Молекулярная биология: Структура и функции белков - Степанов В.М. 2005

Имунноглобулины
Центр связывания антигенов

Как упоминалось, центр связывания антигенов формируют совместно вариабельные домены легкой и тяжелой цепей: V_L и V_H. По способу пространственной укладки пептидных цепей они похожи, образуя, как и другие домены иммуноглобулинов, два β-складчатых слоя, которые отстоят один от другого примерно на 10 Å и соединены внутридоменной дисульфидной связью. Пространство между слоями заполнено достаточно плотно упакованными гидрофобными боковыми цепями аминокислот. Все эти устойчивые черты третичной структуры V_L- и V_H-доменов предопределены сходством их первичной структуры. Однако петли, соединяющие отрезки β-структуры в каждом из этих доменов, резко отличаются по последовательности аминокислот, если сравнивать между собой однотипные антитела с разной специфичностью: они гипервариабельны (рис. 13.3, 13.4).

Три гипервариабельные петли каждого из доменов пространственно сближены и объединяются в единую весьма неровную поверхность — зону связывания антигена. Последняя образована шестью петлями: L1, L2, L3 (из V_L-домена) и Н1, H2, Н3 (из V_H-домена). Эти петли почти точно совпадают с гипервариабельными участками аминокислотной последовательности V-доменов, так называемыми районами, определяющими комплементарностъ (от англ. Complementarity Determining Regions — CDR).

Замены аминокислот в этих петлях (рис. 13.5) приводят к замещению одних боковых цепей другими и, следовательно, к изменению рельефа и всего характера антигенсвязывающей зоны, чем и определяется ее способность быть комплементарной молекулам самой различной природы. Поверхность антигенсвязывающего района изменяется еще и потому, что замены аминокислот в гипевариабельных участках влияют на конформацию образуемых ими петель. Может изменяться и длина петель, в особенности петли Н3.

Рис. 13.3. Пространственное строение вариабельного домена легкой цепи одного из иммуноглобулинов Складчатыми полосками изображены ß-структурные отрезки; L1, L2, L3 — гипервариабельные петли, соединяющие эти отрезки (соответствуют районам, определяющим комплементарность, — CDR)

Рентгеноструктурный анализ комплексов антиген — антитело (по техническим причинам обычно исследуют комплекс, образованный Fab-фрагментом, а не целой молекулой иммуноглобулина) позволил вскрыть основные факторы, которыми определяются прочность и высокая специфичность их образования.

Прежде всего это плотная подгонка поверхности активного центра антитела к структуре антигена. Макромолекулы, в особенности белки, вступают в реакцию с данным иммуноглобулином лишь частью своей поверхности — так называемым эпитопом. Для комплексов лизоцима с индивидуальными иммуноглобулинами (моноклональными антителами) показано, что их контактирующие поверхности подогнаны настолько точно, что на площади примерно в 700 Ų оказываются вытесненными все молекулы воды, которые гидратировали оба белка. Это удаление связанной, а значит, упорядоченной воды повышает неупорядоченность системы в целом, что приводит к росту энтропии и благоприятствует образованию прочного комплекса. Вместе с тем сближение функциональных групп, принадлежащих антигену и антителу, позволяет установить целый ряд ван-дер-ваальсовых контактов, водородных и ионных связей. Так, при образовании комплекса лизоцима и Fab'-фрагмента иммуноглобулина возникает 126 межатомных контактов, в том числе 14 водородных связей и одна ионная связь между аминогруппой лизина и карбоксилат-ионом аспарагиновой кислоты.

Рис. 13.4. Расположение гипервариабельных участков в антигенсвязывающей зоне иммуноглобулина. Квадратами обозначены ß-спиральные отрезки, рассматриваемые с торца, зигзагообразными линиями — гипервариабельные петли. Остальные обозначения общепринятые; ср. рис. 13.5

Рис. 13.5. Модель антигенсвязывающего участка пространственной структуры одного из иммуноглобулинов.

Контурные линии, подобно горизонталям топографической карты, проведены через 2 Å, гипервариабельные участки легких и тяжелых цепей обозначены соответственно L1, L2, L3, Н1, Н2 и Н3. Замены аминокислотных остатков, происходящие на этих участках, могут изменять как рельеф поверхности контакта с антигеном, так и ее характер, например распределение заряженных, полярных и неполярных групп

Полное вытеснение воды из зоны связывания антигена стабилизирует водородные и ионные связи. Результатом является весьма высокая прочность комплекса, характеризующаяся константой связывания порядка 10⁷-10¹⁰ М-1.

Заметим, что рельеф поверхности контакта антигена и антитела может быть весьма различным. Поверхность бывает почти плоской, со впадинами или выпуклостями. Например, одно из антител к лизоциму частично заполняет своим выпуклым центром связывания впадину, в которой размещается субстрат этого фермента, и поэтому является его ингибитором. У лизоцима в этом комплексе площадь контакта с иммуноглобулином составляет около 15% всей доступной растворителю поверхности белка.

В качестве эпитопа нередко выступает несколько сближенных в пространственной структуре белка-антигена участков последовательности. Определена структура трех комплексов лизоцима с моноклональными антителами. Суммарная площадь эпитопов в них — около 40% поверхности белка, а поскольку известно, что существуют и другие эпитопы, по-видимому, практически все или почти все доступные участки молекулы белка могут обладать иммунологической активностью.

Еще один источник способности семейства иммуноглобулинов связывать антигены самой различной структуры состоит в том, что поверхность зоны связывания, образованная V_L- и V_H-доменами, составляет около 2000 Ų и намного превышает обычную площадь эпитопа на поверхности белка-антигена (500—1000 Ų, у большинства небелковых антигенов она еще меньше). Вследствие этого для образования комплементарной эпитопу структуры может использоваться не вся поверхность зоны связывания доменов V_L и V_H, а какая-то ее часть, в наибольшей мере соответствующая строению антигена.