免疫球蛋白

抗体(antibody，Ab)是介导体液免疫的重要效应分子，是 B 细胞接受抗原刺 激后增殖分化为浆细胞所产生的糖蛋白， 主要存在于血清等体液中， 能与相应抗 原特异性地结合，显示免疫功能。早在十九世纪后期， von Behring 及其同事 Kitasato 就发现白喉或破伤风毒素免疫动物后 可产生具有中和毒素作用的物质， 称之为抗毒素(antitoxin),随后引入抗体一词 来泛指抗毒素类物质。1937 年Tiselius 和Kabat 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，并发现抗体活性存在于从α到γ的这一广 泛区域（图 4-1），但主要存在于γ区，故相当长一段时间内，抗体又被称为γ球 蛋白（丙种球蛋白）。1968 年和 1972 年世界卫生组织和国际免疫学会联合会的 专门委员会先后决定， 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（immunoglobulin，Ig）。免疫球蛋白可分为分泌型（secreted Ig， SIg）和膜型（membrane Ig, mIg）。前者主要存在于血液及组织液中，具有抗体 的各种功能；后者构成 B 细胞膜上的抗原受体。

第一节 免疫球蛋白的结构

一、免疫球蛋白的基本结构

X 射线晶体衍射结构分析发现，免疫球蛋白由四肽链分子组成，各肽链间有 数量不等的链间二硫键。结构上 Ig 可分为三个长度大致相同的片段，其中两个 长度完全一致的片段位于分子的上方，通过一易弯曲的区域与主干连接，形成  一”Y”字型结构（图4－2），称为 Ig 单体，构成免疫球蛋白分子的基本单位。

（一）重链和轻链

任何一类天然免疫球蛋白分子均含有四条异源性多肽链， 其中， 分子量较大 的称为重链(heavy chain, H)，而分子量较小的为轻链(light chain, L)。同一天然 Ig 分子中的两条 H 链和两条 L 链的氨基酸组成完全相同。

1. 重链  分子量约为 50～75kD，由 450～550 个氨基酸残基组成。各类免  疫球蛋白重链恒定区的氨基酸组成和排列顺序不尽相同，因而其抗原性也不同。 据此，可将免疫球蛋白分为5 类（class） 或 5 个同种型（isotype），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。不同类 的免疫球蛋白具有不同的特征， 如链内和链间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 Ig 其铰  链区氨基酸组成和重链二硫键的数目、位置也不同，据此又可将同类 Ig 分为不  同的亚类（subclass）。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  分子量约为 25 kD，由 214 个氨基酸残基构成。轻链有两种，分 别为κ(kappa)链和λ(lambda)链，据此可将Ig 分为两型 (type)，即κ型和λ型。一 个天然 Ig 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κ 或λ链的抗体分子。5 类 Ig 中每类 Ig 都可以有κ链或λ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(subtype)

（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， 其他部分氨基酸序列则相对恒定。 免疫球 蛋白轻链和重链中靠近 N 端氨基酸序列变化较大的区域称为 可变区（variable region,V），分别占重链和轻链的 1/4 和 1/2；而靠近 C 端氨基酸序列相对稳定的 区域，称为恒定区(constant region, C 区)，分别占重链和轻链的 3/4 和 1/2(图 4−2)。

1. 可变区  重链和轻链的 V 区分别称为 VH和 VL。VH和 VL各有 3 个区域的 氨基酸组成和排列顺序高度可变，称为高变区（hypervariable region, HVR）或互 补决定区（complementarity determining region, CDR），分别用 HVR1(CDR1)、 HVR2(CDR2)和 HVR3(CDR3)表示，一般 CDR3 变化程度更高。VH的 3 个高变区分 别位于 29～31、49～58 和 95～102 位氨基酸， VL的 3 个高变区分别位于 28～35、 49～56 和 91～98 位氨基酸。 VH 和 VL 的 3 个 CDR 共同组成 Ig 的抗原结合部位 （antigen-binding site），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。在V 区中， CDR 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（framework region,FR）。VH或 VL各有 FR1、FR2、FR3 和 FR4 四个骨 架区，分别用FR1、FR2、FR3 和 FR4 表示。

2. 恒定区  重链和轻链的 C 区分别称为 CH和 CL。不同型（λ或κ） Ig 其 CL 的  长度基本一致，但不同类 Ig CH 的长度不一，有的包括 CH1、CH2 和 CH3；有的更  长，包括 CH1、CH2、CH3 和 CH4。同一种属的个体，所产生针对不同抗原的同一  类别 Ig，其 C 区氨基酸组成和排列顺序比较恒定，其免疫原性相同，但 V 区各  异。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γ链，因此抗人 IgG 抗体（第二抗体） 均能与之结合。 再如， 针对同一抗原的人 IgG 和 IgM 抗体， 它们的V 区是相同的， 所以均能与该抗原特异性结合，但 C 区是不同的，分别含γ和μ链。

（三）铰链区

铰链区（hinge region）位于 CH1 与 CH2 之间，含有丰富的脯氨酸，因此易伸 展弯曲，能改变两个结合抗原的 Y 形臂之间的距离，有利于两臂同时结合两个 不同的抗原表位。 铰链区易被木瓜蛋白酶、 胃蛋白酶等水解， 产生不同的水解片 段（见水解片段部分）。五类 Ig 或亚类的铰链区不尽相同，例如人 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。

（四）结构域

Ig 分子的两条重链和两条轻链都可折叠为数个球形结构域（domain），每个 结构域一般具有其相应的功能。轻链有VL和 CL两个结构域；IgG、IgA和 IgD 重 链有 VH、CH1、CH2 和CH3 四个结构域；IgM 和 IgE 重链有五个结构域，比 IgG 多 一个 CH4。这些结构域的功能虽不同，但其结构相似。每个结构域约由 110 个氨 基酸组成， 其氨基酸的序列具有相似性或同源性， 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（anti-parallelβsheet），两个β片中心的两个半胱 氨酸残基由一个链内二硫键垂直连接，可稳定结构域，形成一个“β桶状  (β barrel)”或“β三明治 (β sandwich) ”结构。这种折叠方式称为免疫球 蛋白折叠（immunoglobulin foldin）g。具有这类独特折叠结构的分子不仅有 Ig， 其它许多膜型和分泌型分子也含有该类结构， 因此， 这类分子被统称为免疫球蛋 白超家族（immunoglobulin superfamily，IgSF）。

二、免疫球蛋白的其他成分

Ig 轻链和重链除上述基本结构外，某些类别的 Ig 还含有其他辅助成分，分 别是 J 链和分泌片。

（一）J 链

J 链（joining chain）是一富含半胱氨酸的多肽链（图 4-5），由浆细胞合成， 主要功能是将单体 Ig 分子连接为多聚体。2 个 IgA 单体由J 链相互连接形成二聚 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。

（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， 由黏膜上皮细胞合成和 分泌，以非共价形式结合于 IgA 二聚体上，使其成为分泌型 IgA（SIgA），并一 起被分泌到黏膜表面。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 二聚体从黏膜下通过黏膜等细胞到黏膜表面的转运。

三、免疫球蛋白的水解片段

在一定条件下，免疫球蛋白分子肽链的某些部分易被蛋白酶水解为不同片  段。 木瓜蛋白酶（papain） 和胃蛋白酶（pepsin） 是最常用的两种 Ig 蛋白水解

酶，并可籍此研究 Ig 的结构和功能，分离和纯化特定的 Ig 多肽片段。

（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 条重近 N 端， 可 将 Ig 裂解为两个完全相同的 Fab 段和一个Fc 段（图 4−6）。Fab 段即抗原结合片 段（fragment antigen binding,Fab）,相当于抗体分子的两个臂，由一条完整的轻 链和重链的 VH和 CH1 结构域组成。一个 Fab 片段为单价，可与抗原结合但不形 成凝集反应或沉淀反应；  Fc 段即可结晶片段（fragment crystallizable,Fc），相当 于 IgG 的CH2 和CH3 结构域。Fc 无抗原结合活性，是 Ig 与效应分子或细胞相互 作用的部位。

（二）胃蛋白酶水解片段

胃蛋白酶作用于铰链区二硫键所连接的两条重链的近 C 端，水解 Ig 后可获得一个 F(ab’)2 片段和一些小片段 pFc’ （图 4−6）。F(ab’) 2是由两个 Fab 及铰链区组成，由于 Ig 分子的两个臂仍由二硫键连接，因此F(ab) 片段为双价，可同时结合两个抗原表位，故与抗原结合可发生凝集反应和沉淀反应，而且，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 段免疫原性可能引起的副作用， 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 酶消化后精制提纯的制品，因去掉 Fc 段而降低发生超敏反应。胃蛋白酶水解 Ig 后所产生的 pFc’最终被降解，无生物学作用。

第四节 各类免疫球蛋白的特性与功能

一、IgG

IgG 于出生后 3 个月开始合成，3～5 岁接近成人水平。是血清和胞外液 中含量最高的 Ig，约占血清总Ig 的 75%～80%（表 4-1）。人 IgG 有 4 个亚类，依 其在血清中浓度高低，分别为 IgG1、IgG2、IgG3、IgG4。IgG 半寿期约 20～23 天，是再次免疫应答产生的主要抗体，其亲和力高，在体内分布广泛，具有重要 的免疫效应，是机体抗感染的“主力军”。 IgG1、IgG2、IgG3 可穿过胎盘屏障， 在新生儿抗感染免疫中起重要作用；IgG1、IgG2 和 IgG3 的CH2 能通过经典途径 活化补体，并可与巨噬细胞、 NK 细胞表面 Fc 受体结合，发挥调理作用、 ADCC 作用等；人 IgG1、IgG2 和 IgG4 可通过其 Fc 段与葡萄球菌蛋白 A（SPA）结合， 藉此可纯化抗体， 并用于免疫诊断； 某些自身抗体如抗甲状腺球蛋白抗体、 抗核 抗体，以及引起 II、III 型超敏反应的抗体也属于 IgG。

二、IgM

IgM 占血清免疫球蛋白总量的5%~10％，血清浓度约 1mg/ml。单体 IgM 以 膜结合型(mIgM)表达于 B 细胞表面，构成B 细胞抗原受体（BCR）；分泌型 IgM为五聚体， 是分子量最大的 Ig，沉降系数为 19S，称为巨球蛋白(macroglobulin)， 一般不能通过血管壁，主要存在于血液中。五聚体IgM 含 10 个 Fab 段，具有很 强的抗原结合能力； 含 5 个 Fc 段， 比 IgG 更易激活补体。天然的血型抗体为 IgM， 血型不符的输血，可致严重溶血反应。IgM是个体发育过程中最早合成和分泌的 抗体，在胚胎发育晚期的胎儿即能产生 IgM，故脐带血 IgM 升高提示胎儿有宫内 感染（如风疹病毒或巨细胞病毒等感染） 。IgM 也是初次体液免疫应答中最早出 现的抗体，是机体抗感染的“先头部队”； 血清中检出IgM，提示新近发生感染， 可用于感染的早期诊断。膜表面 IgM 是 B 细胞抗原受体的主要成分。 只表达mIgM 是未成熟 B 细胞的标志。

三、IgA

IgA 分为两型：血清型为单体，主要存在于血清中，仅占血清免疫球蛋白总 量的 10%~15％； 分泌型 IgA(secretory IgA，SIgA)为二聚体，由 J 链连接，含内 皮细胞合成的 SP，经分泌性上皮细胞分泌至外分泌液中（图 4-10）。SIgA 合成 和分泌的部位在肠道、呼吸道、乳腺、唾液腺和泪腺，因此主要存在于胃肠道和 支气管分泌液、初乳、唾液和泪液中。SIgA 是外分泌液中的主要抗体类别，参 与黏膜局部免疫，通过与相应病原微生物（细菌、病毒等）结合，阻止病原体黏 附到细胞表面，从而在局部抗感染中发挥重要作用。SIgA 在黏膜表面也有中和 毒素的作用。 新生儿易患呼吸道、 胃肠道感染可能与 IgA 合成不足有关。 婴儿可 从母亲初乳中获得 SIgA，为一重要的自然被动免疫。

四、IgD

正常人血清 IgD 浓度很低（约 30μg/ml），仅占血清免疫球蛋白总量的0.2％。 IgD 可在个体发育的任何时间产生。5 类 Ig 中，IgD 的铰链区较长，易被蛋白酶 水解，故其半寿期很短（仅 3 天）。IgD 分为两型：血清 IgD 的生物学功能尚不 清楚；  膜结合型 IgD(mIgD)构成 BCR，是 B 细胞分化发育成熟的标志，未成熟 B 细胞仅表达 mIgM， 成熟 B 细胞可同时表达 mIgM 和 mIgD， 称为初始 B 细胞（naiveB  cel）l；活化的 B 细胞或记忆 B 细胞其表面的mIgD 逐渐消失。

五、IgE

IgE 是正常人血清中含量最少的 Ig，血清浓度极低，约为 5×10-5mg/ml。主 要由黏膜下淋巴组织中的浆细胞分泌。 其重要特征为糖含量高达 12％。 IgE 为亲细胞抗体，其 CH2 和 CH3 结构域可与肥大细胞、嗜碱性粒细胞上的高亲和力 FcεRI 结合，引起 I 型超敏反应。此外， IgE 可能与机体抗寄生虫免疫有关。