抗原抗体反应

抗原抗体反应 第九章 抗原抗体反应 抗原抗体反应(antigen-antibody reaction)是指抗原与相应抗体之间所发生的特异性结合反应。可发生于体内(in vivo)，也可发生于体外(in vitro)。体内反应可介导吞噬、溶菌、杀菌、中和毒素等作用;体外反应则根据抗原的物理性状、抗体的类型及参与反应的介质(例如电解质、补体、固相载体等)不同，可出现凝集反应、沉淀反应、补体参与的反应及中和反应等各种不同的反应类型。因抗体主要存在于血清中，在抗原或抗体的检测中多采用血清作试验，所以体外抗原抗体反应亦称为血清学反应(serologic reaction)。 第一节 抗原抗体反应的原理 抗原与抗体能够特异性结合是基于两种分子间的结构互补性与亲和性，这两种特性是由抗原与抗体分子的一级结构决定的。抗原抗体反应可分为两个阶段。第一为抗原与抗体发生特异性结合的阶段，此阶段反应快，仅需几秒至几分钟，但不出现可见反应。第二为可见反应阶段，抗原抗体复合物在环境因素(如电解质、pH、温度、补体)的影响下，进一步交联和聚集，表现为凝集、沉淀、溶解、补体结合介导的生物现象等肉眼可见的反应。此阶段反应慢，往往需要数分钟至数小时。实际上这两个阶段难以严格区分，而且两阶段的反应所需时间亦受多种因素和反应条件的影响，若反应开始时抗原抗体浓度较大且两者比较适合，则很快能形成可见反应。 (一)亲水胶体转化为疏水胶体 抗体是球蛋白，大多数抗原亦为蛋白质，它们溶解在水中皆为胶体溶液，不会发生自然沉淀。这种亲水胶体的形成机制是因蛋白质含有大量的氨基和羧基残基，这些残基在溶液中带有电荷，由于静电作用，在蛋白质分子周围出现了带相反电荷的电子云。如在pH 7.4时，某蛋白质带负电荷，其周围出现极化的水分子和阳离子，这样就形成了水化层，再加上电荷的相斥，就保证了蛋白质不会自行聚合而产生沉淀。 抗原抗体的结合会使电荷减少或消失，电子云也消失，蛋白质由亲水胶体转化为疏水胶体。此时，如再加入电解质，如NaCl，则进一步使疏水胶体物相互靠拢，形成可见的抗原抗体复合物。 (二)抗原抗体结合力 有四种分子间引力参与并促进抗原抗体间的特异性结合。 1.电荷引力(库伦引力或静电引力) 这是抗原抗体分子带有相反 电荷的氨基和羧基基团之间相互吸引的力。例如，一方在赖氨酸离解层带有阳离子化的 + - 氨基残基(-NH)，另一方在天门冬氨酸电离后带有阴离子化的羧基(-COO)时，3 即可产生静电引力，两者相互吸引，可促进结合。这种引力和两个电荷间的距离的平方成反比。两个电荷越接近，静电引力越强。反之，这种引力便很微弱。 2.范登华引力 这是原子与原子、分子与分子互相接近时发生的一种吸引力，实际上也是电荷引起的引力。由于抗原与抗体两个不同的大分子外层轨道上电子之间相互作用，使得两者电子云中的偶极摆动而产生吸引力，促使抗原抗体相互结合。这种引力的能量小于静电引力。 3.氢键结合力 氢键是由分子中的氢原子和电负性大的原子如氮、氧等相互吸引而形成的。当具有亲水基团(例如-OH,-NH及 -COOH)的抗体与相对应的抗原彼此接2 近时，可形成氢键桥梁，使抗原与抗体相互结合。氢键结合力较范登华引力强，并更具有特异性，因它需要有供氢体和受氢体才能实现氢键结合。 4.疏水作用 抗原抗体分子侧链上的非极性氨基酸(如亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸)在水溶液中与水分子间不形成氢键。当抗原表位与抗体结合点靠近时，相互间正、负极性消失，由于静电引力形成的亲水层也立即失去，排斥了两者之间的水分子，从而促进抗原与抗体间的相互吸引而结合。这种疏水结合力对于抗原抗体的结合是很重要的，提供的作用力最大。 第二节 抗原抗体反应的特点 (一)特异性 抗原抗体的结合实质上是抗原表位与抗体超变区中抗原结合点之间的结合。由于两者在化学结构和空间构型上呈互补关系，所以抗原与抗体的结合具有高度的特异性。这种特异性如同钥匙和锁的关系。例如白喉抗毒素只能与相应的外毒素相结合，而不能与破伤风外毒素结合。但就蛋白质而言，较大分子的蛋白质常含有多种抗原表位。如果两种不同的抗原分子上有相同的抗原表位，或抗原、抗体间构型部分相同，皆可出现交叉反应。 (二)按比例 在抗原抗体特异性反应时，生成结合物的量与反应物的浓度有关。无论在一定量的抗体中加入不同量的抗原或在一定量的抗原中加入不同量的抗体，均可发现只有在两者分子比例合适时才会出现最强的反应。以沉淀反应为例，若向一排试管中加入一定量的抗体，然后依次向各管中加入递增量的相应可溶性抗原，根据所形成的沉淀物及抗原抗体的比例关系可绘制出反应曲线(图9-1)。从图中可见，曲线的高峰部分是抗原抗体分子比例合适的范围，称为抗原抗体反应的等价带(zone ofequivalence)。在此范围内，抗原抗体充分结合，沉淀物形成快而多。其中有一管反应最快，沉淀物形成最多，上清液中几乎无游离抗原或抗体存在，表明抗原与抗体浓度的比例最为合适，称为最适比(optimalratio)。在等价带前后分别为抗体过剩带和抗原过剩带，由于抗原抗体比例不适合，沉淀物量少，上清液中可测出游离的抗原或抗体。如果抗原或抗体极度过剩则无沉淀物形成，这种现象称为带现象(zonephenomenon)。出现在抗体过量时，称为前带(prezone)，出现在抗原过剩时，称为后带(postzone)。 图9-1 沉淀反应中沉淀量与抗原抗体的比例关系\par 关于抗原抗体结合后如何形成聚合物，曾经有过不少解释。结合现代免疫学的成就和电镜观察所见，仍可用Marrack(1934)提出的网格学说(lattice theory)加以说明。因为大多数抗体是两价的，而抗原是多价的，当抗原抗体处于等价带时，可互相联结成为具有立体结构的巨大网格状聚集体，形成肉眼可见的沉淀物。但当抗原或抗体过量时，由于其结合价不能相互饱和，就只能形成较小的沉淀物或可溶性抗原抗体复合物。 在用沉淀反应对不同来源的抗血清进行比较后，发现抗体可按等价带范围大小分为两种类型，即R型抗体和H型抗体。R型抗体以家兔免疫血清为代表，具有较宽的抗原抗体合适比例范围，只在抗原过量时，才易出现可溶性免疫复合物，大多数动物的免疫血清均属此型。H型抗体以马免疫血清为代表，其抗原与抗体的合适比例范围较窄，抗原或抗体过量，均可形成可溶性免疫复合物。人和许多大动物的抗血清皆属H型。 (三)可逆性 抗原抗体反应遵循生物大分子热动力学反应原则，其反应式为: [Ab-Ag] k1 ????? , ?? , , [Ab].[Ag] k2 式中各反应项的单位以mol 表示，k1为正反应速度常数，k2为逆反应速度常数，,是反应平衡时的速度常数。由上式可知，,值是反映抗原抗体间结合能力的指示，所以抗体亲和力通常以,值表示。 抗原抗体复合物解离取决于两方面的因素，一是抗体对相应抗原的亲和力;二是环境因素对复合物的影响。高亲和性抗体的抗原结合点与抗原表位在空间构型上非常适合，两者结合牢固，不容易解离。反之，低亲和性抗体与抗原形成的复合物较易解离。解离后的抗原或抗体均能保持未结合前的结构、活性及特异性。在环境因素中，凡是减弱或消除抗原抗体亲和力的因素都会使逆向反应加快，复合物解离增加。如pH改变，过高或过低的pH值均可破坏离子间的静电引力，使抗原抗体间的结合力下降;增加离子强度也可通过中和带电离子使静电引力消失。对亲合力本身较弱的反应体系而言，仅增加离子强度即可达到解离抗原抗体复合物的目的;增加温度可增加分子间的热动能，加速已结合的复合物的解离，但由于温度变化易致蛋白变性，所以实际工作中极少应用。改变pH和离子强度是最常用的促解离方法，免疫技术中的亲和层析就是以此为根据纯化抗原或抗体的。 第三节 影响抗原抗体反应的因素 (一)电解质 抗原与抗体发生特异性结合后，虽由亲水胶体变为疏水胶体，若溶液中无电解质参加，仍不出现可见反应。为了促使沉淀物或凝集物的形成，常用0.85%氯化钠或各种缓 + - 冲液作为抗原及抗体的稀释液。由于氯化钠在水溶液中离解成Na和Cl，可分别中和胶体粒子上的电荷，使胶体粒子的电势下降。当电势降至临界电势(12,15mV)以下时，则能促使抗原抗体复合物从溶液中析出，形成可见的沉淀物或凝集物。 (二)酸碱度 抗原抗体反应必须在合适的pH环境中进行。蛋白质具有两性电离性质，因此每种蛋白质都有固定的等电点。免疫球蛋白的等电点约为5.0,5.5(IgG 6.8,7.2)。抗原抗体反应一般在pH为6,8进行。pH过高或过低都将影响抗原与抗体的理化性质，例如 pH达到或接近抗原的等电点时，即使无相应抗体存在，也会引起颗粒性抗原非特异性的凝集，造成假阳性反应。\par (三)温度 在一定范围内，温度升高可加速分子运动，抗原与抗体碰撞机会增多，使反应加速。但若温度高于56?时，可导致已结合的抗原抗体再解离，甚至变性或破坏;在40?时，结合速度慢，但结合牢固，更易于观察。常用的抗原抗体反应温度为37?。每种试验都有其独特的最适反应温度，例如冷凝集素在4?左右与红细胞结合最好，20?以上反而解离。 此外，适当振荡也可促进抗原抗体分子的接触，加速反应。 第四节 抗原抗体反应的类型 根据抗原和抗体性质的不同和反应条件的差别，抗原抗体反应表现为不同的形式。颗粒性抗原表现为凝集反应;可溶性抗原表现为沉淀反应;补体参与下细菌抗原表现为溶菌反应，红细胞抗原表现为溶血反应;毒素抗原表现为中和反应等。利用这些类型的抗原抗体反应建立了各种免疫学技术，在医学检验中广泛用于抗原和抗体的检测。为了提高反应的敏感性和特异性，更发展了一些新的试验类型，如各种标记的抗原抗体反应等。这些类型各有其特点，将在以下各章中详细叙述。 (孔宪涛)