Imunoglobulinai (Ig) – glikoproteinų molekulės, atliekančios antikūnų funkcijas (↑ Antikūnai.). Tai – pagrindiniai imuninės sistemos baltymai. Imunoglobulinai sudaro apie 20 % kraujo plazmos baltymų. Tačiau jų yra ir nekraujagysliniame skystyje, gleivinių sekretuose, kai kurių limfocitų membranose. Imunoglobulinus sintetina ir išskiria plazminės ląstelės, kurios susidaro iš B limfocitų, jiems vešant ir atsiskiriant po skatinimo antigenu. Imuninio atsako metu antikūnai gali būti sintetinami limfmazgiuose, blužnyje, gleivinių imuninėje sistemoje, kaulų čiulpuose. Imunoglobulinai yra dviejų būsenų: vieni yra įterpti į B limfocitų membraną, o kiti yra tirpūs ir cirkuliuoja organizmo skysčiuose. Žmogaus imunoglobulinai pagal molekulės struktūrą skirstomi į: IgG, IgM, IgA, IgD ir IgE klases arba izotipus.

Imunoglobulinų molekulės struktūrinis vienetas yra Y formos monomeras, sudarytas iš keturių polipeptidinių grandinių, dviejų tapačių sunkiųjų grandinių ir dviejų tapačių lengvųjų grandinių, sujungtų tarpusavyje disulfidiniais ryšiais; be to, visos grandinės skiriasi prijungtų oligosacharidų kiekiu.

Skiriamos penkios imunoglobulinų klasės: IgA, IgD, IgE, IgG ir IgM. Atsižvelgiant į besiskiriančią klasėse sunkiųjų grandinių pirminę struktūrą, grandinės žymimos α, δ, ε, γ ir µ; yra du tipai lengvųjų grandinių: κ ir λ. Funkciškai galima skirti dvi imunoglobulinų molekulės dalis: atpažįstančiąją (sujungiančią antigeną) ir efektorinę. Antigeną atpažįsta ir sujungia Fab fragmentai. Antikūnų prisijungimas prie antigenų – svarbi imuninės apsaugos dalis. Taip gali būti neutralizuojami toksinai, užblokuojami, pvz., tie virusų paviršiaus antigenai, kurių reikia virusui patekti į ląstelę.

Imunoglobulinų struktūra ir tipai.

Visi imunoglobulinai yra glikoproteinai. Tai yra sudėtingieji baltymai, sudaryti iš baltyminės ir angliavandeninės dalies. Apskaičiuota, kad žmogaus organizme galima sintetinti apie 1×10⁹ skirtingų antikūnų. Tačiau daugelis antikūnų iš esmės turi panašią struktūrą.

Visos imunoglobulinų molekulės sudarytos iš dviejų vienodų lengvųjų – L (angl. light) grandinių, kurių santykinė molekulinė masė yra 23 000, ir dviejų vienodų sunkiųjų H (angl. heavy) grandinių, kurių santykinė molekulinė masė – 53 000-75 000. Šios grandinės, sujungtos tarpusavyje disulfidiniais tilteliais, sudaro tetramerą L₂H₂. Jo struktūra yra panaši į Y raidę. Visų keturių molekulės grandinių N-galai yra viršuje, o sunkiųjų grandinių C-galai – apačioje.

Lengvosios grandinės sudarytos iš dviejų dalių: kintamosios srities (angl. variabile, žymima V_L) ir pastoviosios srities (angl. constant, žymima C_L). Kiekviena šių sričių sudarytos iš apie 110 aminorūgščių liekanų. Sunkiosios grandinės sudarytos iš kintamosios srities (V_H), esančios N-gale, ir trijų pastoviųjų sričių (C_H1, C_H2, C_H3). Kiekviena šių sričių taip pat sudarytos iš apie 110 aminorūgščių liekanų. Dvi sunkiosios grandinės yra tarpusavyje kovalentiškai sujungtos dviem disulfidiniais tilteliais. Be to, tiek kintamosiose, tiek pastoviosiose srityse yra disulfidinių tiltelių tarp tų pačių polipeptidinių grandinių tam tikrų vietų.

Kiekviena antikūnų antigeną jungianti vieta sudaryta iš aminorūgščių liekanų, esančių lengvųjų ir sunkiųjų grandinių N-galo kintamosiose srityse, t. y. V_H ir V_L domenuose. Šie domenai turi antrinę ir tretinę struktūrą ir suformuoja globulinius darinius, kurie veiksmingiausiai sąveikauja su savitaisiais antigenais.

Skaidant imunoglobulino molekulę per lanksto sritį (molekulės sritis išsidėsčiusi tarp C_H1 ir C_H2) papainu (augalinė proteazė) in vitro, susidaro du antigeną prisijungiantys fragmentai F_ab (angl. antigen binding fragment) ir vienas gebantis kristalizuotis fragmentas F_c (angl. crytallizable fragment), gaunamas kristalų pavidalu.

Humoralinės sistemos antikūnai pažymi ir imobilizuoja antigeną F_ab fragmentu. Sunkiųjų grandinių pastoviosios sritys gali jungtis su komplemento sistema (baltymų sistema, kurią aktyvina antikūno-antigeno kompleksas) ir su įvairiais makrofagų bei limfocitų membranose esančiais F_c-receptoriais. F_c fragmentas per C3b faktorių dar gali aktyvinti komplemento sistemą ir sukelti uždegimo mediatorių išsiskyrimą, imobilizuoti pažymėtus virusus ir tirpdyti bakterijų sienelę.

Žmogaus organizme yra penki pagrindiniai antikūnų izotipai, kurie nustatomi, remiantis sunkiosiomis grandinėmis. Kiekvienas antikūnas gali turėti tik kappa (κ) arba lambda (λ) lengvąsias grandines, bet niekada abiejų kartu. Tam tikrų izotipų imunoglobulinų keturių grandinių monomerai (subvienetai) gali sudaryti oligomerus, sudarytus iš dviejų, trijų monomerų, pvz., IgA, arba net iš penkių monomerų, pvz., IgM. Monomerus į oligomerus jungia jungiamoji grandinė (J), kurios santykinė molekulinė masė yra 15 000. Tai yra nepriklausomas baltymas, jo nereikia painioti su jungiamąja sritimi, kuri jungia sunkiąsias ir lengvąsias grandines imunoglobulinuose.

Pirmiausia antigenas specifiškai aktyvina B-limfocitus per IgM ir IgD receptorius membranoje, veikiant išsiskyrusiems limfokinams ir monokinams. Ši specifinio humoralinio imuninio atsako reakcija vyksta kaip greitoji imuninė reakcija. IgD ekspresija baigiasi galutiniu B-limfocitų diferenciacijos etapu ir jų funkcija nėra žinoma. Aktyvinti B-limfocitai dažniausiai virsta plazmocitais, kurie gamina pirminius antikūnus -IgM. Sunkiosios ir lengvosios grandinės sintetinamos kaip tam tikros molekulės, o po to plazmocituose iš jų susidaro subrendę imunoglobulinai. IgM gali virsti kitais imunoglobulinų izotipais, šie pokyčiai susiję su kitos klasės sunkiųjų, bet ne lengvųjų grandinių pokyčiu. Sunkiosios grandinės kintamosios srities struktūra ir antikūno specifiškumas nekinta, keičiantis izotipui. IgM virsmas IgA, IgG arba IgE yra susijęs su genetiniu DNR persitvarkymu. IgD susidaro pasirinktinio heterogeninės branduolio RNR splaisingo metu. IgG pasirodo kraujo serume tik po to, kai atsiranda IgM. IgG yra gausiausias antikūnų izotipas, jam priklauso apie 80% kraujyje esančių imunoglobulinų.

Informacija apie antikūnų sintezę yra koduojama keliuose genuose, kurie yra pertvarkomi ir rekombinuojami, kintant B-limfocitams. Pasirinktinis splaisingas padeda sintetinti gausybę tirpių ir sujungtų su membranomis imunoglobulinų. Genų, koduojančių sunkiąsias ir lengvąsias grandines, yra trijose skirtingose chromosomose, o genas, koduojantis jungiamąją polipeptidinę grandinę, kuri jungia monomerus, yra užkoduotas ketvirtoje chromosomoje. Jungiamosios grandinės genas nėra pertvarkomas ar rekombinuojamas.

Imunoglobulinų struktūros pavyzdys.

Visiems imunoglobulinams būdingas bendra struktūrinė schema, kaip pavyzdį išnagrinėsime IgG struktūrą.

IgG molekulę sudaro keturios polipeptidinės grandinės: dvi identiškos lengvosios (L), turinčios apie 220 aminorūgščių liekanų, ir dvi sunkiosios (H), kurių kiekviena susideda iš 440 aminorūgščių.  Visos 4 grandinės yra sujungtos viena su kita daugybe nekovalentinių ir keturių disulfidinių ryšių.  Todėl IgG molekulė priskiriama monomerams.

IgG lengvosios grandinės susideda iš 2 domenų: kintamo (V_L), esančio polipeptidinės grandinės N-galinėje srityje, ir pastoviosios (C_L), esančios C-gale.  Kiekvienas domenas susideda iš 2 sluoksnių su β-formos struktūra, kur polipeptidinės grandinės atkarpos yra antilygiagrečiai.  β-Sluoksniai yra kovalentiškai sujungti disulfidine jungtimi maždaug domeno viduryje (žr. 1 pav.)

Sunkiosios IgG grandinės turi 4 domenus: vieną kintamąjį (V_H), esantį N-gale, ir tris pastovius domenus (C_H1, C_H2, C_H3).  IgG sunkiųjų grandinių domenai turi homologinę struktūrą su lengvųjų grandinių domenais. Tarp dviejų pastovių sunkiųjų grandinių C_H1 ir C_H2 domenų yra sritis, kurioje yra daug prolino liekanų, kurios neleidžia susidaryti antrinei struktūrai ir kaimyninių H-grandinių sąveikai šiame segmente.  Ši vieta vadinama lanksto sritis; ji suteikia molekulei lankstumo.

Tarp sunkiųjų ir lengvųjų grandinių kintamų domenų yra dvi identiškos sritys, jungiančios du identiškus specifinius antigenus.  Antigeno prisijungime prie antikūno dalyvauja ne visa abiejų grandinių kintamų domenų aminorūgščių seka, o tik 20-30 aminorūgščių, esančių kiekvienos grandinės hiperkintamuose regionuose.  Būtent šios sritys lemia unikalų kiekvieno antikūno klono gebėjimą sąveikauti su atitinkamu (komplementariu) antigenu.

Pagrindinės antikūnų funkcijos yra svetimų antigenų, esančių organizme už jo ląstelių ribų (kraujyje, limfoje, tarpląsteliniame skystyje ir gleivinėse išskyrose), aptikimas ir surišimas.  Tai vyksta padedant skirtingų imunoglobulinų klonų antigenus rišančias specifinių dalių.  Be to, antigeno prisijungimo prie antikūno dėka,  tolimesnis svetimų medžiagų naikinimo procesas tampa lengviau atliekamas.  Antigeno-antikūno komplekso sunaikinimo būdo specifiškumas priklauso nuo antikūnų klasės.

Kaip jau minėta, išskiriamos 5 imunoglobulinų klasėsn: А, D, E,G ir М. Sunkiųjų grandinių struktūrinės savybės suteikia jų „lanksčiosioms sritims“ ir C-galinėms sritims kiekvienai klasei būdingą konformaciją.  Antigeno surišimas su antikūnu keičia sunkiųjų grandinių pastovių domenų konformaciją, kuri lemia komplekso sunaikinimo organizme kelią (susirišimas su komplemento sistemos baltymais arba komplekso prarijimas fagocitinėmis ląstelėmis).

Imunoglobulinų klasės.

IgM – M klasės  imunoglobulinai.

Jie yra sudaryti iš penkių porų identiškų kapa (κ) arba lambda (λ) lengvųjų grandinių ir penkių porų sunkiųjų grandinių (μ), kurios tarpusavyje sujungtos disulfidinėmis jungtimis. Sunkioji grandinė sudaryta iš vieno kaičiojo ir 4 pastoviųjų domenų (C_H1, С_H2, С_H3 iг С_H4). Sunkiąsias grandines tarpusavyje sujungia jungiančioji J-grandinė. IgM turi iki 14 % angliavandenių o bendra molekulės masė yra didesnė nei 900 kDa. Kraujo plazmoje IgM cirkuliuoja daugiausia pentamero pavidalu (tik nežymi dalis – monomeras), ląstelių membraninis IgM yra monomeras.

Imunoglobulinai M – pirmoji antikūnų klasė, sintezuojama besivystančiose B limfocituose.  Yra 2 imunoglobulinų M formos: monomerinė, su membrana surišta (membraninė) forma ir pentamerinė forma, kurią į kraują išskiria B-limfocitai.

Membraniškai surišta imunoglobulinų M forma. Bręstantys B-limfocitai sintezuoja monomerines dvivalentes IgM molekules, savo struktūra panašias į aukščiau aptartą IgG, kurios įterpiamos į ląstelių plazminę membraną ir atlieka pirmųjų antigeną atpažįstančių receptorių vaidmenį.  IgM prijungimas prie membranos vyksta per hidrofobinę sritį, esančią sunkiųjų grandinių C-galinėje („uodegos”) srityje, kurioje yra 25 hidrofobinės aminorūgščių liekanos.

Antigeno sąveika su receptoriumi B-limfocito paviršiuje sukelia jo dauginimąsi ir viso limfocitų klono susidarymą, kilusių iš vienos ląstelės, kurią stimuliuoja antigenas.  Šis B-limfocitų klonas gamins imunoglobulinus su tomis pačiomis antigeną surišančiomis vietomis. Tačiau, B-limfocitai gali persijungti prie kitų klasių antikūnų gamybos.

Pentamerinė imunoglobulinų M forma. Kai B-limfocitai pirmą kartą aptinka kūno skysčiuose anksčiau nežinomą antigeną, jie sintetina ir išskiria į kraują IgM, kuriame yra penki monomeriniai subvienetai, sujungti vienas su kitu disulfidiniais ryšiais, ir papildoma polipeptidine J-grandine (žr. 2 pav.).

Jų monomerų sunkiosiose grandinėse nėra hidrofobinės „uodegos“ dalies.  Pentamerinėje molekulėje yra 10 antigeno surišimo vietų, o tai palengvina anksčiau nežinomo antigeno prijungimo galimybę prie imunoglobulino (žr. 3 pav.).

Antigeno sąveika su IgM keičia jo konformaciją ir sukelia jo „uodegos“ srities prisijungimą prie pirmojo komplemento sistemos komponento.  Jei antigenas yra mikroorganizmo paviršiuje, komplemento sistemos aktyvinimas sukelia ląstelės membranos vientisumo sutrikdymą ir bakterinės ląstelės mirtį.

Taigi, IgM pagrinde yra pentameras, svarbus pirminio imuninio atsako formavimuisi (pirmieji antikūnai, kurie gaminasi B-limfocituose po pirmojo sąlyčio su sukėlėju, kaip atsakas infekcijai). IgM padidėjimas rodo, kad yra virusinė infekcija arba prasidėjo pradinis atsakas bakterijoms ir parazitinėms infekcijoms. IgM negali pereiti placentos ir apsaugoti vaisiaus nuo infekcijos.

IgG – G klasės imunoglobulinai.

IgG yra dvejopi, daugiausia randama kraujo plazmoje. Jie turi dvi identiškas gama (γ) sunkiąsias (H) ir dvi identiškas kapa (κ) arba lambda (λ) lengvąsias (L) polipeptidines grandines. Lengvoji grandinė sudaryta iš kaičiojo (V_L) ir pastoviojo (C_L) domeno, o sunkioji – iš vieno kaičiojo (V_H) ir trijų pastoviųjų (C_H1, C_H2, C_H3) domenų.

Žmogaus IgG turi 4 poklasius: IgG1, IgG2, IgG3 ir IgG4, kurie skiriasi disulfidinių jungčių skaičiumi, jų išsidėstymu ir aminorūgščių kiekiu lanksto srityje. G poklasių sunkiosios grandinės žymimos atitinkamai: γ1, γ2, γ3 ir γ4. IgG monomerai sudaryti iš 2 sunkiųjų ir 2 lengvųjų grandinių (H₂, L₂), esantys B-limfocitų paviršiuje, atlieka receptorių funkcijas. IgG poklasių numeris nurodo kiekybinį kiekvieno poklasio kiekį serume (didžiausiame kiekyje yra IgG1, o mažiausiame – IgG4).  Šių poklasių homologijos laipsnis yra labai didelis (apie 90-95%).

Kiekybiškai IgG dominuoja kraujyje ir sudaro apie 75% viso šių (imunoglobulinų) baltymų kiekio.  IgG struktūra išsamiai aprašyta aukščiau.  Kraujyje IgG randamas tik monomerinės formos;  jį dideliais kiekiais išskiria aktyvuoti B-limfocitai antrinio imuninio atsako metu, kai antigenas vėl patenka į organizmą.

IgG ne tik efektyviai suriša ir inaktyvuoja svetimas molekules bei ląsteles, kurios patenka į organizmą, bet ir palengvina tolesnį jų naikinimą.  Konformaciniai pokyčiai IgG „uodegos“ srityje po jo sąveikos su antigenu lemia surišimą ir komplemento sistemos baltymų aktyvavimą.  Be to, IgG C-galinė sritis gali sąveikauti su specifiniais makrofagų ir neutrofilų receptoriais, o tai sukelia antigeno-antikūnų kompleksų fagocitozę ir jų sunaikinimą fagosomose (žr. 4 pav.).

IgG yra vienintelė antikūnų klasė, galinti prasiskverbti pro placentos barjerą ir užtikrinti vaisiaus apsaugą nuo infekcijų. Vaikui gimus keletą mėnesių IgG kiekis būna žemas, krinta (padidėja pūlinių infekcijų pavojus), vėliau kiekis didėja ir apie antrus gyvenimo metus pasiekia normalų lygį. IgG labai svarbūs ilgalaikei gynybai nuo infekcijos ir toksinų neutralizacijai.  IgG kiekis pakyla kaip atsakas į lėtinę infekciją, o IgG stoka yra susijusi su pasikartojančiomis pūlinėmis infekcijomis, limfinės sistemos navikais, baltymų deficitu.

IgA – A klasės imunoglobulinai.

IgA – pagrindinis imunoglobulinas, randamas išoriniuose sekretuose: piene, seilėse, ašarose, bronchų, šlapimo ir lytinių takų bei virškinimo sistemos gleivėse. Serume IgA sudaro 10-15% visų kraujo serumo imunoglobulinų. Serumo IgA yra monomeras, sudarytas iš dviejų identiškų alfa (α) sunkiųjų ir dviejų identiškų kapa (κ) arba lambda (λ) lengvųjų grandinių. Molekulinė masė 160 kDa. Gyvavimo pusperiodis – 6 dienos.

IgA esantis sekretuose vadinamas sekreciniu. Jis gali būti dimeras, trimeras ir kartais tetrameras. Sekrecinio IgA dimerą sudaro du monomerai, kuriuos jungia polipeptidinė J (jungiančioji) grandinė. (žr. 5 pav.) J-grandinė yra glikoproteinas, kurios molekulinė masė yra 15 kDa. Ji prisijungia prie IgA molekulinės Ca3 domeno polimerizacijos metu plazminėse ląstelėse. Sekrecinis IgA turi sekrecinį komponentą – polipeptidą, kurio molekulinė masė 95 kDa. Polipeptidas jungiasi su α grandinės Fc fragmentu.

Sekrecinį komponentą sintetina virškinimo ir kvėpavimo trakto epitelio ląstelės, jis lemia IgA polimerų pernešimą iš sintezės vietos į sekretus, esančius gleivinės paviršiuje ir juos apsaugo nuo sekretuose esančių proteolizinių fermentų. (žr. 6 pav.) IgA sąveikos su antigenu metu susidaręs kompleksas nesąveikauja su komplemento sistemos baltymais ir fagocitinėmis ląstelėmis, tačiau neleidžia antigenams prisitvirtinti prie epitelio ląstelių paviršiaus ir jiems prasiskverbti į organizmą.

Sekrecinis IgA skirstomas į du poklasius: IgA1 ir IgA2. Pagrindiniai jų skirtumai yra molekulės lanksto srityje. Serume vyrauja IgA1, o išoriniuose sekretuose – IgA2. Žinomi du IgA2 alotipai: IgA2m (1) ir IgA2m (2). IgA rišasi su makrofagų, neutrofilų ir eozinofilų bendru FcaR (CD89) receptoriumi bei su poli-Ig receptoriumi epitelinių ląstelių membranoje.

IgA dalyvauja virusų ir toksinų neutralizacijoje. IgA apsaugo odą ir gleivines, ypač virškinamojo trakto, kvėpavimo, lyties, šlapimo takų, nuo išorinių patogeninių veiksnių bei suriša toksinus. IgA vaidmuo serume iki galo neišaiškintas, manoma, kad svarbus virusų inaktyvacijai. IgA kiekis didėja sergant lėtinėms kepenų, reumatinėms ligoms, lėtinėms kvėpavimo takų ir virškinamojo trakto infekcijoms. Žmonės linkę sirgti limfoma, reumatinėmis ligomis dažnai turi labai nedidelį IgA.

IgA nepereina placentos barjero, todėl naujagimių serume jo koncentracija labai maža. Motinos piene esantys IgA apsaugo naujagimius.

 IgE – E klasės imunoglobulinai.

IgE sudaro mažiau nei 1 % visų kraujo serumo imunoglobulinų. IgE dominuoja kaip monomeras, sudarytas iš dviejų identiškų epsilon (ε) sunkiųjų ir dviejų identiškų kapa (κ) arba lambda (λ) lengvųjų grandinių. Molekulinė masė 188 kDa. Gyvavimo pusperiodis yra 2-5 dienos. IgE sintetina gleivinių plazminės ląstelės bei limfinių organų ląstelės alergeno patekimo vietoje, IgE gali jungtis su receptoriais. Savo Fc fragmentu fiksuojasi ant bazofilų ir putliųjų ląstelių, o Fab fragmentu jungiasi su antigenu. Dėl to jie tampa antigeno receptoriais šių ląstelių paviršiuje (žr. 7 pav.).

Putliosios ląstelės turi labai giminingą Fc receptorių, kuris tarpininkauja putliųjų ląstelių degranuliacijoje, skatina ūmų uždegimą. Antigenui prisitvirtinus bent prie dviejų gretimų IgE antigeną surišančių vietų, ląstelė gauna signalą išskirti biologiškai aktyvias medžiagas (serotoniną, histaminą), saugomus sekrecinėse pūslelėse.  Šių medžiagų išsiskyrimas daugiausia lemia uždegiminio atsako vystymąsi, taip pat alergines reakcijas, tokias kaip bronchinė astma, dilgėlinė ir šienligė. IgE padaugėja parazitinių infekcijų metu bei vykstant alerginėms reakcijoms. IgE in vitro sąlygomis neprecipituoja antigenų, neatsparūs karščiui.

IgD – D klasės imunoglobulinai.

IgD sudaro tik 0,2-1 % visų kraujo serumo imunoglobulinų. Nedaug jų randama nosies sekretuose ir piene. B limfocitų paviršiuje randamas membraninis imunoglobulinas mIgD. IgD yra monomeras, kurį sudaro dvi identiškos delta (δ) sunkiosios ir dvi identiškos kapa (κ) arba lambda (λ) lengvosios grandinės. IgD molekulinė masė 185 kDa. Gyvavimo pusperiodis yra 2-3 dienos. mIgD kartu su IgM sintetina subrendę B-limfocitai, ir jie sudaro svarbiausią limfocitų membranos receptorių, kurio pagrindinė funkcija yra sąveika su antigenu.