W8102抗原與抗體-4-微教材

1、微生物學(xué)及操作技術(shù)課程-微教材微課編號W8102微課名稱抗原與抗體所屬模塊 微生物學(xué)與免疫子模塊免疫學(xué)基礎(chǔ)關(guān)鍵詞 抗原、抗體、免疫球蛋白是否通用通用 農(nóng)產(chǎn)品 食品是否重點建設(shè)是 否微課類型講授型微課形式PPT動畫式教學(xué)設(shè)計模式講授法教學(xué)目標了解抗原與抗體的概念及特性、微生物抗原的分類和抗體的分子結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能，掌握構(gòu)成抗原的條件和抗體形成的規(guī)律，以便在實踐中能進行應(yīng)用。教學(xué)內(nèi)容知識點技能點抗原的概念、特性及種類；構(gòu)成抗原的條件及微生物抗原的分類；免疫球蛋白及抗體的概念、特點；免疫球蛋白的分子結(jié)構(gòu)；抗體的生物學(xué)功能與抗體形成的規(guī)律。 知識講解一、抗原  一）、抗原的概念&#

2、160; （一） 抗原與抗原性 凡是能刺激機體產(chǎn)生抗體和致敏淋巴細胞并能與之結(jié)合引起特異性反應(yīng)的物質(zhì)稱為抗原（antigen)?？乖哂锌乖?，抗原性包括免疫原性與反應(yīng)原性兩個方面的含義。免疫原性是指能刺激機體產(chǎn)生抗體和致敏淋巴細胞的特性。反應(yīng)原性是指抗原與相應(yīng)的抗體或致敏淋巴細胞發(fā)生反應(yīng)的特性，又稱為免疫反應(yīng)性。 （二） 完全抗原與半抗原 抗原又分為完全抗原與不完全抗原。既具有免疫原性又有反應(yīng)原性的物質(zhì)稱為完全抗原，也可稱為免疫原。只具有反應(yīng)原性而缺乏免疫原性的物質(zhì)稱為不完全抗原，亦稱為半抗原。半抗原又分為簡單半抗原和復(fù)合半抗原，前

3、者的相對分子質(zhì)量較小，只有一個抗原決定簇，不能與相應(yīng)的抗體發(fā)生可見反應(yīng)，但能與相應(yīng)的抗體結(jié)合，如抗生素、酒石酸、苯甲酸等；后者的相對分子質(zhì)量較大，有多個抗原決定簇，能與相應(yīng)的抗體發(fā)生肉眼可見的反應(yīng)，如細菌的莢膜多糖、類脂、脂多糖等都為復(fù)合半抗原 二）、構(gòu)成免疫原的條件 抗原物質(zhì)要有良好的免疫原性，需具備以下條件：（一） 異源性 又稱異質(zhì)性。在正常情況下，動物機體能識別自身物質(zhì)與非自身物質(zhì)，只有非自身物質(zhì)進入機體內(nèi)才能具有免疫原性。因此，異種動物之間的組織、細胞及蛋白質(zhì)均是良好的抗原。通常動物之間的親緣關(guān)系相距越遠，生物種系差異越大，免疫原性越好，此類抗原稱為異種抗原。 同種動物不同個體的某些成

4、分也具有一定的抗原性，如血型抗原、組織移植抗原，此類抗原稱為同種異體抗原。 動物自身組織細胞通常情況下不具有免疫原性，但在下列情況下可顯示抗原性成為自身抗原： (1)組織蛋白的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，如機體組織遭受燒傷、感染及電離輻射等作用，使原有的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而具有抗原性。 (2)機體的免疫識別功能紊亂，將自身組織視為異物，可導(dǎo)致自身免疫病。 (3)某些組織成分，如眼球晶狀體蛋白、精子蛋白、甲狀腺球蛋白等因外傷或感染而進入血液循環(huán)系統(tǒng)，機體視之為異物引起免疫反應(yīng)。（二） 分子大小 抗原物質(zhì)的免疫原性與其分子大小有直接關(guān)系。免疫原性良好的物質(zhì)相對分子質(zhì)量一般都在10000以上，在一定條件下，相對分子質(zhì)量

5、越大，免疫原性越強。相對分子質(zhì)量小于5000的物質(zhì)其免疫原性較弱。相對分子質(zhì)量在1000以下的物質(zhì)為半抗原，沒有免疫原性，但與大分子蛋白質(zhì)載體結(jié)合后可獲得免疫原性。因此，蛋白質(zhì)分子大多是良好的抗原，例如，細菌、病毒、外毒素、異種動物的血清都是抗原性很強的物質(zhì)。 （三） 化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)與立體構(gòu)象的復(fù)雜性 抗原物質(zhì)除了要求具有一定的相對分子質(zhì)量外，相同大小的分子如果化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)象不同，其免疫原性也有一定的差異。一般而言，分子結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)象愈復(fù)雜的物質(zhì)免疫原性愈強，譬如含芳香族氨基酸的蛋白質(zhì)比含非芳香族氨基酸的蛋白質(zhì)免疫原性強，將苯丙氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸連接到相對分子質(zhì)量大（

6、10萬以上）而免疫原性較弱的明膠（由直鏈氨基酸組成）肽鏈上，可使其免疫原性大大增強。 如果用物理化學(xué)的方法改變抗原的空間構(gòu)象，其原有的免疫原性也隨之改變或消失。同一分子不同的光學(xué)異構(gòu)體之間免疫原性也有差異。 （四） 物理狀態(tài) 不同物理狀態(tài)的抗原物質(zhì)其免疫原性也有差異。顆粒性抗原的免疫原性通常比可溶性抗原強?？扇苄钥乖肿泳酆虾蠡蛭皆陬w粒表面可增強其免疫原性。例如將甲狀腺球蛋白與聚丙烯酰胺凝膠顆粒結(jié)合后免疫家兔，可使其產(chǎn)生的IgM效價提高20倍。免疫原性弱的蛋白質(zhì)如果吸附在氫氧化鋁膠、脂質(zhì)體等大分子顆粒上，可增強其抗原性。 此外，蛋白質(zhì)抗原被消化酶分解為小分子物質(zhì)后，一般便失去抗原性。所以抗原

7、物質(zhì)通常要通過非消化道途徑以完整分子狀態(tài)進入體內(nèi)，才能保持抗原性。 三）、抗原決定簇 抗原的分子結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但抗原分子的活性和特異性并不是決定于整個抗原分子，決定其免疫活性的只是其中的一小部分抗原區(qū)域。抗原分子表面具有特殊立體構(gòu)型和免疫活性的化學(xué)基團稱為抗原決定簇(antigenic determinant)或抗原決定基，由于抗原決定簇通常位于抗原分子表面，因而又稱為抗原表位?？乖瓫Q定簇決定抗原的特異性，即決定抗原與抗體發(fā)生特異性結(jié)合的能力。（一） 構(gòu)象決定簇和順序決定簇 抗原分子中由分子基團間特定的空間構(gòu)象形成的決定簇稱為構(gòu)象決定簇，又稱不連續(xù)決定簇，一般是由位于伸展肽鏈上相距很遠的幾個殘

8、基，或位于不同肽鏈上的幾個殘基，由于抗原分子內(nèi)肽鏈盤繞折疊而在空間上彼此靠近而構(gòu)成。因此，其特異性依賴于抗原大分子整體和局部的空間構(gòu)象?？乖瓫Q定簇空間構(gòu)象的改變，其抗原特異性也隨之改變。抗原分子中直接由分子基團的一級結(jié)構(gòu)序列（如氨基酸序列）決定的決定簇稱為順序決定簇，又稱為連續(xù)決定簇。 （二） 決定簇的大小與數(shù)量 抗原決定簇的大小是相當恒定的，但也有差異，通常具有5070nm2的表面積，其大小主要受免疫活性細胞膜受體和抗體分子的抗原結(jié)合點所制約。決定簇的環(huán)形結(jié)構(gòu)容積一般不大于3nm3。蛋白質(zhì)分子抗原的每個決定簇由57個氨基酸殘基組成，多糖抗原由56個單糖殘基組成，核酸抗原的決定簇由58個核苷酸

9、殘基組成。 抗原分子抗原決定簇的數(shù)目稱為抗原的抗原價。含有多個抗原決定簇的抗原稱為多價抗原，大部分抗原都屬于這類抗原；只有一個抗原決定簇的抗原稱為單價抗原，如簡單半抗原。根據(jù)決定簇特異性的不同，又有單特異性決定簇和多特異性決定簇之分，前者只有一種特異決定簇，后者則含有兩種以上不同特異性的決定簇?？乖肿颖砻?、能與免疫活性細胞接近，對激發(fā)機體的免疫應(yīng)答起著決定意義的決定簇稱為抗原的功能價，隱蔽于抗原分子內(nèi)部的決定簇謂之非功能價，后者只有在用酶輕度消化后才能暴露。天然抗原一般都是多價和多特異性決定簇抗原。抗原價與分子大小有一定 的關(guān)系，據(jù)估計相對 分子質(zhì)量每5000大約會有1個決定簇，例如牛血清白

10、蛋白（BSA）的相對分子質(zhì)量為69000，有18個決定簇，但只有6個決定簇暴露于外面。決定簇的種類視抗原結(jié)構(gòu)不同而異，如雞卵白蛋白相對分子質(zhì)量為42000，有5種決定簇，而相對分子質(zhì)量為700000的甲狀腺球蛋白則有40種決定簇。二、抗體一）免疫球蛋白與抗體 （一）免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig） 是指存在于人和動物血液（血清）、組織液及其他外分泌液中的一類具有相似結(jié)構(gòu)的球蛋白。過去曾稱為球蛋白，在1968年和1972年兩次國際會議上決定以Ig表示。依據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)和抗原性差異，免疫球蛋白可分為IgG, IgM, IgA, IgE和IgD。 （二）抗體（antibody, Ab）

11、 動物機體受到抗原物質(zhì)刺激后，由B淋巴細胞轉(zhuǎn)化為漿細胞產(chǎn)生的，能與相應(yīng)抗原發(fā)生特異性結(jié)合反應(yīng)的免疫球蛋白，這類免疫球蛋白稱為抗體。抗體的本質(zhì)是免疫球蛋白，它是機體對抗原物質(zhì)產(chǎn)生免疫應(yīng)答的重要產(chǎn)物，具有各種免疫功能，主要存在于動物的血液（血清）、淋巴液、組織液及其他外分泌液中，因此將抗體介導(dǎo)的免疫稱為體液免疫。有的抗體可與細胞結(jié)合，如IgG可與T, B淋巴細胞，K細胞，巨噬細胞等結(jié)合，IgE可與肥大細胞和嗜堿性粒細胞結(jié)合，這類抗體稱為親細胞性抗體。此外，在成熟的B細胞表面具有抗原受體，其本質(zhì)也是免疫球蛋白，稱為膜表面免疫球蛋白。二）、免疫球蛋白的分子結(jié)構(gòu) 闡明免疫球蛋白分子的結(jié)構(gòu)和功能是現(xiàn)代免疫

12、學(xué)的一大突破，在19591963年P(guān)orter和Edelman采用酶及還原劑消化和分離技術(shù)，弄清了免疫球蛋白的基本結(jié)構(gòu)，從而提出免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)模型。 （一）單體分子結(jié)構(gòu) 所有種類免疫球蛋白的單體分子結(jié)構(gòu)都是相似的，即是由兩條相同的重鏈和兩條相同的輕鏈四條肽鏈構(gòu)成的“Y”字形的分子（圖10-9）。IgG, IgE，血清型IgA, IgD均是以單體分子形式存在的，IgM是以五個單體分子構(gòu)成的五聚體，分泌型的IgA是以二個單體構(gòu)成的二聚體。 1. 重鏈(heavy chain) 重鏈又稱H鏈，大約由420440個氨基酸組成，相對分子質(zhì)量約為5000077000，兩條重鏈之間由一對或一對以上的二硫鍵

13、互相連接。重鏈從氨基端(N端）開始最初的110個氨基酸的排列順序以及結(jié)構(gòu)隨抗體分子的特異性不同而有所變化，這一區(qū)域稱為重鏈的可變區(qū)(variable region,VH), 其余的氨基酸比較穩(wěn)定，稱為恒定區(qū)(constant region,CH )。在重鏈的可變區(qū) 內(nèi)，有四個區(qū)域（氨基酸殘基 位置分別位于3137, 5158, 8491, 101110) 的氨基酸變異度最大，稱為高變區(qū)（hypervariable region)，其余的氨基酸變化較小，稱為骨架區(qū)(framework region)。 免疫球蛋白的重鏈有、五種類型，由此決定了免疫球蛋白的類型，IgG, IgM，IgA, IgE和

14、IgD分別具有上述的重鏈。因此，同一種動物，不同免疫球蛋白的差別就是由重鏈所決定的。 2. 輕鏈(light chain) 輕鏈又稱L鏈，由213214個氨基酸組成，相對分子質(zhì)量約為22 500。兩條相同的輕鏈其羧基端（C端）靠二硫鍵分別與兩條重鏈連接。輕鏈從N端開始最初的109個氨基酸的排列順序及結(jié)構(gòu)隨抗體分子的特異性變化而有差異，稱為輕鏈的可變區(qū)（VL）與重鏈的可變區(qū)相對應(yīng)，構(gòu)成抗體分子的抗原結(jié)合部位，其余的氨基酸比較穩(wěn)定，稱為恒定區(qū)(CL)。在輕鏈的可變區(qū)內(nèi)部有三個高變區(qū)（氨基酸殘基位置位于2632，4855，9095），其氨基酸變化特別大，其余的氨基酸變化較小，稱為骨架區(qū)。免疫球蛋白的

15、輕鏈根據(jù)其結(jié)構(gòu)和抗原性的不同可分為(kappa)型和(lambda)型，各類免疫球蛋白的輕鏈都是相同的，而各類免疫球蛋白都有型和型兩型輕鏈分子。 （二）免疫球蛋白的功能區(qū) 免疫球蛋白的多肽鏈分子可折疊形成幾個由鏈內(nèi)二硫鍵連接成的環(huán)狀球形結(jié)構(gòu)，這些球形結(jié)構(gòu)稱為免疫球蛋白的功能區(qū)（domain)。IgG, IgA,IgD的重鏈有四個功能區(qū)，其中有一個功能區(qū)在可變區(qū)，其余的在恒定區(qū)，分別稱為VH、CH1、CH2、CH3；IgM和IgE有五個功能區(qū)，即多了一個CH4。輕鏈有兩個功能區(qū)，即VL和CL，分別位于可變區(qū)和恒定區(qū)。免疫球蛋白的每一個功能區(qū)都是由約110個氨基酸組成，雖功能不同但結(jié)構(gòu)上具有明顯的

16、相似性，表明這些功能區(qū)最初可能是由單一基因編碼的，通過基因復(fù)制和突變衍生而成。此外，在兩條重鏈之間二硫鍵連接處附近的重鏈恒定區(qū)，即CH1與CH2之間大約30個氨基酸殘基的區(qū)域為免疫球蛋白的絞鏈區(qū)（hinge region），此部位含較多的脯氨酸，與抗體分子的構(gòu)型變化有關(guān)。（三）水解片段與生物學(xué)活性 用木瓜蛋白酶可將IgG抗體分子水解成大小相近的三個片斷，其中有兩個相同的片斷，可與抗原特異性結(jié)合，稱為抗原結(jié)合片斷（Fab)，相對分子質(zhì)量為45000；另一個片斷可形成蛋白結(jié)晶，稱為Fc片斷(Fc)，相對分子質(zhì)量為55000。IgG抗體分子可被胃蛋白酶消化成兩個大小不同的片斷，一個是具有雙價抗體活性

17、F(ab)2片斷，小片斷類似于Fc稱為pFc片斷，后者無任何生物活性。 （四）Fab片段的組成與生物學(xué)活性 Fab片段由一條完整的輕鏈和N端1/2重鏈所組成。由VL與CL兩個輕鏈同源區(qū)和VH、CH1兩個重鏈同源區(qū)在可變區(qū)和恒定區(qū)各組成一個功能區(qū)?？贵w結(jié)合抗原的活性就是由Fab所呈現(xiàn)的，由VH和VL所組成的抗原結(jié)合部位，除了結(jié)合抗原而外，還是決定抗體分子特異性的部位。 （五）Fc片段的組成與生物學(xué)活性 Fc片段由重鏈C端的1/2組成，包含CH2和CH3兩個功能區(qū)。該片段無結(jié)合抗原活性，但與抗體分子的生物學(xué)活性有密切關(guān)系，如選擇性地通過胎盤，與補體（關(guān)于補體詳見第六節(jié)）結(jié)合活化補體，決定免疫球蛋白

18、分子的親細胞性（即與 帶Fc受體細胞的結(jié)合），免疫球蛋白通過黏膜進入外分泌液等都是Fc片段的功能。補體結(jié)合位點位于CH2上，而與細胞Fc受體的結(jié)合則決定于CH3。Fc片段是免疫球蛋白分子中的重鏈穩(wěn)定區(qū)，因此它是決定各類免疫球蛋白抗原特異性的部位。用免疫球蛋白免疫異種動物產(chǎn)生的抗抗體（第二抗體）即是針對免疫球蛋白Fc片段的。三）、免疫球蛋白的種類和抗原性 （一）免疫球蛋白的種類 免疫球蛋白可分為類、亞類、型、亞型及亞群等。 類(class)： 免疫球蛋白類的區(qū)分依據(jù)其重鏈C區(qū)的理化特性及抗原性的差異，在同種系所有個體內(nèi)的免疫球蛋白可分為IgG、IgM, IgA, IgE和IgD 5大類，重鏈分別

19、為、和，因此重鏈決定免疫球蛋白的類型。 （二）免疫球蛋白的抗原性 免疫球蛋白是蛋白質(zhì)，因此一種動物的免疫球蛋白對另一種動物而言是良好的抗原。免疫球蛋白不僅在異種動物之間具有抗原性，而且在同一種屬動物不同個體之間，以及自身體內(nèi)同樣是一種抗原物質(zhì)。免疫球蛋白的抗原性表現(xiàn)在以下3個方面： 同種型(isotype）是指在同一種屬動物所有個體共同具有的抗原特異性，即在同一種動物不同個體之間同時存在不同類型的免疫球蛋白，不表現(xiàn)出抗原性，只是在異種動物之間才表現(xiàn)出抗原性。免疫球蛋白的類、亞類、型、亞型等均為免疫球蛋白的同種型。免疫球蛋白的同種型抗原決定簇主要存在于C區(qū)。 同種異型（allotype

20、）是指免疫球蛋白在同一種動物不同個體之間呈現(xiàn)出的抗原性。同種異型的抗原決定簇存在于IgG, IgA、IgE的重鏈C區(qū)和型輕鏈的C區(qū)，一般為12個氨基酸的差異，是受基因定位控制而表現(xiàn)出的特定的抗原性。同種異型是免疫球蛋白穩(wěn)定的遺傳標志，可用于親子鑒定。四）、各類免疫球蛋白的主要特性與功能 （一）IgG 是人和動物血清中含量最高的免疫球蛋白，占血清免疫球蛋白總量的7580%o。IgG是介導(dǎo)體液免疫的主要抗體，多以單體形式存在，沉降系數(shù)為7S，相對分子質(zhì)量為160000180000。IgG主要由脾臟和淋巴結(jié)中的漿細胞產(chǎn)生，大部分存在于血漿中，其余存在于組織液和淋巴液中。IgG是惟一可通過人

21、（和兔）胎盤的抗體，因此在新生兒的抗感染中起著十分重要的作用。IgG是動物自然感染和人工主動免疫后，機體所產(chǎn)生的主要抗體，在動物體內(nèi)不僅含量高，而且持續(xù)時間長，可發(fā)揮抗菌、抗病毒、抗毒素以及抗腫瘤等免疫學(xué)活性，能調(diào)理、凝集和沉淀抗原，但只在有足夠分子存在并以正確構(gòu)型積聚在抗原表面時才能結(jié)合補體。（二）IgM 是動物機體初次體液免疫應(yīng)答最早產(chǎn)生的免疫球蛋白，其含量僅占血清的10左右，主要由脾臟和淋巴結(jié)中B細胞產(chǎn)生，分布于血液中。IgM是由五個單體組成的五聚體，單體之間由J鏈連接，相對分子質(zhì)量為900 000左右，是所有免疫球蛋白中相對分子質(zhì)量最大的，又稱為巨球蛋白（macroglobulin)，沉降系數(shù)為19S。 IgM在體內(nèi)產(chǎn)生最早，但持續(xù)時間短，因此不是機體抗感染免疫的主力，但在抗感染免疫的早期起著十分重要的作用，也可通過檢測IgM抗體進行疫病的血清學(xué)早期診斷。IgM具有抗菌、抗病毒、中和毒素等免疫活性，由于其分子上