Реакция антиген — антитело

Структурная модель молекулы антитела. Округлые участки указывают на места связывания антигена

Антиген — антитело реакция (ААР, Antigen-antibody interaction, antigen-antibody reaction) — образование комплекса между антигеном и направленными к нему антителами.

Общие сведения

Первое описание ААР представлено Ричардом Голдбергом (Richard J. Goldberg, 1952) в Висконсинском университете.

Различают две фазы реакции. В 1-й фазе реакции осуществляет соединение детерминантной группы антигена или гаптена с группировками в активном центре антитела. Этот высокоспецифический процесс протекает в водных растворах с большой скоростью. Антитела обладают минимум 2-я (антитела IgG-класса) и максимум 10-ю (для IgM-антител) активными центрами, которые конфигурационно комплементарны детерминантной группе антигена. Поэтому с поливалентным антигеном (содержащим несколько детерминантных групп) может осуществляться создание сложных агрегатов антиген — антитело с молекулярной формулой: (Ат)x (Аг)y, где Ат — антитело и Аг — антиген. Агрегаты этого иммунного комплекса утрачивают растворимость в изотонических растворах и выпадают в осадок. Эта 2-я неспецифическая фаза протекает медленнее первой — специфической, её скорость зависит от многих внешних факторов и в первую очередь от солевого состава среды. Характер реакций, протекающих во второй фазе, определяется в сущственной мере физическими свойствами антигена.

Если в реакции участвуют низкодисперсные антигены (клетки, частицы инертного носителя с адсорбированным на них антигеном), наблюдается феномен агглютинации. Высоко дисперсные антигены (полисахариды, белки и их комплексы) формируют с антителами преципитаты (флоккуляты).

В ходе 2-й фазы антиген — антитело реакция происходит также присоединение к иммунному комплексу комплемента, что служит высокочувствительным серологическим тестом.

В случае бивалентных антител (например, антител класса IgG) их реакцию с моновалентным гаптеном (Г) описывается в виде уравнения:

где к₁ и к₂ — соответственно константы скоростей прямой и обратной реакций. Величина константы скорости прямой реакции, полученная в эксперименте, достигает 10⁶−10⁷ л•моль⁻¹сек⁻¹, в то время как обратная реакция заметно медленнее: 1−50 сек⁻¹.

Из-за высокой скорости прямой реакции соединение антитела с гаптеном завершается ещё в процессе смешивания реагентов. Проще измерять константу сродства (ка=к₁/к₂), величина которой для ряда систем, рассчитанная с применением метода равновесного диализа, находится в пределах 10⁵−10⁹ л/моль.

На базе данных о величине ка при различных температурах по уравнению Вант-Гоффа вычисляют термодинамические параметры реакции гаптен — антитело.

Изменения свободной энергии (дельтаF) при взаимодействии гаптен — антитело имеют порядок величин от −7 до −12 ккал/моль. Поэтому, даже при высоких разведениях степень ассоциации остаётся существенной. Несмотря на то, что порой не отмечались заметные изменения энтропии при формировании комплекса гаптен — антитело (ΔS = 0), для многих систем были получены положительные значения ΔS, указывающие на увеличение энтропии, а не на её уменьшение, что следовало бы ожидать в силу большей упорядоченности системы при образовании иммунного комплекса.

Для связывания существует динамическое равновесие. Например, реакция является обратимой и может быть выражена в виде:

[Ab] + [Ag] ⇔ [AbAg]

где [Ab] — концентрация антител, а [Ag] — концентрация антигена, либо в свободном ([Ab], [Ag]), либо в связанном ([AbAg]) состоянии.

Тем самым, константа равновесной ассоциации может быть представлена в виде:

$K_{a}={\frac {k_{on}}{k_{off}}}={\frac {[AbAg]}{[Ab][Ag]}}$

где K — постоянная равновесия.

Взаимно постоянная диссоциации будет равна:

$K_{d}={\frac {k_{off}}{k_{on}}}={\frac {[Ab][Ag]}{[AbAg]}}$

Эти уравнения применимы только к одному связыванию эпитопов, то есть к одному антигену на одном антителе. Поскольку антитело обязательно имеет два паратопа, и во многих обстоятельствах происходит сложное связывание, равновесие множественного связывания можно суммировать как:

$K_{a}={\frac {k_{on}}{k_{off}}}={\frac {[AbAg]}{[Ab][Ag]}}={\frac {r}{c(n-r)}}$

где в равновесии c-концентрация свободного лиганда, r представляет собой отношение концентрации связанного лиганда к общей концентрации антител, а n-максимальное количество сайтов связывания на молекулу антитела (валентность антитела).

Взаимодействие молекулы антигена с антителом или его активным Fab-фрагментом сопровождается изменениями пространственной структуры молекулы антигена. В частности, миоглобин превращается в апомиоглобин при взаимодействии с антителами, направленными к апомиоглобину, а неактивная, полученная от соответствующих мутантов ß-галактозидаза превращается в активный фермент после реакции с антителами к активной форме ß-галактозидазы. В экспериментах с синтетическими полипептидами, использованными в качестве антигенов, было отчетливо продемонстрировано, что антитела к α-спиральной форме полипептида способны стабилизировать эту структуру и, более того, обеспечивать структурный переход пептидов из формы неупорядоченного клубка в α-спираль.

Из-за структурной гетерогенности антител найденные в эксперименте константы сродства (ка) гаптена к антигену представляют собой усредненную величину многих констант, отражающих особенности связывания гаптена разными молекулами антител. Распределение антител по константам сродства описывается кривой Гаусса. Так как в составе популяции молекул антител всегда присутствуют такие, которые отличаются относительно низкой степенью сродства, число молекул гаптена, связанных на моль бивалентного антитела, достигает величины 2 лишь при заметном избытке гаптена. Путём преципитации антител к динитрофенильной группе возрастающими количествами специфического антигена удалось получить несколько фракций антител, отличающихся у одного и того же животного по сродству к гаптену на четыре порядка (от 1,0•10⁵ до 1,1•10⁹). При повторных иммунизациях величина ка для более поздних антител растёт особенно заметно тогда, когда для иммунизации используются небольшое число антигена. Антиген соединяется в организме в 1-ю очередь с рецепторами предшественников антителообразующих клеток, отличающихся наибольшим сродством к антигену. При иммунизации большими дозами антигена гетерогенность антител по величине ка возрастает за счёт вовлечения в иммунный ответ клеток с антителоподобными рецепторами, характеризующимися низким сродством к антигену и обладающими способностью синтезировать лишь антитела с низкой степенью сродства.

При оценке кинетических параметров ААР зачастую прибегают к определению константы равновесия (к), которую рассчитывают в эксперименте по ингибированию ААР при помощи специфического гаптена на базе следующего уравнения:

[АгАт] = к [ГАт] [Аг]/[Г],

де каждая величина в скобках означает молекулярную концентрацию вещества. Величина (к) в общем случае близка по значению величине к_а. Метод ингибирования реакции преципитации имеет широкое применение для оценки структуры детерминантных групп природных антигенов — белков и полисахаридов. В данном случае в качестве гаптенов применят олигосахариды и пептиды.

Наличием минимум двух валентностей у антигена и антитела не исчерпываются требования, необходимые для формирования иммунных преципитатов, и для реализации прочих процессов, протекающих во 2-й фазе ААР. Так, хотя антитела, относящиеся к классам IgA и IgE, содержат по 2 активных центра, они в сущности не участвуют в реакциях преципитации и агглютинации и не связывают комплемент в присутствии специфического антигена.

В присутствии низкомолекулярного бивалентного гаптена, взаимодействующего с обоими активными центрами антитела, угол между Fab-фрагментами равен 10°, но может вырасти до 180° при соотношении гаптен — антитело (или антиген — антитело), обеспечивающем формирование крупных агрегатов, в состав которых входит 4 и более молекул антител. После взаимодействия с антигеном молекула антитела превращается из Y-образной в стержнеобразную с максимально удаленными друг от друга активными центрами, находящимися на дистальных концах Fab-фрагментов.

При промывании иммунного преципитата физиологическим раствором из его состава можно выделить постоянно уменьшающиеся количества антител и лишь следовые количества антигена. Процесс диссоциации описывается следующим уравнением:

где n и m соответствуют числу молекул Аг и Ат в комплексе и числу свободных молекул Ат.

Эффективность диссоциации иммунного комплекса значительно растёт в присутствии большого избытка антигена (гаптена).

Источники

Одним из источников этой статьи является статья в энциклопедии «Традиция», называющаяся «Антиген — антитело реакция». Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии GNU FDL.