抗体的结构

检验之星

• 抗体简介
  

抗体是脊椎动物为应对外来入侵蛋白（抗原），保护机体不被伤害而分泌的、在体内进行循环的蛋白质分子，是机体体液免疫的主要参与者。
在机体内抗体只能通过B细胞系的相关细胞产生，其存在形式包括两种：分泌型和膜结合型。据研究，一个体重为70kg的成年人体内每天大约会产生2~3g的抗体，其中多达2/3的成分为IgA（后文会述及）。
抗体又被称为免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig），这是因为，血清蛋白通过物理的溶解度定义，可以被简单的区分为白蛋白（albumin）和球蛋白(globulin)，进一步通过电泳技术对血清蛋白进行精确的分析，发现大部分的抗体蛋白都集中在伽马球蛋白（gamma globulin）所在的条带，因此抗体也被称为免疫球蛋白。



血清蛋白电泳示意图，其中的Gamma globulin对应的条带即为抗体蛋白的条带（网图）

在体内抗体主要通过两个功能实现对病原（pathogen，本文中病原和免疫原以及抗原的意思相同）的清除作用，首先，抗体可以识别并特异性的结合外来病原，这样的结合足以使病原或者毒素失去活性，例如，抗体可以通过特异性结合包被病毒，使病毒失去感染细胞的能力；第二，抗体在体内和病原结合后，还可以通过Fc和FcR信号通路引发后续的一系列免疫反应，介导对入侵外来抗原的清除，这些免疫反应包括补体系统的激活、吞噬系统的激活、ADCC等作用。



抗原抗体的特异性结合示意图

A为抗体的CDR结构和抗原特异性结合的二级结构图；B、C为抗原（鸡卵溶菌酶蛋白）抗体特异性结合三维结构图。C图绿色为蛋白，黄色为VL，蓝色为VH；

• 抗体的Ig结构
  

作为一种功能蛋白，抗体整体由四条多肽链构成，分别为两条结构相同的轻链（L chain）和两条结构相同的重链（H chain），四条链形成典型的“Y”型抗体结构。氨基酸序列比较研究表明，抗体的轻链和重链均由一系列的结构相似的单元结构域重复链接组成，每一个单元结构域内大约含有110个氨基酸残基，被称为Ig结构域。Ig结构域包含两层β折叠，同时在β折叠内部有一个二硫键。抗体的一条轻链包含2个Ig结构域，一条重链包含4~5个Ig结构域。以IgG为例，IgG抗体轻链的两个Ig结构域分别为VL和CL，重链的4个Ig结构域分别为VH、CH1、CH2和CH3。



抗体轻链的Ig结构域示意图

抗体的轻链包含2个Ig结构域，分别为V domain（VL）和C domain（CL）。每个Ig结构域都由两层β折叠（每层包含3~5股的β链）构成，上图的黄、绿、蓝和红色分别代表一层β折叠，可以按照颜色对应β折叠在抗体的位置。下图为轻链β折叠的平面模拟结构图，标示了每股β链的连接顺序。本图中的黑色粗线连接代表两层β折叠之间的二硫键，上图标示了二硫键的空间位置，下图标示了二硫键的水平连接示意。

• 抗体的Fab片段和Fc片段
  

在早期抗体结构研究中，蛋白质水解酶是常用的研究工具。研究发现通过木瓜水解酶（papain）对抗体进行消化后，可以得到三个蛋白质片段，这包含两个抗体的“臂”，它们包含抗体和抗原进行特异性结合的位点，被称为Fab片段，Fab是fragment antigen binding的首字母，Fab片段包括全部的轻链结构和重链的VH和CH1结构域；另外一个蛋白片段能够很快的形成结晶，被称为Fc片段，Fc是fragment crystallizable的首字母，对应的是抗体两条重链的CH2和CH3结构域。在结构上，Fab还需要通过一个蛋白片段和Fc进行连接，这个蛋白片段被称为抗体的hinge结构域；
当用另一种蛋白酶——胃蛋白酶（Pepsin）对抗体进行消化后，抗体的两个结合抗原的“臂”被单独分割为一个蛋白片段（两个臂是相连的），这个片段被称为F(ab)2，剩余的片段被胃蛋白酶分解成若干的小的片段。F(ab)2依旧可以和抗原特异性的结合，是一个二价的抗原结合蛋白片段，但是其不能触发后续的免疫反应。



抗体的Fab片段和Fc片段示意图

A和B图的上部分别为完整抗体的结构示意图，红色标记的为抗体的重链（包含VH、CH1、CH2和CH3），绿色标记的为抗体的轻链（包含VL和CL），每一个“Ω”状的曲线代表一个上文述及的Ig结构域，虚线为模拟的二硫键，本图为绘制的IgG结构。A图下部为木瓜水解酶（papain）消化抗体后的结构示意图，B图下面为胃蛋白酶（Pepsin）对抗体进行消化后形成的蛋白片段。

• 抗体的抗原识别区
  

氨基酸序列研究显示，抗体（以IgG为例）轻链的C末端和重链的C末端约3/4的结构都是高度保守的，被称为保守区域（Constant region）而对应的轻链的N末端和重链的N末端，有着极高的氨基酸序列多样性，被称为可变区（Variant region）；在这些可变区域内分布着相对短的序列，表现出极强的多样性，被称为高频突变区域，这样的序列在轻链和重链的可变区分别有三个，被称为CDR（complementarity determining regions，CDRs)，随后的研究证明这些序列和抗体特异性的识别抗原相关。



抗体轻链的CDR序列示意图

一个抗体轻链的可变区包含三个CDR序列，按照氨基酸的排序分别被称为CDR1、CDR2和CDR3。A图代表抗体轻链可变区的三个CDR序列的多样性统计，横坐标是氨基酸序列号，纵坐标是对应氨基酸序列的多样性的量化（对应重链的可变区也是类似的）；B图代表三个CDR结构在轻链可变区上的三维结构位置，相同的颜色对应着A图中相应的CDR，从B图上可以看出CDR为连接β折叠中β链的loop结构。

• 抗体的亚型
  

在人体内，抗体可以分为IgG、IgM、IgA、IgD和IgE五种亚型，这五种抗体的基本结构类型相似，都是由4条多肽链构成，相互之间主要的差异点是重链（因此本小结也是对抗体Fc片段结构的描写）的结构不同，五种抗体亚型的重链对应的分别为γ、μ、α、δ和ε链。



不同亚型的抗体及多聚体形式示意图

IgG
IgG是人体内最主要的抗体类型，也是目前在功能和结构上，被最为广泛了解的类型。IgG的轻链存在两种形式：kappa (k) 和lambda (λ). 在人体内，kappa (k)的存在要远远多于ambda (λ)。重链也可以分为不同的亚型：γ1, γ2, γ3, 和 γ4, 对应的是IgG的亚亚型，IgG1, IgG2, IgG3, 和IgG4 。在小鼠体内这三种亚型为：IgG1, IgG2a, IgG2b, and IgG3。IgG的亚亚型之间的氨基酸序列非常相似，最大的差异存在于hinge结构，主要是hinge结构的长度，IgG3的hinge是Fc的二倍的长度，在结构上使Fab片段远离Fc片段，IgG2/IgG4的hinge结构较短，在结构上使Fab片段远离Fc片段靠的较近。
通常情况下，一个抗体的两条重链和轻链是相同的两条链，但是IgG4在某些情况下可以和其它的IgG4交换重链，产生杂合抗体；杂合抗体的Fc是相似的，但是Fab不相同，因此严格说抗体的两条轻链和重链并不一定完全相同。
IgM
IgM在体内有两种存在形式，在血清中分布的IgM的为分泌型的五聚体，可以高效的触发补体系统；另外，IgM还在B细胞膜以膜结合型的单体形式存在，是B细胞表面用来识别抗原的主要受体；IgM和IgG结构上最大区别是，IgM的重链有5个Ig结构域，是有一个额外的Ig结构域（CH2）代替了IgG的hinge结构。
IgA
在人体内，IgA存在三种可溶的形式，其中单体和小量的二聚体形式存在在血清中，可以通过Fc结构域触发补体系统。第三种类型为分泌型的IgA，由二聚体IgA和分泌片构成（secretory component，SC）起到保护粘膜系统表面的作用，是粘膜免疫的重要构成成员。IgA有两种亚亚型：IgA1和IgA2，IgA2较 IgA1的hinge结构长，且比较耐受细菌分泌的蛋白酶；另外，IgA是人体中产生数量最多的抗体，一天大约会产生40mg/kg的分泌型IgA,而对应的IgG的产量为30mg/kg。
IgE
IgE是单体的分泌型抗体，在血清中的浓度非常的低。IgE能够和mast细胞的Fc受体结合，可以介导人体的过敏反应，跟许多过敏性疾病的发生相关。
IgD
IgD和IgM类似，为B细胞表面的结合型抗体，跟B细胞的激活和发育相关。



不同抗体亚型的参数表格

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参考文献：
1.Cellular and Molecular Immunology 9th Edition；
2.Roittis essential imuuology 13th edition；
3.Janeway's Immunobiology 9th Edition；

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/330510520