przeciwciała

Przeciwciała, immunoglobuliny — ciała odpornościowe – wyspecjalizowane białka należące do grupy globulin, wykazujące zdolność do swoistego wiązania antygenów, produkowane przez limfocyty B i komórki plazmatyczne (plazmocyty) w szpiku kostnym, śledzionie oraz węzłach chłonnych. Przeciwciała występują w organizmie w postaci wolnej (np. przeciwciała krążące we krwi i płynach tkankowych, przeciwciała na powierzchni błon śluzowych) bądź związanej (jako receptory powierzchniowe limfocytów B). Przeciwciała stanowią istotną część układu odpornościowego; ich głównym zadaniem jest obrona organizmu przed drobnoustrojami chorobotwórczymi (np. wirusami, bakteriami) i toksynami. Są powszechnie wykorzystywane w diagnostyce laboratoryjnej (np. testy ELISA i western blot; immunohistochemia), terapii chorób nowotworowych i autoimmunologicznych (np. przeciwciała monoklonalne).

Produkcja przeciwciał

Przeciwciała (Ab, ang. antibodies), zwane również immunoglobulinami (Ig) bądź ciałami odpornościowymi, są substancjami wytwarzanymi pod wpływem kontaktu z antygenami przez limfocyty B i komórki plazmatyczne (tzw. plazmocyty) w szpiku, śledzionie i węzłach chłonnych. Przeciwciała mogą występować w organizmie w postaci wolnej (jako wolne białka krążące w osoczu krwi i innych płynach ustrojowych (np. płynach tkankowych, łzach, mleku matki) bądź postaci związanej (jako receptory antygenów na powierzchni limfocytów B).

Proces wydzielania przeciwciał przez pobudzone limfocyty B (czyli komórki plazmatyczne), będący cechą humoralnej odpowiedzi immunologicznej, obejmuje następujące etapy:

1. Wiązanie się receptora limfocytu B (BCR, ang. B-cell receptor) do fragmentu antygenu w kompleksie z cząsteczkami głównego układu zgodności tkankowej klasy II (MHC II, ang. major histocompatibility complex II) na powierzchni komórki prezentującej antygen (APC, ang. antigen-presenting cell) (np. makrofaga).
2. Aktywacja limfocytów pomocniczych T (Th, ang. T-helper) posiadających receptory swoiste dla prezentowanego kompleksu antygen-MHC II za pośrednictwem cytokin wydzielanych przez komórkę prezentującą antygen (makrofaga) (np. interleukiny 1).
3. Przyłączanie się aktywowanych limfocytów pomocniczych T (Th) do kompleksu antygen-MHC II prezentowanego na powierzchni makrofaga i wydzielanie przez te komórki cytokin aktywujących limfocyty B (np. interleukiny 6).
4. Proliferacja (namnażanie) i różnicowanie aktywowanych limfocytów B w komórki pamięci limfocytów B i efektorowe komórki plazmatyczne (plazmocyty) wydzielające przeciwciała swoiste dla antygenu, który zapoczątkował odpowiedź immunologiczną.

Komórki plazmatyczne w odpowiedzi na obce antygeny (np. białka wirusowe, polisacharydy bakteryjne, toksyny) wydzielają w ciągu swego życia (4-5 dni) kilkaset milionów przeciwciał rozpoznających identyczne lub różne epitopy (determinanty antygenowe) na powierzchni tych antygenów. Komórki pamięci warunkują natomiast szybszą i efektywniejszą odpowiedź immunologiczną przy ponownym kontakcie z tym samym antygenem. Odporność humoralna z udziałem przeciwciał charakteryzuje się więc swoistością i pamięcią immunologiczną.

Humoralna odpowiedź immunologiczna. Autor: Designua/shutterstock.com

Struktura i właściwości przeciwciał

Przeciwciała (immunoglobuliny) są białkami globularnymi (kulistymi) zaliczanymi do grupy globulin, o budowie chemicznej dopasowanej do budowy chemicznej rozpoznawanych przez nie antygenów jak „klucz do zamka”. Przeciwciała są stosunkowo dużymi i ciężkimi białkami prostymi osiągającymi wielkość ok. 10 nm oraz masę cząsteczkową 150-970 kDa. Pojedyncza przeciwciało (monomer) zbudowane jest z połączonych ze sobą łańcuchów polipeptydowych tworzących charakterystyczną strukturę cząsteczki przypominającą kształtem literę „Y”.

Cząsteczkę przeciwciała tworzą cztery łańcuchy polipeptydowe powiązane ze sobą za pośrednictwem mostków disiarczkowych (–S–S–):

• dwa łańcuchy ciężkie (H, ang. heavy) – łańcuchy identyczne pod względem sekwencji aminokwasowej, zbudowane z ok. 420 aminokwasów, zawierające kilka (3-4) domen stałych (CH, ang. constant) (CH1-CH4) i pojedynczą (N-końcową) domenę zmienną (VH, ang. variable), stabilizowane dodatkowo na wysokości regionu zawiasowego przez mostki disiarczkowe i oddziaływania niekowalencyjne;
• dwa łańcuchy lekkie (L, ang. light) – łańcuchy identyczne pod względem sekwencji aminokwasowej, zbudowane z ok. 220 aminokwasów, zawierające pojedynczą domenę stałą (CL) i pojedynczą (N-końcową) domenę zmienną (VL).

Łańcuchy polipeptydowe współtworzą Y-kształtną strukturę cząsteczki (LH–HL) z łańcuchami ciężkimi (H) rozciągającymi się od podstawy (trzonu) do końców rozgałęzionych ramion oraz łańcuchami lekkimi (L) leżącymi wzdłuż ramion po zewnętrznej stronie łańcuchów ciężkich.

Cząsteczka każdego przeciwciała składa się z dwóch fragmentów spełniających określone funkcje podczas odpowiedzi immunologicznej:

• fragment Fab (ang. antigen-binding fragment) – regiony przeciwciała położone na końcach rozgałęzionych ramion Y, zawierający po jednej domenie stałej i zmiennej łańcucha ciężkiego (CH i VH) oraz jednej domenie stałej i zmiennej łańcucha lekkiego (CL i VL), odpowiedzialny za swoiste rozpoznawanie i wiązanie antygenów;
• fragment Fc (ang. crystallizable fragment) – region przeciwciała położony w obrębie trzonu Y, zawierający domeny stałe dwóch łańcuchów ciężkich (CH), odpowiedzialny za funkcje efektorowe umożliwiające eliminację drobnoustrojów chorobotwórczych lub neutralizację toksyn (np. aktywację białek dopełniacza, stymulację fagocytozy).

Niektóre immunoglobuliny mogą występować w formach polimerycznych zawierających dodatkowy łańcuch polipeptydowy wiążący pojedyncze cząsteczki (monomery), określany mianem łańcucha łączącego (J, ang. joining). Są to immunoglobuliny klasy A (IgA) tworzące dimery u ssaków, immunoglobuliny klasy M (IgM) tworzące tetramery u ryb kościstych, pentamery u ssaków i heksamery u żaby szponiastej (Xenopus laevis) bądź immunoglobuliny klasy W (IgW) występujące w formie pentamerów u ryb chrzęstnych (rekinów i płaszczek).

Budowa cząsteczki przeciwciała. Autor: Julee Ashmead/shutterstock.com

Klasyfikacja przeciwciał

Przeciwciała (immunoglobuliny) zaliczane są do poszczególnych klas (izotypów) na podstawie zróżnicowania sekwencji aminokwasowej ciężkiego łańcucha polipeptydowego (H) w obrębie regionu stałego cząsteczki (tzw. fragmencie Fc). Region ten jest odpowiedzialny za funkcje efektorowe przeciwciał, w związku z czym immunoglobuliny należące do poszczególnych klas charakteryzują się specyficznym miejscem działania w organizmie i spełniają określoną rolę w odpowiedzi immunologicznej (np. aktywacja układu dopełniacza, stymulacja fagocytozy).

Immunoglobuliny występujące u ssaków zróżnicowane na pięć klas (izotypów):

• immunoglobuliny A (IgA) – immunoglobuliny zbudowane z łańcucha ciężkiego typu α o wzorze domenowym: VH + CH1 + region zawiasowy + CH2 + CH3 + ogon (region Fc); występujące w osoczu i na powierzchni błon śluzowych dróg oddechowych i układu pokarmowego, stanowiące składniki wydzielin (śliny, łez, mleka, płynów jelitowych); zapewniają ochronę przed infekcjami w układzie pokarmowym i oddechowym;
• immunoglobuliny D (IgD) – immunoglobuliny zbudowane z łańcucha ciężkiego typu δ o wzorze domenowym: VH + CH1 + region zawiasowy + CH2 + CH3 + ogon (region Fc); występujące głównie na powierzchni limfocytów B i w niewielkich ilościach w osoczu krwi; są receptorami antygenów; aktywują komórki tuczne (mastocyty) i granulocyty zasadochłonne (bazofile) do produkcji czynników przeciwdrobnoustrojowych;
• immunoglobuliny E (IgE) – immunoglobuliny zbudowane z łańcucha ciężkiego typu ε o wzorze domenowym: VH + CH1 + CH2 + CH3 + CH4 (brak regionu zawiasowego); występujące w tkankach i błonach śluzowych i w niewielkich ilościach w osoczu krwi; odpowiadają za reakcje alergiczne, stymulując uwalnianie histaminy przez komórki tuczne (mastocyty); zapewniają ochronę przez inwazją pasożytów;
• immunoglobuliny G (IgG) – immunoglobuliny zbudowane z łańcucha ciężkiego typu γ o wzorze domenowym: VH + CH1 + region zawiasowy + CH2 + CH3; występujące głównie w osoczu krwi i płynach tkankowych, mające zdolność przechodzenia przez łożysko; uczestniczą w obronie organizmu przed patogenami (wirusami, bakteriami, grzybami), a także zapewniają odporność bierną rozwijającemu się płodowi;
• immunoglobuliny M (IgM) – immunoglobuliny zbudowane z łańcucha ciężkiego typu µ o wzorze domenowym: VH + CH1 + CH2 + CH3 + CH4 + ogon (region Fc) (brak regionu zawiasowego); występujące głównie w osoczu krwi i limfie i na powierzchni limfocytów B; uczestniczą w obronie organizmu przed patogenami (np. wirusami) we wczesnych etapach odpowiedzi immunologicznej, stanowią receptory antygenów.

Ryby kostnoszkieletowe wytwarzają w odpowiedzi immunologicznej trzy rodzaje przeciwciał: immunoglobuliny klasy M (IgM), D (IgD) i T (IgT); u ryb chrzęstnoszkieletowych (np. rekinów, płaszczek) występują immunoglobuliny IgM i IgW. Główne przeciwciała u płazów stanowią immunoglobuliny IgD, IgM, IgY (odpowiednik IgG ssaków) i IgX (u żaby szponiastej, Xenopus laevis). Najważniejszym przeciwciałem u gadów i ptaków jest immunoglobulina IgY; ponadto u zwierząt tych produkowane są również immunoglobuliny innych klas (IgD, IgM, IgA).

Klasy przeciwciał występujące u ssaków. Autor: Akarat Phasura/shutterstock.com

Funkcje przeciwciał

Immunoglobuliny, jako składniki humoralnej odpowiedzi immunologicznej zachodzącej we krwi i limfie, stanowią niezwykle istotną część układu odpornościowego kręgowców (w tym człowieka). Głównym zadaniem tych wyspecjalizowanych białek jest obrona organizmu przed czynnikami chorobotwórczymi (patogenami), jak drobnoustroje (np. wirusy, bakterie, grzyby, pierwotniaki, pasożyty) czy szkodliwe substancje (np. toksyny). Neutralizacja lub eliminacja obcych cząsteczek możliwa jest dzięki swoistemu wiązaniu się przeciwciał do ich antygenów.

Przeciwciała usuwają czynniki chorobotwórcze (patogeny) z organizmu za pośrednictwem następujących procesów immunologicznych:

• neutralizacja – wiązanie przeciwciał do antygenów na powierzchni drobnoustrojów chorobotwórczych (np. wirusów) blokujące ich zdolność wiązania się z komórkami gospodarza; wiązanie się przeciwciał z substancjami toksycznymi krążącymi we krwi (np. toksynami bakteryjnymi) zapobiegające ich wnikaniu do wnętrza tkanek;
• opsonizacja (opłaszczanie) – wiązanie przeciwciał do antygenów na powierzchni drobnoustrojów chorobotwórczych (np. bakterii) w celu ich „oznakowania” do eliminacji przez inne komórki układu odpornościowego, jak komórki fagocytujące (np. makrofagi, neutrofile) bądź komórki cytotoksyczne (np. komórki NK);
• aktywacja układu dopełniacza – wiązanie przeciwciał do antygenów na powierzchni patogenów (np. bakterii) prowadzi do aktywacji kaskady układu dopełniacza, czego skutkiem jest liza komórki bakteryjnej pod wpływem kompleksu atakującego błony komórkowe, wytworzenie czynników prozapalnych lub stymulujących fagocytozę.

Zaburzenia prawidłowego funkcjonowania układu odpornościowego, przejawiające się nadmierną lub niedostateczną produkcją przeciwciał bądź wytwarzaniem przeciwciał skierowanych przeciwko własnemu organizmowi, stanowią główną przyczynę problemów zdrowotnych, jak alergie (np. katar sienny), choroby z niedoboru odporności (np. pospolity zmienny niedobór odporności, CVID) czy choroby autoimmunologiczne (np. reumatoidalne zapalenie stawów, toczeń rumieniowaty układowy, stwardnienie rozsiane, cukrzyca typu 1).

Mechanizm reakcji alergicznej. Autor: Ph-HY/shutterstock.com

Zastosowania przeciwciał

Przeciwciała (immunoglobuliny) stanowią podstawę metod badawczych wykorzystywanych w diagnostyce do wykrywania czynników chorobotwórczych (wirusów, bakterii, pasożytów), antygenów komórek nowotworowych i markerów chorób autoimmunologicznych (np. test immunoenzymatyczne ELISA, immunoblotting, immunocytochemia, immunohistochemia). Przeciwciała wykorzystywane są także w technikach biologii molekularnej w celu wykrywania  i identyfikacji białek (np. ELISA, western blot, immunofluorescencja, immunoprecypitacja) bądź badania poziomu ekspresji białek w komórkach (np. cytometria przepływowa).

Przeciwciała monoklonalne, cechujące się wysoką swoistością do określonych antygenów, wykorzystywane są w terapii chorób nowotworowych (np. chłoniaków, szpiczaka mnogiego) i chorób autoimmunologicznych (np. stwardnienia rozsianego, reumatoidalnego zapalenia stawów). Surowice odpornościowe zawierające gotowe przeciwciała (tzw. antytoksyny) stosowane są do neutralizacji toksyn w przypadku zakażenia laseczką tężca lub ukąszenia węża (tzw. immunizacja bierna). Immunoglobuliny anty-D wykorzystywane są w profilaktyce konfliktu serologicznego w celu uniknięcia choroby hemolitycznej noworodka (wytwarzania przez matkę przeciwciał IgG skierowanych przeciw antygenom krwinek czerwonych płodu).

Przeciwciała monoklonalne w terapii chorób nowotworowych. Autor: Designua/shutterstock.com

Bibliografia:

1. Biologia Campbella, Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson, Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020.
2. Encyklopedia biologiczna T. VIII, Zdzisława Otałęga (red. nacz.), Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1999.
3. Essentials of Anatomy and Physiology, Valerie C. Scanlon, Tina Sanders, F.A. Davis Company 2006.
4. Immunologia, Jakub Gołąb, Marek Jakóbisiak, Witold Lasek, Tomasz Stokłosa, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007.
5. Podstawy immunologii, Włodzimierz Ptak, Maria Ptak, Marian Szczepanik, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2008.
6. Roitt’s Essential Immunology, Peter J. Delves , Seamus J. Martin, Dennis R. Burton, Ivan M. Roitt, Wiley-Blackwell 2017.