Учебное пособие. Нижний Новгород: Издательство ннгу им. Н. И. Лобачевского, 2004. 212 с. Isbn 5-85746-804-3
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Нижний Новгород 2007 Балонова М. Г. Искусство и его роль в жизни общества:, 627.43kb.
- Учебное пособие Нижний Новгород 2003 удк 69. 003. 121: 519. 6 Ббк 65. 9 (2), 5181.42kb.
- Учебное пособие Нижний Новгород 2010 Печатается по решению редакционно-издательского, 2109.64kb.
- Учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся по специальности 030501 Нижний, 1855.66kb.
- Учебное пособие Нижний Новгород 2002 удк ббк к найденко В. В., Губанов Л. Н, Петрова, 1219.74kb.
- Н. И. Лобачевского факультет управления и предпринимательства м. Ю. Малкина история, 1006.22kb.
- Учебное наглядное пособие для студентов экономического факультета Нижний Новгород, 356.34kb.
- Учебно методическое пособие Рекомендовано методической комиссией факультета вычислительной, 269.62kb.
- Николая Васильевича Гоголя преподавателем ннгу, к ф. н. М. С. Воробьёвой книга, 1063.36kb.
- Учебное пособие Издательство фгоу впо вгавт н. Новгород, 2007, 1819.73kb.
УДК 577.27
ББК Е 044
Рецензенты:
зав. кафедрой микробиологии и иммунологии
Нижегородской государственной медицинской академии,
доктор медицинских наук, профессор,
член-корр. РАЕН А.Н. Маянский;
зав. отделом клинической иммунологии
Российского онкологического научного центра РАМН,
доктор медицинских наук, профессор,
член-корр. РАЕН З.Г. Кадагидзе (Москва)
Новиков В.В., Добротина Н.А., Бабаев А.А.
Иммунология: Учебное пособие. Нижний Новгород: Издательство
ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2004. — 212 с.
ISBN 5-85746-804-3
В учебном пособии излагается курс иммунологии, читаемый на биологическом факультете Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. Иммунология рассматривается как наука, тесно связанная с молекулярной биологией, биотехнологией и другими биомедицинскими дисциплинами.
Пособие предназначено для студентов биологических факультетов классических университетов, студентов медицинских и сельскохозяйственных высших учебных заведений, а также для магистров, аспирантов, преподавателей и научных сотрудников, интересующихся вопросами современной иммунологии.
ISBN 5-85746-804-3 ББК Е 044
© Новиков В.В., Добротина Н.А., Бабаев А.А., 2005
ВВЕДЕНИЕ
Иммунология — наука об иммунитете.
Иммунитет — способ защиты организма от живых тел и веществ, несущих в себе признаки чужеродной генетической информации.
Иммунология изучает молекулярно-биологические и клеточные механизмы реакций организма на чужеродные субстанции (антигены), направленные на сохранение целостности организма, поддержание его гомеостаза.
Основная функция иммунитета — защита от чужеродного, «не своего» для данного конкретного организма, поддержание его внутреннего постоянства, то есть гомеостаза. В конечном итоге это означает сохранение своего «Я», своей биологической индивидуальности.
Система органов, клеток и продуцируемых ими веществ, осуществляющая распознавание и уничтожение появившихся в организме генетически чужеродных субстанций, получила название иммунной системы.
Она обеспечивает иммунную защиту — защиту организма от бактерий, вирусов, паразитов, удаление (элиминацию) отмирающих и мутантно измененных собственных клеток, в том числе и раковых клеток.
В борьбе за сохранение внутреннего постоянства организма иммунная система ведет борьбу на два фронта. Один фронт — внешний — многочисленные и разнообразные инфекции и другие воздействия, например радиация. Другой фронт — внутренний — постоянно возникающие в многоклеточных организмах клетки-мутанты, потенциально способные к формированию опухолевого процесса. Вследствие непрерывно идущего мутагенеза в организме постоянно возникают злокачественно трансформированные клетки, способные дать начало опухоли. Отсутствие системы, которая распознавала и уничтожала бы такие клетки, быстро привело бы к гибели многоклеточного организма. То есть сам факт появления и сохранения в процессе эволюции многоклеточных организмов теснейшим образом связан с наличием и совершенствованием иммунных механизмов.
Иммунология начала развиваться с конца XVIII века. Она является общебиологической дисциплиной и тесно связана с молекулярной биологией, физиологией, анатомией, цитологией и многими другими науками. Основоположниками иммунологии являются Дженнер, применивший народный опыт вакцинации против оспы, Луи Пастер, заложивший научные принципы вакцинопрофилактики, и И.И. Мечников, открывший важнейшую эффекторную систему иммунитета — фагоцитоз.
За период своего существования иммунология решила ряд серьезных проблем, имеющих колоссальное общечеловеческое значение:
• Решена проблема сохранения жизни многих сотен людей путем создания вакцин, предупреждающих десятки инфекционных заболеваний человека и животных. Созданы вакцины против оспы, сибирской язвы, дифтерии, полиомиелита, гриппа, чумы и других инфекций. Некоторые из инфекций ликвидированы почти полностью. То есть создание эффективных способов вакцинации обеспечило эффективную профилактику инфекционных заболеваний, приводивших ранее к массовой гибели людей.
• Решена проблема переливания крови путем определения иммунологических групп крови, что также спасло многие миллионы жизней.
• Разработаны разнообразные иммунологические методы диагностики многих заболеваний. Среди них не только инфекционные болезни, но и онкологические, аутоиммунные и другие виды патологии. Современные иммунологические методы позволяют выявлять вещества в концентрациях, составляющих доли нанограммов в миллилитре.
• Разработаны методы иммунологического подбора доноров при пересадке органов и тканей. Наличие таких методов помогло в последние 20 лет спасти жизни многих сотен тысяч людей.
Иммунная система является такой же самостоятельной и такой же тесно связанной с другими системой, как и пищеварительная, сердечнососудистая, нервная и другие, однако ее функции и механизмы реагирования более активны. По своим особенностям, онтогенезу иммунная система наиболее похожа на нервную систему.
Три отличительные особенности иммунной системы:
• она распространена по всему телу;
• ее клетки постоянно циркулируют в организме через кровоток и межклеточное тканевое пространство;
• она обладает способностью вырабатывать сугубо специфические молекулы и клетки, различные по своей специфике в отношении каждого чужеродного антигена.
Иммунная система — одна из трех систем, обладающих памятью:
1. Генетическая система — геном — это носитель наследственной информации.
2. Нервная система — высшая нервная деятельность. Одним из ее свойств является память
3. Иммунная система — обладает иммунологической памятью, то есть способностью надолго запоминать попадающие в организм чужеродные субстанции и быстро реагировать на их повторное появление.
Таким образом, иммунология — единая концептуальная наука о защите живого организма от внешних и внутренних чужеродных субстанций; это наука об иммунитете и неспецифической резистентности, сопротивляемости организма, о сохранении «своего», поддержании динамического постоянства внутренней среды организма.
Иммунология относится к быстро прогрессирующим направлениям современного естествознания. Выдающиеся фундаментальные исследования иммунологии, в том числе и удостоенные Нобелевских премий, исключительно быстро приобретают прикладное значение и внедряются в практическую медицину, биотехнологию. Общепризнанно, что уровень становления иммунологии в разных странах отражает развитие фундаментальных и прикладных биомедицинских исследований.
Различают врожденный иммунитет (естественная резистентность) и адаптивный (приобретенный, вызванный) иммунитет.
Врожденный иммунитет — сумма защитных механизмов, реализация которых не зависит от предшествующей встречи организма с чужеродным агентом и определяется только генотипом.
Адаптивный иммунитет — антиген-специфическая иммунная реакция, развивающаяся в ответ на появление конкретных чужеродных антигенов и направленная на их удаление и формирование иммунологической памяти.
Гуморальный иммунитет — специфический иммунитет, обусловленный антителами и другими растворимыми факторами.
Клеточный иммунитет — иммунные реакции, реализуемые клетками иммунной системы.
Гуморальный и клеточный иммунитет тесно взаимосвязаны. Ведущим и определяющим является клеточный иммунитет.
1. АНТИГЕНЫ
Антиген — чужеродная субстанция, способная при попадании в организм вызвать специфический иммунный ответ, направленный на ее удаление из организма.
«Антигены — это биологические тела и молекулы, несущие признаки чужеродной генетической информации» (Р.В. Петров).
Антигены (antibody generator) — это субстанции, которые при появлении в организме способны индуцировать выработку специфических клонов Т- и В-лимфоцитов, а также специфических антител.
Наиболее выраженными антигенными свойствами обладают белки. Однако углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды также могут быть антигенами, как самостоятельно, так и в комбинациях друг с другом.
В составе молекулы любого антигена имеется участок или несколько участков, распознаваемых иммунной системой и называемых антигенными детерминантами или эпитопами.
Антигенная детерминанта = эпитоп.
Таблица 1.1
Корреляция между молекулярной массой антигена и его валентностью (количеством эпитопов)
| Антиген | Молекулярная масса | Валентность |
| Рибонуклеаза | 13 600 | 3 |
| Овальбумин кур | 42 000 | 5 |
| Апоферритин лошадей | 465 000 | 26 |
| Тироглобулин | 700 000 | 40 |
| Вирус кустистой карликовости томатов | 8 000 000 | 90 |
| Вирус табачной мозаики | 40 000 000 | 650 |
Для белков характерны разнообразные эпитопы, находящиеся в составе одной и той же молекулы. Углеводам свойственны повторяющиеся антигенные детерминанты.
В белках различают линейные и конформационные эпитопы (рис. 1).
Рис. 1. Эпитопы, выявляемые антителами и Т-клетками
Линейные эпитопы:
— построены непрерывной последовательностью аминокислотных остатков в составе полипептидной цепи;
— встречаются как на поверхности, так и внутри белковой молекулы.
Конформационные эпитопы:
— построены из аминокислот, локализованных в разных частях полипептидной цепи, но стерически приближенных друг к другу;
— находятся только на поверхности белков.
Как линейные, так и конформационные эпитопы могут быть перекрывающимися, то есть аминокислоты, входящие в состав одной антигенной детерминанты, могут одновременно быть составляющей других детерминант.
По способу распознавания элементами иммунной системы антигенные детерминанты белков различаются на:
Т-клеточные антигенные детерминанты (эпитопы):
— распознаются Т-клеточными рецепторами;
— могут быть только линейными;
— локализуются как на поверхности, так и внутри белков.
В-клеточные антигенные детерминанты (эпитопы):
— распознаются активными центрами антител или В-клеточными рецепторами;
— могут быть как линейными, так и конформационными;
— локализуются только на поверхности белков.
Площадь В-клеточного эпитопа составляет 600-900 Å2 (ангстрем кв.). Протяженность полипептидной цепи, входящей в состав антигенной детерминанты, может достигать 22 аминокислотных остатков. У углеводов в состав детерминанты входит примерно 6 моносахаридных остатков.
Признаки антигенов:
— чужеродность;
— антигенность;
— иммуногенность;
— специфичность.
Чужеродность — наличие признаков чужеродной генетической информации. Замена одной аминокислоты в составе белка делает его чужеродным для данного организма и превращает в чужеродный антиген.
Антигенность — определяется способностью вещества вызывать реакцию иммунной системы. То есть антигенность — мера антигенного качества — способность вызывать образование специфических клонов Т- и В-лимфоцитов с последующим формированием гуморального и клеточного иммунитета.
Иммуногенность — способность чужеродных соединений включать многообразие механизмов, необходимых для реализации выраженного иммунного ответа.
Все молекулы, обладающие иммуногенностью, обладают свойством антигенности. Но не все молекулы, обладающие антигенностью, иммуногены.
Гаптен обладает антигенностью, но сам по себе не иммуногенен (неполный антиген).
Гаптены не в состоянии самостоятельно вызвать иммунный ответ при введении в организм, но взаимодействуют с готовыми антителами. Гаптен чужероден, обладает антигенностью, но иммуногенен только при химической сшивке с крупными белками (рис. 2). Гаптен специфичен. Классический пример — динитрофенол.
Важнейшим свойством, определяющим иммуногенность антигенов, является размер молекулы. С повышением молекулярной массы полимерных молекул повышается их иммуногенность. Для белков пороговый размер молекулы, определяющий появление иммуногенности, — 7-10 аминокислот. Это количество аминокислот, позволяющее сформировать альфа-спираль.
Иммуногенность растет с повышением количества повторяющихся антигенных детерминант в составе антигена.
Иммуногенность зависит от жесткости структуры антигена, то есть способности сохранять достаточно определенную структуру, детали которой являются объектами антигенраспознающих рецепторов лимфоцитов.
Иммуногены только полипептиды, построенные из L-аминокислот. Полимеры, построенные из не встречающихся в природе D-аминокислот, не иммуногены. Это связано с невозможностью деградации (процессинга) таких полимеров имеющимися в клетках протеолитическими ферментами.
Иммуногенность одного и того же антигена зависит от генотипа и может различаться у индивидуумов, имеющих разные отельные варианты генов главного комплекса системы гистосовместимости.
Специфичность — антигенные особенности, благодаря которым антигены отличаются друг от друга.
Различают следующие типы антигенной специфичности:
1. Видовая специфичность. Это специфичность, благодаря которой представители одного вида антигенно отличаются от особей другого вида. Видовая специфичность служит одним из защитных факторов, обеспечивающих сохранение вида. Отличие белков одного вида от белков другого вида (микроорганизмов, вирусов или паразитов) приводит к развитию полноценных иммунологических механизмов, направленных на элиминацию генетически чужеродных агентов.
Рис. 2. Полные и неполные антигены
Относительность понятия «антиген» заключается в том, что белок или другое вещество может быть для одного организма чужеродным антигеном, а для другого своей собственной молекулой, на которую в норме иммунного ответа не формируется.
2. Групповая специфичность. Это иммунологическая специфичность, которая обусловливает различия среди особей одного вида организмов. С общебиологической точки зрения поддерживает индивидуальность организма. Набор специфических групповых антигенов является индивидуальным «молекулярным паспортом» организма, отличающим его от других особей. Антигены, благодаря которым различные особи или группы особей животных одного вида различаются между собой, называются изоантигенами или аллоантигенами. Примерами служат антигены главного комплекса гистосовместимости и антигены групп крови. Каждый индивидуум имеет не менее 12 аллельных вариантов антигенов главного комплекса гистосовместимости из 2000 вариантов, известных в настоящее время и характеризующих популяционное биоразнообразие. Вероятность встречи с индивидуумом, имеющим такой же набор аллоантигенов гистосовместимости, астрономически мала.
Таблица 1.2
Основные групповые антигены крови человека
| Структура углеводного антигена | Группа крови | Антитела | Примечания |
| GlcNac-Gal-Fuc | 0(I) | Anti-A, anti-B | Универсальный донор (лишен антигенов А и В) |
| GlcNac-Gal-Fuc 1 GalNac | А (II) | Anti-B | |
| GlcNac-Gal-Fuc 1 Gal | В (III) | Anti-A | |
| A + B | AB (IV) | нет | Универсальный реципиент (нет антител к антигенам А и В) |
Примечание: GlcNac — N-ацетилглюкозамин; Gal — галактоза; GalNac — N-ацетилгалактозамин; Fuc — фукоза.
Типоспецифичность — понятие аналогичное предыдущему, но применяемое чаще к различным видам бактерий. Например, пневмококки делятся на различные серотипы по своим полисахаридным антигенам, возбудитель ботулизма — по иммунологическим свойствам синтезируемого токсина.
3. Стадиоспецифичность. Это антигенная специфичность, которая обусловливает иммунологические различия между органами и тканями в процессе онтогенеза. На разных стадиях эмбриогенеза животных в их тканях обнаруживаются антигены, которых не было на предыдущих стадиях развития или нет в тканях здоровых особей данного вида. Стадиоспецифичность связана с последовательной экспрессией на разных стадиях развития генов, кодирующих белки, выполняющие специфические для эмбриогенеза функции. Примером служат раково-эмбриональный антиген и альфа-фетопротеин. Они отсутствуют в здоровом взрослом организме человека, но имеются на определенных стадиях эмбриогенеза и при опухолях некоторых внутренних органов.
Большинство природных антигенов являются тимусзависимыми. Это означает, что полноценный иммунный ответ на такие антигены возможен только при участии тимуса, в котором созревают Т-лимфоциты. Характерной особенностью строения тимусзависимых антигенов является отсутствие в их структуре повторяющихся эпитопов, что характерно, в первую очередь, для глобулярных белков.
Особую группу антигенов представляют собой тимуснезависимые антигены. Гуморальный иммунный ответ на них происходит без участия Т-лимфоцитов. Тимуснезависимые антигены характеризуются наличием в их структуре многократно повторяющихся эпитопов. Антигены этой группы относятся к полисахаридам или крупным белковым комплексам, построенным из мономеров.
Примеры тимуснезависимых антигенов:
— О-антиген Salmonella thyphimurium (поверхностный, сложно устроенный полисахаридный антиген тела бактериальной клетки);
— Н-антиген Salmonella thyphimurium (бактериальный жгутик, построенный из мономеров, представляющих собой белок флагеллин).
Тимуснезависимые белковые антигены могут превращаться в тимусзависимые. Так, бактериальный жгутик может диссоциировать на составляющие его молекулы флагеллина, которые представляют собой тимусзависимый антиген. Полимеризация флагеллина с образованием бактериального жгутика опять приводит к формированию тимуснезависимого антигена.
Дифференцировочные антигены — выявляемые иммунологическими методами белки и другие соединения, возникающие на разных этапах дифференцировки клеток, органов и тканей. Дифференцировочные антигены иммунной системы обозначаются аббревиатурой CD (claster of differentiation) с последующей цифрой согласно международной классификации. В настоящее время идентифицировано 247 дифференцировочных антигенов. Примерами могут служить CD3 антиген, свойственный Т-лимфоцитам, CD19 антиген, характерный для В-лимфоцитов, и CD14 антиген моноцитов. Все эти антигены являются мембранными гликопротеинами и выполняют важную роль в осуществлении иммунного ответа. Многие дифференцировочные антигены являются стадиоспецифическими или линияспецифическими (характерными для какой-либо линии клеток).
2. АНТИТЕЛА
Антитела — это иммуноглобулины, специфически реагирующие с антигенами.
Иммуноглобулины являются гликопротеинами, имеющими в своем составе центры специфического связывания антигена. Связывание является нековалентным и основано на принципе комплементарности.
Иммуноглобулины продуцируются плазматическими клетками, представляющими собой конечную стадию созревания В-лимфоцитов. Существуют растворимые формы иммуноглобулинов, которые и называют антителами, и мембранные формы иммуноглобулинов, составляющие основу В-клеточных рецепторов на поверхности В-лимфоцитов.
Любая молекула иммуноглобулина построена из двух типов цепей - тяжелой (Н — High) и легкой (L — Light). Так называемый «мономерный» иммуноглобулин состоит из двух Н-цепей и двух L-цепей, соединенных дисульфидными связями. Разные цепи содержат от 2 до 5 доменов.
Домены иммуноглобулинов:
— состоят примерно из 110 аминокислотных остатков;
— имеют сходную пространственную организацию;
— образуют компактные, относительно изолированные структуры, скрепленные дисульфидной связью;
— обладают автономными функциями.
У млекопитающих имеется пять классов иммуноглобулинов: IgG, IgM, IgA, IgE, IgD.
Классы иммуноглобулинов отличаются строением тяжелых цепей. Каждая молекула иммуноглобулина содержит не менее двух идентичных Н-цепей. Тяжелые цепи иммуноглобулинов разных классов состоят из четырех или пяти доменов и обозначаются буквами греческого алфавита соответственно латинской аббревиатуре класса.
IgG — γ-цепи (гамма);
IgA — α-цепи (альфа);
IgM — μ-цепи (мю);
IgE — ε-цепи (эпсилон);
IgD — δ-цепи (дельта).
Иммуноглобулины человека классов IgG и IgA подразделяют на подклассы в соответствии с особенностями строения тяжелой цепи. Среди иммуноглобулинов человека класса IgG различают четыре подкласса: IgG1, IgG2, IgG3, lgG4. Среди иммуноглобулинов класса IgA различают два подкласса: IgA1 и IgA2. Таким образом, у иммуноглобулинов человека существует девять разновидностей тяжелых цепей, определяющих принадлежность иммуноглобулинов к разным классам и подклассам.
Принадлежность антитела (иммуноглобулина) к конкретному классу и подклассу называют изотипом. Изотип обозначается по типу тяжелой цепи. Например, антитела класса IgG1 принадлежат к γ1 изотипу.
Легкие цепи у всех изотипов иммуноглобулинов представлены κ-цепями (каппа) или λ-цепями (лямбда). В составе молекулы иммуноглобулина находится или две κ-цепи, или две Х-цепи. Легкие цепи построены из двух доменов. Соотношение молекул иммуноглобулинов, несущих κ- или λ-цепи, у человека равняется 2:1. У других видов млекопитающих соотношение может быть иным.
Легкие и тяжелые цепи иммуноглобулинов гликозилированы. В их составе обязательно находится два вида доменов — вариабельный (V — variable) и константный (С — constant). Иммуноглобулины, продуцируемые разными клонами плазматических клеток, имеют разные по аминокислотной последовательности вариабельные домены. Константные домены сходны или очень близки для каждого изотипа иммуноглобулина.
В пределах одного изотипа известны также аллотипические варианты, или аллотипы, иммуноглобулинов. Они различаются по 1-2 аминокислотам, характерны для отдельных представителей видов и отражают внутривидовой полиморфизм генов, кодирующих константные домены цепей иммуноглобулинов. Аллотипы кодируются аллельными генами. Как и в случае других отельных систем, организм может быть гомозиготным либо гетерозиготным.
Вариабельные домены являются N-концевыми. В составе легкой цепи N-концевой домен является вариабельным (VL), C-концевой домен — константным (CL). Тяжелые цепи имеют один вариабельный (N-концевой) домен (VH) и несколько константных доменов.
В составе тяжелой цепи иммуноглобулинов классов IgG, IgA, IgD имеется три константных домена. Иммуноглобулины классов IgM и IgE содержат четыре константных домена. Их обозначают в направлении от N-концевого домена к С-концу как CH1, CH2, CH3, CH4.
Антитела связывают антиген с помощью активного центра. В формировании активного центра участвуют вариабельные домены тяжелой и легкой цепей. Активный центр связывается с эпитопом антигена (антигенной детерминантой). Константные домены обеспечивают так называемые эффекторные свойства антител (связывание с белками системы комплемента, лейкоцитами и др.).
Обработка иммуноглобулинов протеолитическими ферментами приводит к образованию фрагментов молекул, обладающих отдельными свойствами антител. При действии сериновой протеиназы папаша молекулы иммуноглобулинов расщепляются с образованием двух Fab-фрагментов (Fragment antigen binding) и одного Fc-фрагмента (Fragment cristalizable). В состав первого фрагмента входит вся легкая цепь и первые два домена тяжелой цепи (VH и CH1). Fc-фрагмент включает остальные С-домены двух тяжелых цепей. Каждый Fab-фрагмент обладает способностью связывать антиген (рис. 3).
Пепсин расщепляет молекулу иммуноглобулина с образованием F(ab’)2-фрагмента и Fc'-фрагмента. При расщеплении сохраняются дисульфидные связи, связывающие два Fab'-фрагмента. Вследствие этого в составе F(ab')2-фрагмента сохраняется два активных центра антитела. Пепсиновый Fc'-фрагмент короче папаинового Fc-фрагмента.