процессе иммунного ответа B-лимфоциты способны переключать синтез иммуноглобулинов с одного класса на другой, например, с IgM на IgG. При этом вариабельная часть остается той же.
Но зачем нам нужны эти пресловутые классы? Ведь антитела и так до безумия уникальные, к чему природа придумала ещё и изотипы. Разберем отдельно, что делает каждый класс иммуноглобулинов.
IgM - первое антитело, которое начинает вырабатывать B-лимфоцит в ответ на инфекцию. Более того, с этого иммуноглобулина начинается жизнь зрелого лимфоцита - это его аттестат зрелости. IgM вырабатывается при первичной встрече с инфекционным агентом. Это происходит, примерно, на 3 - 4 день от начала инфекции. Антитело имеет слабую аффинность и низкую специфичность, зато у IgM аж десять антигенсвязывающих центров, что, в конечном итоге, дает ему неплохие шансы на сдерживание врага. Иногда десять слабых рук прочнее держат, чем две сильные. Наибольшее количество IgM вырабатывается к 4 - 6 дню, а снижается концентрация к 10-му дню. Антитела этого класса призваны максимально быстро реагировать на новую инфекцию, пусть и с низкой аффинностью. Повышение IgM к конкретному возбудителю свидетельствует об остром инфекционном процессе (заболел впервые, разгар болезни). Кроме того, в крови всегда присутствует небольшое количество IgM, которое вырабатывается в ответ на обычные антигены, поступающие с поверхности кожи и слизистых оболочек. Именно антитела класса M отвечают за развитие гемотрансфузионного шока при переливании не подходящей группы крови. Молекулы IgM большого размера, они не проникают через плаценту и не попадают в кровь плода (поэтому не страшно, если у плода и мамы разные группы крови). IgM обладает самой высокой способностью активировать комплемент. Достаточно одной молекулы IgM на поверхности бактерии, чтобы запустить активацию комплемента.
IgG - вырабатываются вслед за иммуноглобулинами класса М. Это более специфичные антитела, аффинность их гораздо выше. Чтобы синтезировать антитела, максимально подходящие к конкретному антигену, каждый B-лимфоцит начинает производить антитела, чуть-чуть отличающиеся друг от друга. Лимфоцит как бы ищет подходящую конфигурацию, и, в конце концов, получает антитело с максимальной аффинностью к данному антигену. Это процесс называется созреванием аффинности. Подробнее о нем я расскажу в следующем посте. Для выработки таких высокоспецифичных антител нужно время, поэтому IgG начинает вырабатываться позже (пик достигается на 10 - 14 день). Среднее время жизни этого антитела до 2х месяцев (но может быть и больше). Небольшое количество антител может сохраняться в течение всей жизни. При повторной встрече с антигеном (повторная инфекция) клетки памяти B-лимфоциты начинают сразу вырабатывать IgG в больших количествах, что позволяет не допустить развитие болезни. Повышение IgG свидетельствует о недавней первичной инфекции или о повторном инфицировании после ранее перенесенной болезни (в том числе после вакцины). Например, повышение IgG против глистов говорит о повторной инвазии возбудителя (то есть человек опять заразился). Эти иммуноглобулины единственные проникают через плаценту в кровь и обеспечивают иммунитет плода и новорожденного малыша до 2 - 3 месяцев. Но и эти же антитела отвечают за развитие резус-конфликта (IgG резус-отрицательной матери атакует эритроциты резус-положительного плода).
IgA называют секреторным антителом. Секретом обозначают жидкость, выделяемую определенными клетками (например, слюна - секрет, вырабатываемый слюнными железами). Антитела класса A плавают в крови, а также присутствуют в слюне, слезах, молоке и на слизистых оболочках. Эти антитела усиливают защитные свойства пищеварительного тракта, дыхательных, половых и мочевыделительных путей. Они тоже вырабатываются после IgM и достигают пика на 5 - 6 день; живут около 12 дней. IgA не умеет связываться с комплементом и бактериальными клетками, но предохраняет слизистые оболочки от бактериальных токсинов, а также от вирусов. У детей первых месяцев жизни IgA отсутствует или мало вырабатывается, основную часть малыши получают с молоком матери. Кстати, молоко матери содержит все виды антител, а также цитокины, которые помогают ребенку формировать иммунную систему.
IgE присутствует в крови в очень малых количествах. Его основная дислокация - в слизистых желудочно-кишечного тракта и в бронхах и легких. Эти антитела участвуют в противогельминтном иммунитете. Облепливая яйца паразитов и тела взрослых особей, IgE активирует эозинофилы, которые выделяют различные токсические вещества. IgE принимает непосредственное участие в аллергиях немедленного типа (крапивница, анафилактический шок, аллергический насморк и другие). IgE активирует базофилы и тучные клетки, задача которых обеспечить приток крови и миграцию других лейкоцитов к месту воспалительных событий. Срок жизни - около четырех суток, на базофилах и тучных клеток могут находиться до двух недель.
IgD долгое время оставался темной лошадкой, да и сейчас его функция до конца не ясна. В настоящее время известно, что он участвует в распознавании антигена и помогает активировать B-лимфоцит.
На этом, пожалуй, стОит закончить. В следующем посте я планирую рассказать о развитии B-лимфоцитов и о том, как получается такое громадное многообразие антител. Всем доброго здоровья и хороших высокоспецифичных антител!