Иммунологическая специфичность

Антитела, образуемые в ответ на введение в организм антигенов, специфически взаимодействуют с этими антигенами. Образование специфического комплекса антиген -- антитело обеспечивается гидрофобными, ионными и вандерваальсовыми взаимодействиями, а также водородными связями. Наиболее существенную роль играют силы гидрофобного взаимодействия. Неполярное связывание возникает в результате стремления гидрофобных групп в водном растворе к ассоциации друг с другом, что сопровождается стабилизацией всей системы. Эффективность таких взаимодействий возрастает с повышением температуры.

Меньший вклад в связывание антигена с активным центром антитела вносят водородные и ионные взаимодействия. Водородные связи образуются при взаимодействии атома водорода, ковалентно связанного с каким-либо отрицательно заряженным атомом, с неподеленной парой электронов другого отрицательно заряженного атома. В реакции антиген -- антитело в качестве таких групп обычно выступают аминогруппы и гидроксильные группы/ Электростатические силы возникают при взаимодействии сильно заряженных ионизированных групп, таких, как ионизированная аминогруппа и ионизированная карбоксильная группа.

Степень соответствия между антигенной детерминантой и антигенсвязывающей областью активного центра антитела {иммунологическая специфичность) определяется химической и пространственной комплементарностью, которая обусловлена, с одной стороны, взаимодействием электронных облаков реагирующих химических групп, с другой -- стерическими силами отталкивания. Если структуры антигена и активного центра не соответствуют друг другу, то их притяжение будет слабым, а отталкивание сильным. Важным моментом в образовании прочных специфических комплексов является наличие множественных контактов, позволяющих, несмотря на слабость отдельных единичных взаимодействий, прочно удерживать антиген в активном центре. Замена отдельных атомов или групп в молекуле антигена или в антигенсвязывающих центрах приводит к ухудшению связывания.

Вполне понятно, что один и тот же антиген могут узнавать антитела, имеющие комплементарные ему структуры, но несколько отличающиеся по составу аминокислотных остатков в антигенсвязывающем центре. Например, антигенсвязывающая область антидекстранового антитела человека в одном случае представляет собой неглубокий «желобок», в который укладывается до 6 остатков изомальтозы, в другом -- состоит из глубокой полости, куда помещается 1-2 остатка, и более мелкой выемки для 2-4 остатков изомальтозы.

С другой стороны, антигенсвязывающий центр молекулы антитела определенной специфичности обладает способностью связывать антигены, отличные по структуре от основного. Можно представить себе, что в таком случае в связывании принимают участие как часть общих аминокислотных остатков в антигенсвязывающих центрах, так и отличающихся по своей локализации и природе.

С количественной стороны специфичность взаимодействия антиген-- антитело характеризуется через аффинность антител или равновесную константу образования иммунокомплекса. В простейшем случае взаимодействие одного центра связывания антитела с моновалентным антигеном может быть представлено схемой

где Аг -- свободный антиген; Ат -- свободное антитело; Аг-Ат-- комплекс антиген -- антитело; k - константы скоростей ассоциации и диссоциации комплекса соответственно.

С учетом закона действующих масс в условиях равновесия можно записать

где -- равновесные концентрации Аг, Ат и комплекса Аг-Ат, соответственно, или при переходе к константе равновесия или внутренней аффинности:

Равновесная константа образования К_а иммунокомплекса имеет размерность. На практике часто используют равновесную константу диссоциации комплекса Kd, связанную с Ка простым соотношением

и имеющую размерность. Очевидно, что чем меньше Kd, тем прочнее образующийся иммунокомплекс.

Константа комплексообразования является термодинамическим параметром, характеризующим изменение свободной энергии взаимодействия антиген -- антитело AF, которое может быть рассчитано по следующей формуле: '

где R -- газовая постоянная; Ф -- абсолютная температура.

Общее изменение свободной энергии при комплексообразова-нии складывается из двух термодинамических величин --' изменений энтальпии и энтропии:

Определение АН можно провести экспериментально -- либо с помощью прямых калориметрических измерений, либо из зависимости равновесной константы комплексообразования от температуры, описываемой законом Вант-Гоффа:

Д# рассчитывают из температурной зависимости логарифма константы равновесия от обратной температуры.

Зная изменения энтальпии равновесного процесса АН и свободной энергии AF, при данной температуре изменение энтропии находят из соотношения

Реакция антиген -- антитело.протекает с выделением теплоты, но, как правило, изменение энтальпии невелико и составляет около 40 кДж/моль. Изменение энтропии в большинстве случаев положительно, так как активные центры антител в свободном виде доступны растворителю и гидратированы, а при взаимодействии с антигеном из них высвобождаются связанные молекулы воды, что приводит в целом к уменьшению упорядоченности системы. Таким образом, говоря об иммунологической специфичности антител, мы всегда проводим сравнительную оценку эффективности взаимодействия антиген--антитело, которое характеризуется константой равновесия или изменением свободной энергии системы при комплексообразовании.

Можно оценивать как специфичность данного антитела по отношению к различным антигенам, так и данного антигена по отношению к различным системам. Если одна и та же популяция антител взаимодействует с двумя различными антигенами An и Аг₂ с константами комплексообразовании соответственно Кй и 2, то говорят, что данные антитела являются высоко специфическими по отношению к Аг] и менее специфическими к Агг. Аналогично, если константа комплексообразования антигена с популяцией антител Бфй много больше, чем с антителами Атг, то первые являются специфическими по отношению к антигену, а вторые нет. Еще раз подчеркнем, что понятие специфичности является относительным. Например, если для одной и той,же популяции антител взаимодействие с антигеном Аг] по сравнению с Аг₂ является специфическим, то при наличии третьего антигена Агз, для которого Ks^Ki, эти антитела будут менее специфичны к Бгй, чем к Агз.

На практике часто условно подразумевают, что если константа равновесия процесса комплексообразования больше, чем 10⁸ л/моль, то антитела являются высокоаффинными.

Обычный диапазон изменения аффинности антител составляет 10⁵--10^й М^-1, что соответствует изменению свободной энергии связывания в области --24-.--52 кДж/моль. Максимальные значения констант связывания характерны для антигенов, обладающих ярко выраженными гидрофобными свойствами или же взаимодействующих с активным центром антитела достаточно большой областью молекулы. Наименьшей эффективностью взаимодействия характеризуются антитела против углеводов.

Таким образом, количественно специфичность можно оценить, измеряя изменение свободной энергии связывания или внутреннюю аффинность. В практических целях иногда очень важно провести сравнение специфичности взаимодействия ряда антигенов с антителами, индуцированными одним из этих антигенов. Относительная специфичность в этих случаях может быть выражена как отношение внутренних аффинностей взаимодействия с антителами рассматриваемого антигена и антигена, индуцировавшего антитела.

Подобного рода проблемы очень часто возникают, например, при разработке методов иммуноферментного анализа лекарственных препаратов, стероидных и белковых гормонов. В зависимости от способа получения антисыворотки антитела могут быть специфичны либо только к одному лекарственному препарату, либо к целой группе близких по структуре химических соединений. В этих случаях распространен способ оценки специфичности, основанный на сравнении связывания антител в данной концентрации одного и того же количества гомологичного и гетерологичного гап-тена. При этом концентрация образовавшегося иммунного комплекса для гомологичного гаптена принимается равной единице, а связывание всех гетерологичных гаптенов оценивается как доля от соответствующего связывания гомологичного гаптена.

Представляет большой интерес и оценка специфичности различных популяций антител, например различных типов моиокло-нальных антител, продуцируемых разными клонами клеток. Такое сравнение может быть проведено на основании сопоставления значений внутренней аффинности: антитела с более высокой специфичностью характеризуются более высоким значением константы внутренней аффинности.

2. Взаимодействие антигена с субпопуляцией антител