2.2 抗体的分子结构与功能

根据克隆选择学说，每一种抗体均来源于一种特定的B细胞克隆，它具有独特的结构和抗原特异性。

要研究蛋白质的结构，首先要纯化蛋白质，而血清抗体为多克隆抗体，用于研究抗体的结构很困难。两项关键的突破性研究对抗体结构的阐明非常重要。第一项是在1847年，Bence Jones在多发性骨髓瘤疾病（一种产生抗体的浆细胞单克隆恶性增殖性肿瘤）患者的尿液中成功地检查出一种蛋白，称为Bence Jones蛋白，它本质是抗体的片段（轻链）。癌变的B细胞克隆的大量增殖，必然导致大量瘤蛋白的产生，这些瘤蛋白可以是完整的抗体分子，也可能是抗体分子的某一片段（如轻链）。作为完整抗体分子的瘤蛋白，可誉之为“天然单克隆抗体”。可以从许多多发性骨髓瘤患者的尿中分离出许多不同的“天然单克隆抗体”，用于分析、比较其氨基酸序列，研究抗体的分子结构。由于它含量高而纯，为研究单一特异性抗体提供了很好的来源。1959年R.R.Porter从骨髓瘤研究中分离纯化出这种瘤蛋白，并阐明了作为一种抗体形式的蛋白质分子结构。

第二项突破性研究是1975年德国学者George Köhler和英国学者Cesar Milstein合作研究，将经绵羊红细胞免疫后的小鼠脾细胞与小鼠骨髓瘤细胞融合，建立了能持续分泌抗绵羊红细胞抗体的杂交瘤细胞，这种杂交瘤细胞能长时间存活并分泌单克隆抗体，从而创立了具有划时代意义的杂交瘤技术。同源性抗体和抗体产生细胞可用于抗体分子氨基酸序列的测定、分子克隆以及抗体的基因分析，也有一些研究曾以X射线晶体衍射分析法测定几种抗体分子和一些抗原-抗体复合物的三维结构。

2.2.1 抗体分子的基本结构

对抗体分子结构的分析发现，Ig分子的基本结构是由四条多肽链组成的。即由两条相同的相对分子质量较小的肽链（称为轻链，light chain, L链，相对分子质量约为24000）和两条相同的相对分子质量较大的肽链（称为重链，heavy chain, H链，相对分子质量约为55000或者70000）组成（图2.4）。轻链与重链由二硫键连接形成一个称为Ig分子的四肽链分子单体，它是构成免疫球蛋白分子的基本结构。Ig单体中四条肽链两端游离的氨基或羧基的方向是一致的，分别命名为氨基端（N端）和羧基端（C端）。

每条轻链内部、每条重链内部、每条轻链与一条重链之间以及两条重链之间都存在二硫键；重链和轻链之间还存在非共价键作用，主要是疏水性作用。轻链和重链都含有一系列重复的、同源性的单元，每一单元大约有110个氨基酸残基，它们独立折叠成球状，称为球蛋白功能区（domain）。所有的Ig都含有两层带有3～5股反平行的多肽链的β折叠。

轻链大约由214个氨基酸残基组成，通常不含碳水化合物。每条轻链含有两个由链内二硫键所组成的环肽。轻链共有两型：kappa（κ）与lambda（λ），同一个天然Ig分子上轻链的类型总是相同的。

重链大小约为轻链的2倍，含450～550个氨基酸残基。每条重链含有4～5个链内二硫键所组成的肽环。不同的重链由于氨基酸组成的排列顺序、二硫键的数目和位置等的不同，其抗原性也不相同，根据重链抗原性的差异可将其分为五类：μ链、γ链、α链、δ链和ε链，不同重链与轻链（κ或λ链）组成完整Ig的分子分别称为IgM, IgG, IgA, IgD和IgE。γ, α和δ链上含有4个肽环，μ和ε链含有5个肽环（图2.5，图2.6）。

抗体分子因大小、带电量、溶解度及其与抗原的作用不同，可分为许多不同的16类和亚类。免疫球蛋白本身有免疫原性，每个免疫球蛋白分子上带有多种抗原决定簇。免疫球蛋白作为免疫原可以在异种动物、同种异体动物或自身体内引起免疫应答，产生相应的抗体。这些抗免疫球蛋白抗体可用血清学方法进行检测，称为免疫球蛋白的血清型。

1．同种型（isotype）

是指同一种属所有正常个体免疫球蛋白分子共同具有的抗原特异性标志。同种型抗原决定簇主要存在于免疫球蛋白恒定区内。用血清学方法检测发现，人类有五类不同的重链：α, δ, γ, μ和ε。根据重链C区的不同，人类抗体分子可分为IgA, IgD, IgE, IgG和IgM五种类型（表2.1）。每一类都具有相同的同种型（isotype），根据CH氨基酸组成和H链间二硫键数目的差异将IgA和IgG又分成几个亚类或亚型，分别称为IgA1和IgA2; IgG1, IgG2, IgG3和IgG4。用希腊字母命名相应型的抗体重链：IgA1含有α1重链；IgA2, α2; IgD, δ; IgE, ε; IgG1, γ1;IgG2, γ2; IgG3, γ3; IgG4, γ4; IgM, μ（表2.2）。对鼠抗体的研究发现，鼠与人一样具有相同的型，但IgG被分成IgG1, IgG2a, IgG2b和IgG3几个亚类。所有同型和同亚型的抗体分子共有一段确定的氨基酸序列，这就是标记后的二抗有通用性的原理。但不同型或亚型的抗体间有所不同。

根据CL上同种型抗原决定簇的不同，将轻链分为κ和λ两种型。人的λ型有四个亚型：λ1, λ2, λ3和λ4。κ链只有一型，但κ型有三个同种异型：κm（1）, κm（2）和κm（3）。在组成抗体分子时，两条轻链是同型的，不存在一条是κ型、另一条是λ型的情况。正常人血清中的κ∶λ约为2∶1，而在小鼠的抗体分子中κ型约占97%，差异较大。目前尚不了解κ型和λ型之间的功能差异。

2．同种异型（allotype）

是指同一种属不同个体所产生的同一类型的免疫球蛋白，由于重链或轻链恒定区内一个或数个氨基酸不同，而表现的抗原性差异。同种异型抗原决定簇与人类ABO血型类似，为人类某些个体所共有，但绝不会为所有人所共有。γ, α, κ链的同种异型标志分别称为Gm, Am, Km因子。

3．独特型（idiotype, Id）

是指不同B细胞克隆所产生的免疫球蛋白分子V区所具有的抗原特异性标18志。独特型抗原决定簇由免疫球蛋白超变区特有的氨基酸序列和构型所决定（表2.3）。

（1）免疫网络学说（immune network theory）的提出

1974年丹麦的Niels K.Jerne根据现代免疫学对抗体分子独特型的认识，提出了著名的“免疫网络学说”。认为抗体分子或淋巴细胞的抗原受体上都存在着独特型，它们可被机体内另一些淋巴细胞识别后诱发抗独特型（anti-idiotype, aId）抗体。以独特型和抗独特型抗体的相互识别为基础，免疫系统内构成“网络”联系，在免疫调节中起重要作用。由于Niels K.Jerne对免疫学理论研究的贡献，与在单克隆抗体研究方面有突出贡献的德国的Georges J.F.Köhler和英国的César Milstein分享了1984年的诺贝尔生理学与医学奖。所以免疫球蛋白的超变区、抗原结合部位和独特型抗原决定簇的物质基础是超变区特有的氨基酸序列和构型。

免疫网络学说认为在抗原刺激发生之前，机体处于一种相对的免疫稳定状态，当抗原进入机体后打破了这种平衡，导致了特异性抗体分子的产生，当达到一定量时将引起抗Ig分子独特型的免疫应答，即抗抗体的产生。因此抗体分子在识别抗原的同时，也能被其他抗体分子所识别。这一点无论对血液中的抗体分子或是存在于淋巴细胞表面作为抗原受体的Ig分子都是一样的。在同一动物体内一组抗体分子可被另一组淋巴细胞表面抗独特型抗体分子所识别，而一组淋巴细胞表面抗原受体分子亦可被另一组淋巴细胞表面抗独特型抗体分子所识别。这样在体内相应形成了淋巴细胞与抗体分子所组成的网络结构。网络学说认为，这种抗抗体的产生在免疫应答的调节中起着重要作用，使受抗原刺激增殖的克隆受到抑制，而不至于无休止地进行增殖，借以维持免疫应答的稳定平衡。

（2）独特型网络的细胞

独特型决定簇存在于Ig的V区，也可存在于各类T细胞及B细胞的抗原识别受体的V区。因此在体内形成由独特型和抗独特型组成的免疫网络。

就淋巴细胞来说，构成这种网络结构的淋巴细胞有四种类型。当抗原进入机体经过抗原提呈细胞的加工处理后，可与相应的抗原反应细胞相结合，激活抗原反应细胞增殖、分化并产生抗体分子。这种抗原反应细胞可与另外三种淋巴细胞构成网络。一组是独特型反应细胞，即抗独特型淋巴细胞组，能识别抗原受体的独特型，具有抑制抗原反应淋巴细胞的作用。另一组能增强抗原反应淋巴细胞的作用，它的受体带有与抗原构型相同的独特型，因此也能被抗原反应细胞所识别，Jerne称此组淋巴细胞为内影像组。内影像概念是免疫网络理论的重要组成部分。第三组淋巴细胞为非特异平行组，其抗原识别受体与抗原反应细胞不同，但独特型却与之相同，本组细胞可促进独特型细胞的活性，可加强对网络的抑制作用。同样这三组淋巴细胞也各自通过其独特型的联系和其他淋巴细胞也形成网络，如此不断扩展。所以机体对某一特定抗原应答不只表现为抗原反应细胞的应答，而是通过独特型连接起来的一个庞大的免疫网络整体反应，它们通过连续不断的识别过程，产生促进或抑制作用，以维持机体免疫应答的相对稳定状态（图2.7）。

（3）独特型网络理论的应用意义

独特型理论为人工调控免疫应答提供了新的思路，特别是处于超敏状态下如过敏症、自身免疫病和器官移植时，已有利用抗Id抗体的抑制作用进行实验治疗成功的报道。例如用B大鼠的移植抗原注射A大鼠，自A品系大鼠获得抗体，用此抗体对A大鼠进行免疫产生抗Id抗体就可抑制由T细胞介导的对B移植抗原的排斥反应。这可能是因为抗Id反应灭活了引起排斥反应的淋巴细胞，也就是抗Id封闭了B细胞受体上的Id。另外一种完全不同的方法是应用抗原内影像的抗Id刺激抗原特异T抑制细胞活化，能阻断对同一抗原上对其他抗原决定簇起反应的B细胞活化，这也就是抗原本身的桥梁作用。某些情况下也可应用抗原内影像即抗Id代替抗原刺激产生抗体。这种情况用于抗原数量少，难以获得时，如某些寄生虫抗原、某些癌相关的胚胎抗原、用化学合成方法得到的抗原或用基因克隆法得到的重组抗原难以折叠成天然分子构型的蛋白质抗原，可选择有抗原表位构型的抗Id代替抗原进行免疫以克服抗原不足的困难。

2.2.2 可变区和恒定区

1．可变区（variable region, V区）

位于L链靠近N端的1/2（约含108～111个氨基酸残基）和H链靠近N端的1/5或1/4（约含118个氨基酸残基）区域。每个V区中均有一个由链内二硫键连接形成的肽环，每个肽环约含67～75个氨基酸残基。V区氨基酸的组成和排列决定抗体的抗原结合特异性。由于V区中氨基酸的种类和排列顺序千变万化，故可形成许多种具有不同结合抗原特异性的抗体。

L链和H链的V区分别称为VL和VH。在VL和VH中某些局部区域的氨基酸组成和排列顺序具有更高的变化程度，这些区域称为超变区（hypervariable region, HVR）。在V区中非HVR部位的氨基酸组成和排列相对比较保守，称为骨架区（framework region）。VL中的超变区有三个，通常分别位于第24～34,50～56,89～97位氨基酸残基（图2.8）。VL和VH的这三个HVR分别称为HVR1, HVR2和HVR3。经X射线晶体衍射的研究分析证明，超变区确实为抗体与抗原结合的位置，因而称为互补决定区（complementarity-determining region, CDR）。VL和VH的HVR1, HVR2和HVR3又可分别称为CDR1, CDR2和CDR3，一般的CDR3具有更高的超变程度。超变区也是Ig分子独特型决定簇（idiotypic determinants）主要存在的部位。在大多数情况下H链在与抗原结合中起更重要的作用。

2．恒定区（constant region, C区）

位于L链靠近C端的1/2（约含105个氨基酸残基）和H链靠近C端的3/4或4/5（约从119位氨基酸至C末端）区域。H链每个功能区约含110多个氨基酸残基，含有一个由二硫键连接的50～60个氨基酸残基组成的肽环。这个区域氨基酸的组成和排列在同一种属动物Ig同型L链和同一类H链中都比较恒定，如人抗白喉外毒素的抗毒素IgG与人抗破伤风外毒素的抗毒素IgG，它们的V区不相同，只能与相应的抗原发生特异性结合，但其C区的结构是相同的，即具有相同的抗原性，应用马抗人IgG第二抗体（或称抗抗体）均能与这两种抗不同外毒素的抗体（IgG）发生结合反应。这是制备第二抗体，应用荧光素、酶、同位素等标记抗体的重要基础。

2.2.3 抗体的其他成分

1）连接链（Joining chain, J链）:J链是在IgA和IgM中发现的相对分子质量为15000的多肽，是由合成IgA或者IgM的浆细胞产生的一种酸性糖蛋白，由124个氨基酸组成，含有8个半胱氨酸残基。在二聚体IgA和五聚体IgM分子中均含有一分子J链。J链通过二硫键连接到μ链或α链的羧基端的半胱氨酸。J链可能在IgA二聚体或IgM五聚体组成、体内转运以及维持免疫球蛋白多聚体的稳定中具有一定的作用（图2.9）。

2）分泌片（secretory component）：是由粘膜上皮细胞合成的一种糖蛋白，是上皮细胞膜上的多聚免疫球蛋白受体的胞外区肽链部分，也可看做是二聚体IgA分子J链受体，可保护分泌型IgA免受蛋白酶的水解破坏（图2.10）。

2.2.4 抗体分子的功能区

抗体的基本结构都是由两条相同的重链（大约55000或者70000）和两条相同的轻链（大约24000）通过共价键连接形成的对称结构。抗体的重链由氨基末端的一个可变区和羧基末端的三或四个恒定区构成。抗体的轻链由氨基末端的一个V区和羧基末端的一个C区构成。在抗体每一区域内都各有一个链内二硫键，并以此维系折叠成一个个彼此类似的、致密的球形结构，它是抗体的基本结构单位，行使自己独特的免疫学功能，称其为“功能区”或“结构域”。每一个功能区大约有110个氨基酸残基。V区的氨基酸组成和排列顺序随抗体特异性不同而有所变化，一条重链的V区（VH）与一条轻链的V区（VL）形成一个抗原结合位点，所以一个抗体单体分子含有两个抗原结合位点。不同抗体之间序列的差异分别在重链和轻链V区的三个分开的位置，称为超变区。抗体分子的抗原结合部位由VL和VH的超变区围成，在结构上与抗原结构互补，超变区又称为互补决定区（CDR）。从氨基端到羧基端分别是CDR1, CDR2和CDR3，其中CDR3是最可变的，它产生序列多样性的遗传机制比CDR1和CDR2更多（图2.11）。V区折叠成Ig的一个功能区，是由CDRs附近的框架区序列所确定。抗体轻链的三个超变区CDR1, CDR2和CDR3的氨基酸残基位置分别是：24～34,50～56和89～97（图2.8）。重链也有三个超变区CDR1, CDR2和CDR3，其氨基酸残基的位置是：31～35,50～65和95～102。C区的氨基酸组成和序列及含糖量方面都无大的变化，相对稳定。抗体的重、轻链C区分别称为CH和CL。轻链只有一个C区，而IgG, IgA和IgD的重链有三个C区：CH1, CH2和CH3; IgM和IgE有四个恒定区：CH1, CH2, CH3和CH4。抗体重链的C区与免疫系统的其他效应分子或细胞作用，调节抗体的生物学功能，并且通过其羧基末端结合到浆细胞或B细胞表面。抗体的C区不参与抗原识别。抗体分子可以看成是一个双功能蛋白质，结合抗原部位在抗体分子的N端的V区，执行生物学功能的部位在另一端，即C区。由于抗体分子的C区的结构差异，在发挥生物学功能方面，亦各有所长，如IgG和IgM可结合补体，使补体酶系被激活，产生溶菌、溶细胞效应。又如IgG类可以通过胎盘进入胎儿体内，对胎儿起免疫保护作用，而其他抗体无此功能。对抗体功能区的作用总结如下：

1）VL和VH是与抗原结合的部位，其中HVR（CDR）是V区中与抗原决定簇（或表位）互补结合的部位。VH和VL通过非共价相互作用，组成一个FV区。单位Ig分子具有2个抗原结合位点（antigen-binding site），二聚体分泌型IgA具有4个抗原结合位点，五聚体IgM可有10个抗原结合位点。理论上10价，但由于空间位阻作用，达不到10价。

2）CL和CH上具有部分同种异型的遗传标记。

3）CH2:IgG CH具有补体Clq结合点，能激活补体的经典激活途径。母体IgG借助CH2部分可通过胎盘主动传递到胎儿体内。

4）CH3:IgG CH3具有结合单核细胞、巨噬细胞、粒细胞、B细胞和NK细胞Fc段受体的功能。IgM CH3（或CH3与部分CH4）具有补体结合位点。IgE的Cε2和Cε3功能区与结合肥大细胞和嗜碱性粒细胞FcεRⅠ有关。

在抗体重链分子结构的研究中，发现在IgG, IgA的CH1与CH2之间，IgM, IgE的CH2与CH3之间有十几个氨基酸组成的灵活区域，称为铰链区（hinge region）。此区域富含脯氨酸及其他亲水性氨基酸残基，有柔曲性，可以自由运动，能使抗体分子与不同距离的抗原决定簇结合，有利于抗体分子上两个抗原结合部位同时发挥作用，从而大大提高抗原抗体分子间的亲和力；有利于暴露抗体分子上的补体24结合位点而激活补体，铰链区的亲水性使其暴露于液相，易于与各种专一性不同的蛋白酶接近，成为蛋白酶的酶切位点。重链之间的二硫键恰好位于铰链区。

2.2.5 抗体分子的酶切片段

1．木瓜蛋白酶（papain）酶切片段

木瓜蛋白酶能够将IgG分子从铰链区二硫键的N端切断，得到三个片段。其中两个片段完全相同，具有抗原结合能力，称为Fab段（antigen-binding fragment）。另一个片段不能结合抗原，但能与细胞表面的抗体受体结合，在低温和低离子强度下容易形成结晶，称为Fc段（crystalisable fragment）。

2．胃蛋白酶（pepsin）酶切片段

胃蛋白酶能够将IgG分子从铰链区二硫键的C端切断，得到一个大分子片段和若干小分子多肽碎片。其中大分子片段为Fab双体，具有双价抗体活性，能与两个相应的抗原决定簇结合，称为F（ab′）2段。小分子多肽碎片无生物活性，称为pFc′段（图2.12）。马血清抗毒素经胃蛋白酶处理后可去除大部分Fc段，降低Ig的免疫原性，给人注射减少过敏反应。

2.2.6 抗体的生物学功能

1．特异性结合相应抗原

抗体的超变区与抗原决定簇的立体结构必须吻合才能结合，抗体与抗原的结合具有高度的特异性（图2.13或彩图2）。抗体分子特异性结合抗原后，在体内可

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2．激活补体

当IgG1, IgG2, IgG3和IgM类抗体分子特异性结合相应抗原后，其构型发生变化，暴露补体结合点，IgG的CH2或IgM的CH3结合补体Clq经传统途径激活补体系统。对IgG而言，至少需要有两个以上密切相邻的IgG分子与相应抗原结合后方可激活补体。IgG4和IgA等其他Ig分子的凝聚物可经替代途径激活补体。人类天然的抗A和抗B血型抗体为IgM，血型不符合输血，由抗原抗体反应激活补体发生溶血，引起的输血反应发生快而且严重。

3．结合Fc受体

Ig经V区与相应抗原结合后，能通过其Fc段与多种细胞表面的Fc受体结合，激发不同的效应功能。

（1）调理促吞噬作用

IgG分子与细菌等颗粒性抗原结合后，可通过Fc段与单核吞噬细胞和中性粒细胞表面的相应受体（FcγR）结合，而促进其吞噬功能称为调理作用（opsonization）。补体与抗体同时发挥调理吞噬作用，称为联合调理作用。中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞具有高亲和力或低亲和力的FcγRⅠ（CD64）和FcγRⅡ（CD32）, IgG尤其是人IgG1和IgG3亚类对于调理吞噬起主要作用。嗜酸性粒细胞具有亲和力FcγRⅡ, IgE与相应抗原结合后可促进嗜酸性粒细胞的吞噬作用。抗体的调理机制一般认为是：①抗体在抗原颗粒和吞噬细胞之间“搭桥”，从而加强了吞噬细胞的吞噬作用；②抗体与相应颗粒性抗原结合后，改变抗原表面电荷，降低吞噬细胞与抗原之间的静电斥力；③抗体可中和某些细菌表面的抗吞噬物质如肺炎双球菌的荚膜，使吞噬细胞易于吞噬；④吞噬细胞FcR结合抗原-抗体复合物，吞噬细胞可被活化。

（2）介导过敏反应

IgE的Fc段与肥大细胞和嗜碱性粒细胞表面的相应受体（FcεR）结合后，可使这些细胞致敏，并在变应原作用下，使这些细胞脱颗粒释放生物活性物质，如组织胺、缓激肽等，引起局部毛细血管扩张、通透性增加，激发Ⅰ型超敏反应。

（3）抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用（antibody-dependent cellular cytotoxicity, ADCC效应）

IgG与相应的靶细胞如病毒感染的细胞和肿瘤细胞等结合后，通过其Fc段与NK细胞上相应受体（FcγR）结合，可发挥ADCC效应（图2.15）。单核吞噬细胞、中性粒细胞表面具有IgG Fc受体，也可对上述结合IgG的靶细胞产生ADCC效应。

4．穿过胎盘

在五类Ig中，IgG是唯一能从母体通过胎盘转移到胎儿体内的Ig，胎儿通过此种方式获得的免疫称为天然被动免疫。研究表明，母体内IgG可能是通过与胎盘滋养层细胞表面相应受体（FcγR）结合后转运到胎儿体内的。

5．免疫调节

抗体对免疫应答具有正、负两方面的调节作用。还可通过独特型与抗独特型网络参与机体的免疫调节（参见2.2.1小节）。