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五类抗体结构相似,为什么分工各不相同

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人体的抗体一共分五类:IgG、IgA、IgM、IgD、IgE。它们都由同一种基本单元搭成,主要差别在分子的尾端。

抗体分子分成两头,一头负责认出敌人,另一头负责决定接下来怎么处理。五类抗体认敌人的方式相同,处理敌人的方式各不相同,而处理方式由尾端的结构决定。

一个抗体由四条链组成

每个抗体的基本单元是四条蛋白链:两条长的叫重链,两条短的叫轻链。两条重链完全相同,两条轻链也完全相同,彼此之间用二硫键连在一起,整体像一个英文字母 Y。

每条链都由一节一节的「结构域」串成,每一节大约 110 到 130 个氨基酸,折叠成一个小球,里面靠一对半胱氨酸形成的二硫键固定形状。轻链有两节,重链有四到五节。这种结构域后来在很多免疫分子里都找得到,统称免疫球蛋白结构域,抗体的名字「免疫球蛋白」也由此而来。

Y 的两条短臂和一根长柄,分工完全不同。 两条臂负责认出抗原

每条臂的最顶端,由重链和轻链各出一节组成,这两节叫可变区。不同抗体之间,可变区的氨基酸序列差别很大,尤其是其中三小段,叫互补决定区。重链三段、轻链三段,六段拼在一起,形成一个小口袋或者一块凹凸不平的表面,正好和某一种抗原的局部形状吻合。

一个抗体的两条臂完全相同,所以它能同时抓住两个相同的抗原,这一点后面讲到 IgM 时会用上。

可变区为什么能有这么多种?B 细胞在发育时,会把重链和轻链的基因片段随机拼接,每个 B 细胞拼出来的组合都不一样。遇到抗原以后,可变区的基因还会继续发生点突变,结合得更牢的 B 细胞被优先保留下来,这叫亲和力成熟。所以同一次感染里,越到后期产生的抗体,抓抗原抓得越牢。

把抗体用木瓜蛋白酶切开,正好切在两条臂和长柄之间,得到两段能结合抗原的片段,叫 Fab,和一段不能结合抗原的长柄,叫 Fc。这个实验直观地说明,抗体是两头分工的分子。

长柄决定抗体去哪里、找谁帮忙

Fc 段由重链的恒定区组成。可变区抓住抗原以后,抗体自己并不能杀死细菌或者中和病毒的全部危害,后续的清除要靠别的细胞和分子。Fc 段的作用,是让这些细胞和分子认出这个抗体。

具体有三种方式:

  • 结合补体,在细菌表面打孔或者给细菌贴上「待吞噬」的标记;

  • 结合各种细胞表面的 Fc 受体,让巨噬细胞、中性粒细胞来吞噬,或者让肥大细胞释放组胺;

  • 结合专门的转运受体,把抗体运过胎盘或者送到黏膜表面。

五类抗体的区别,就在于重链恒定区的种类不同:IgG、IgA、IgM、IgD、IgE 分别用 γ、α、μ、δ、ε 五种恒定区。恒定区不同,Fc 段能结合的帮手和能去的地方就不同。可变区决定抓谁,恒定区决定抓住以后怎么办,这是理解五类抗体最重要的一条线索。


同一个 B 细胞,可以换恒定区不换可变区

一个 B 细胞刚被激活时,产生的是 IgM。在辅助性 T 细胞的信号推动下,B 细胞可以把重链基因里原来接在可变区后面的 μ 恒定区切掉,换上 γ、α 或 ε 恒定区,这叫类别转换。

类别转换只换恒定区,可变区原封不动,所以换完以后抗体认的还是同一个抗原,只是 Fc 段能找的帮手和能去的地方变了。对付同一个病原体,身体可以先用 IgM 应急,再派 IgG 进血液和组织,派 IgA 守黏膜,三类抗体认的都是同一个抗原。


五类抗体,各管一摊 ### IgM:最早出现的五聚体

IgM 在血液里以五聚体存在,五个 Y 形单元的尾巴朝中心连成一个星形,中间由一条叫 J 链的小蛋白帮助组装。它的重链比 IgG 多一节恒定区。

五个单元一共有十条臂。单个结合位点抓得不一定牢,十个位点同时抓住细菌表面重复排列的抗原,整体就很难脱落。初次感染时,B 细胞还没来得及经过亲和力成熟,靠 IgM 的数量弥补单个位点的不足,这正好解释了它为什么出现得最早。

IgM 激活补体的能力在五类里最强。补体系统的第一个分子 C1q 需要同时结合两个以上相邻的 Fc 段才能启动,IgM 一个分子就有五个 Fc 段挨在一起,一抓住细菌表面就满足了条件。临床上查到某种病原体的 IgM 抗体阳性,往往提示是近期感染,原因也在这里。

### IgG:血液里最多、待得最久

IgG 是单体,占血清抗体的约 75%。它是类别转换和亲和力成熟之后的主力,抓抗原比 IgM 牢。

IgG 有两个独有的本事,都来自同一个受体 FcRn。血管内皮细胞会不停地把血浆吞进细胞内的小泡里,小泡里的内容大多送去降解。小泡内是酸性环境,IgG 的 Fc 段在酸性条件下能和 FcRn 结合,被送回细胞表面,回到中性的血液里再释放出来,躲过了降解。这就是 IgG 在五类抗体里半衰期最长的原因。

胎盘上也有 FcRn,母亲的 IgG 借它进入胎儿体内。五类抗体里只有 IgG 能通过胎盘,所以新生儿出生后头几个月,靠的是从母亲那里带来的 IgG。

IgG 还分 IgG1 到 IgG4 四个亚类,作用各有差别,比如 IgG4 基本不激活补体。很多单克隆抗体药物用的是 IgG 骨架,在体内维持时间长是原因之一。

### IgA:守在黏膜表面

IgA 在血清里约占 15%,大多是单体;它的主战场在肠道、呼吸道、泪液、唾液和乳汁里。分泌到黏膜表面的 IgA 是二聚体,两个单元尾对尾,由 J 链连接。

黏膜上皮细胞底面有一种受体,专门认 J 链连起来的多聚抗体。它把 IgA 二聚体从组织一侧吞进细胞,运到朝向肠腔的一侧再释放,释放时受体的一部分留在 IgA 上,叫分泌片。分泌片用二硫键连在 IgA 上,包住分子,让它在充满消化酶的肠腔里不容易被分解。

IgA 激活补体的能力很弱。这对黏膜反而合适:肠道表面每天接触大量食物和细菌,如果抗体一结合就引发炎症,黏膜会一直处于损伤中。IgA 的做法是把病原体和毒素裹住、挡在上皮外面,不让它们附着,再随黏液排出。母亲的初乳里,IgA 可以占到蛋白质的一半,婴儿吃奶就能得到这层黏膜保护。

### IgE:量最少,反应很快

IgE 在血清里不到 0.01%,半衰期也是五类里最短的。可是它的 Fc 段能以极高的亲和力结合肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的受体,相当一部分 IgE 挂在这些细胞上,不在血液里游离。

挂在肥大细胞上的 IgE 相当于一个个待命的探头。同一种抗原再次进入,同时搭上两个相邻的 IgE,把受体拉到一起,肥大细胞马上释放组胺等物质,几分钟内就出现血管扩张、渗出、平滑肌收缩。这套反应原本用来对付寄生虫,遇到花粉、尘螨、某些食物和药物时被错误启动,就成了过敏,严重时是过敏性休克。查过敏原时测的特异性 IgE,测的就是这类抗体。

### IgD:主要待在 B 细胞表面

IgD 在血清里不到 0.5%,半衰期也短。它和 IgM 一起出现在成熟但还没遇到抗原的 B 细胞表面,作为 B 细胞识别抗原的受体。研究者推测它在 B 细胞发育的某些阶段参与调节细胞的去向;血液中游离 IgD 起什么作用,目前还没有完全搞清楚。


把五类抗体的分工连起来

五类抗体在血清里的含量相差上千倍,作用并不按含量排序。血里最少的 IgE,引起的过敏反应可能最快、最猛;占比约 15% 的 IgA,真正的工作量大多在血液以外的黏膜上。只用血清含量来判断一类抗体重不重要,难免以偏概全。

五类抗体的要点可以对照下表:


医学生学这一章,容易把五类抗体的特点当成五张卡片分别背。顺着结构往下推,记忆会轻松很多:

  • 五类共用同一种「两重两轻」的 Y 形结构,可变区负责认抗原,这一点五类相同;

  • 恒定区决定 Fc 段能结合什么,进而决定能不能激活补体、能不能结合哪种细胞、能不能被运过胎盘或上皮;

  • 多聚化改变的是结合的牢固程度和补体激活能力,IgM 五聚、IgA 二聚都由此而来;

  • 类别转换让同一个可变区换上不同的恒定区,所以身体针对同一个抗原,可以在不同时间、不同部位派出不同类别的抗体。

掌握了这条主线,五类抗体的特点基本都能自己推出来,不至于知其然不知其所以然。


参考来源

· Schroeder HW Jr, Cavacini L. J Allergy Clin Immunol 2010 (Structure and function of immunoglobulins)

· Janeway CA Jr, et al. Immunobiology. 5th ed. Garland Science 2001 (NCBI Bookshelf)

AI 辅助整理,作者审核;内容仅供参考,具体诊疗请遵医嘱。

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