Гаптены (от греч. ἅπτω — прикреплять) — низкомолекулярные вещества, не обладающие антигенностью и приобретающие её при увеличении молекулярного веса (например за счет прикрепления к специальному белку-носителю — т. н. «шаперону»). В иммунологию понятие «гаптены» ввел Карл Ландштейнер в 1923 г. Гаптены отличаются очень высоким уровнем специфичности (очень часто в определении специфичности участвует всего один радикал).
Соединения с молекулярной массой менее 10000, например лекарственные средства, сами по себе не иммуногенны. Такие соединения принято называть гаптенами. Гаптены приобретают иммуногенность лишь после соединения с высокомолекулярным белком-носителем. Гаптены не могут стимулировать выработку антител, но могут связываться с ними. Гаптены — простые химические соединения, в основном ароматического ряда, не в состоянии запускать иммунный процесс, демонстрируя тем самым отсутствие иммуногенных свойств. В то же время они обладают вполне конкретной специфичностью, то есть способностью вступать во взаимодействие с предсуществующими к ним антителами.
Обычно гаптен — небольшая функциональная группа, представляющая собой одну детерминанту. Гаптенами могут быть органические соединения, фениларсонат, моно- и олигосахариды, а также олигопептиды. Наиболее часто используемый [ где? ] [ кем? ] гаптен — динитрофенил (ДНФ).
Гаптены могут связываться с уже имеющимся антителом или поверхностным рецептором на специфической B-клетке, но не способны вызвать образование антител, поскольку гаптены не иммуногенны. Однако они приобретают иммуногенность при соединении с подходящим белком-носителем. В настоящее время установлено, что функция носителя заключается в стимуляции T-хелперов, помогающих B-клеткам реагировать на гаптен.
Существует ряд методов получения антител in vitro к небольшим гаптенам.
Антигены ( Аг ) разделяют на иммуногены, гаптены и толерогены.
Иммуногены
Большая часть Аг способна запускать иммунные реакции, выступая в последующем в качестве мишени, в отношении которой эти реакции реализуются. Иначе иммуногены известны как полные Аг. Часть Аг имеют малые размеры и простое строение, тогда как другие представляют крупные и сложные молекулы, содержат множество эпитопов, каждый из которых распознают различные рецепторы лимфоцитов и/или AT.
Гаптены
Гаптены могут быть простыми и сложными; простые гаптены взаимодействуют с AT в организме, но не способны реагировать с ними in vitro; сложные гаптены взаимодействуют с AT in vivo и in vitro. Гаптены могут стать иммуногенными при связывании с высокомолекулярным носителем, обладающим собственной иммуногенностью. Например, хром и никель, связываясь с белками кожи, способны вызвать аллергический контактный дерматит, развивающийся при повторных соприкосновениях кожи с хромированными или никелированными предметами. При этом антигенные детерминанты гаптена полностью маскируют аналогичные структуры носителя.
Непреципитирующие гаптены
Непреципитирующие гаптены взаимодействуют с AT, блокируют их, но не образуют видимых преципитатов. AT, связавшиеся с такими гаптенами, не реагируют с полными Аг, вызывающими образование AT.
Преципитирующие гаптены
Преципитирующие гаптены образуют видимые преципитаты при взаимодействии со специфическими AT. Свойствами преципитирующих гаптенов обладают полисахариды энтеробактерии и пневмококков.
Полугаптены
Полугаптены — неорганические вещества (например, йод или хром), присоединение которых к молекуле белка меняет его иммуногенные свойства. Образующиеся AT специфичны к йоду или хрому, то есть к детерминантам на поверхности полного Аг, но не к белку-носителю.
Проантигены
Проантигены — гаптены, способные присоединяться к белкам организма и сенсибилизировать его как аутоантигены. Например, метаболиты грибов пенициллов или продукты распада пенициллинов могут связывать белки и вызывать развитие к ним иммунных реакций.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
В иммунологии термин «антиген» несет двойную смысловую нагрузку: как индуктор иммунного ответа и как биологический маркер.
В то же время высокомолекулярные соединения (белки, полисахариды) обладают как антигенной специфичностью, так и иммуногенностью.
В качестве биологических маркеров антигены широко используются в сравнительных исследованиях при решении вопросов филогении, систематики, популяционной генетики, морфо- и тканегенеза, клеточной дифференцировки.
Соединения с молекулярной массой менее 10000, например лекарственные средства, сами по себе не иммуногенны. Такие соединения принято называть гаптенами. Они приобретают иммуногенность лишь после соединения с высокомолекулярным белком-носителем. Гаптены не могут стимулировать выработку антител, но могут связываться с ними. Это простые химические соединения, в основном ароматического ряда, не в состоянии запускать иммунный процесс, демонстрируя тем самым отсутствие иммуногенных свойств. В то же время они обладают вполне конкретной специфичностью, то есть способностью вступать в реакции взаимодействия с предсуществующими к ним антителами.
Они могут связываться с уже имеющимся антителом или поверхностным рецептором на специфической B-клетке, но не способны вызвать образование антител, поскольку гаптены не иммуногенны. Однако приобретают иммуногенность при соединении с подходящим белком-носителем. В настоящее время установлено, что функция носителя заключается в стимуляции T-хелперов, помогающих B-клеткам реагировать на гаптен.
Существует ряд методов получения антител in vitro к небольшим гаптенам.
1.1 Структура и специфичность гаптенов
Структура и антигенная специфичность гаптенов определяется целым рядом факторов. В качестве гаптенов могут выступать самые разнообразные органические вещества с Мг>100. С практической точки зрения важными являются стероидные и пептидные гормоны, широкий круг лекарственных соединений, пестициды, различные продукты промышленного органического синтеза, обладающие аллергенным действием.
Антигенная специфичность гаптенов сильно зависит от их химической структуры. Так, введение дополнительных групп может сильно исказить «антигенный портрет» того или иного соединения. Например, тироксин и трийодтиронин отличаются только одним остатком I, чего вполне достаточно, чтобы антитела против этих гормонов сильно различались перекрестной реактивностью. Классическими примерами стали исследования с пара-, орто- и мета-аминобензойной кислотами, которые практически не дают перекрестных реакций при сопоставимых концентрациях.
Важным моментом является стереоспецифичность гаптенов; антитела против олигопептидов из D-аминокислот не реагируют с олигопептидами из L-аминокислот.
На антигенную специфичность сильное влияние оказывают аминокислотный остаток белка носителя, к которому пришит гаптен, а также молекулярные размеры гаптена. Так, в длинных олигопептидных гаптенах замена аминокислотных остатков, которые расположены близко к белку-носителю, оказывает меньшее влияние, чем в коротких. Напротив, замены в удаленных от носителя аминокислотных остатках оказываются драматическими для антигенной структуры независимо от размеров гаптена. Аналогичны закономерности для олигосахаридов.
В некоторых видах иммуноферментного анализа в качестве одного из реагентов используют гаптен, меченный ферментом. Если связывание в таком конъюгате аналогично способу пришивки в конъюгате гаптена с белком-носителем для получения антител, то говорят, что в анализе используют гомологичные антитела. Если же структура «ножки» и способ пришивки гаптена в обоих случаях различны, то говорят о гетерологичных антителах. Применение того или иного вида антител или конъюгатов в иммуноферментном анализе может весьма сильно сказываться на его чувствительности и некоторых других характеристиках.
Весьма существенным фактором для специфичности является химическая структура «ножки», в частности ее длина и ближайшее окружение гаптена. Все эти моменты крайне важно учитывать при разработке методов иммунохимического анализа гаптенов.
Сильное влияние различных факторов на антигенную структуру и специфичность гаптенов, по-видимому, объясняется их ограниченными размерами и особенностями структуры активных центров антител.
Знание антигенной структуры и специфичности гаптенов имеет важное значение для создания методов иммунохимического определения различных физиологически активных соединений, так как многие из них претерпевают различные биохимические превращения, в результате чего образуется группа близкородственных метаболитов.
1.2 Гаптенная детерминанта
Они обладают антигенностью, что обусловливает их специфичность, способность избирательно взаимодействовать с антителами или рецепторами лимфоцитов, определяться иммунологическими реакциями. Гаптены могут стать иммуногенными при связывании с иммуногенным носителем (например, белком), то есть становятся полными.
Глава 2. Использование гаптен для изучения специфичности антигенных детерминант
При реакции с антигеном не всегда связывающие центры антитела охватывают весь антиген. Часть последнего, непосредственно взаимодействующая с антителом, называется антигенной детерминантой. Одна молекула может содержать одну и более антигенных детерминант. Для изучения специфичности антител необходимо иметь антитела, направленные против индивидуальных антигенных детерминант. Небольшая функциональная группа, представляющая собой одну антигенную детерминанту, называется гаптеном. Гаптенами могут быть различные органические соединения, например ТНФ (тринитрофенильная группа), фениларсонат, моно- и олигосахариды, такие как глюкоза и лактоза, а также олигопептиды, например пентализин. Хотя эти гаптены способны связываться с антителами, тем не менее они обычно не являются иммуногенами, т. е. иммунизация ими не приводит к образованию антител.
В то же время иммунный ответ часто можно вызвать с помощью гаптена, ковалентно присоединенного к большой молекуле, называемой носителем. Этот носитель иммуногенен сам по себе, и иммунизация конъюгатами гаптен-носитель вызывает появление антител как против носителя, так и против гаптена. Полученные таким образом специфичные к гаптену антитела можно изучать методом равновесного диализа в присутствии свободного (не связанного с носителем) гаптена с помощью иммунопреципитации, используя для этого гаптен, пришитый к другому носителю, или же применяя метод торможения преципитации свободным гаптеном.
Описанный способ получения и исследования антигаптеновых антител, впервые примененный Ландштейнером, помог выяснить, какие элементы тонкой структуры антигенной детерминанты определяют ее специфичность.
Сравнительное изучение связывания антител с различными гаптенами показало, что узнавание антителами «своего» гаптена оказывается специфичным, даже несмотря на гетерогенность полученной популяции антител. В отличие от антител, направленных против полидетерминантных антигенов, популяция антител, специфичных к одной детерминанте (гаптену), относительно ограничена. Это обусловлено тем, что связывание гаптена с антигенсвязывающим центром антитела требует определенных структурных ограничений для точного соответствия их друг другу. В то же время специфичность антисыворотки зависит от специфичностей всех входящих в нее антител, что в свою очередь определяется структурами их антигенсвязывающих центров.
При изучении перекрестных реакций с аналогами гаптена оказалось, что некоторые аналоги образуют комплексы со всеми имеющимися в сыворотке антителами, тогда как связывание других аналогов быстро достигает насыщения, поскольку их структура хорошо соответствует структуре антигенсвязывающего центра лишь некоторых антител. Антитела, полученные от разных животных, могут проявлять разную способность к иммунологическому перекресту при взаимодействии с тем же самым набором родственных гаптенов. Даже у одного и того же животного, как известно, в определенных условиях аффинность и специфичность антител с увеличением времени, прошедшего с начала иммунизации, могут возрастать.
Таким образом, наличие или отсутствие иммунологического перекреста любых двух гаптенов отражает как структурные различия между ними, определяющие возможность или невозможность антигена и антитела связаться друг с другом, так и разнообразие антигенсвязывающих центров, имеющихся в данной антисыворотке.
Глава 3. Работы Карла Ландштайнера
Схема постановки опытов, разработанная Ландштейнером, включала иммунизацию кроликов гаптен-белковым комплексом и последующий анализ антисывороток от иммунизированных животных с тем же самым или иным гаптеном, но конъюгированным с другим неродственным белком. Подобный прием позволял работать только с антителами к гаптену, взятому для иммунизации, и исключал те антитела, которые образовывались кэпитопам белка. В результате удалось показать решающую роль тонкой конфигурации гаптена в определении специфичности.
Гаптены (от греч. ἅπτω — прикреплять) — низкомолекулярные вещества, не обладающие иммуногенностью и приобретающие их при увеличении молекулярного веса (например за счет прикрепления к специальному белку-носителю- т. н. «шлепперу»). В иммунологию понятие «гаптены» ввел Landsteiner в 1923 г. Гаптены отличаются очень высоким уровнем специфичности (очень часто в определении специфичности участвует всего один радикал)
Существует ряд методов получения антител in vitro к небольшим гаптенам.
Гаптенная детерминанта
Гаптенная детерминанта — участок на поверхности макромолекулы, с которым специфично связываются молекулы малого размера ( гаптены). Образовавшийся комплекс способен вызвать синтез специфических антител (иммуноглобулинов). В отсутствие акцептирующей макромолекулы гаптен не способен сам активизировать иммунные реакции.
Гаптены обладают антигенностью, что обусловливает их специфичность, способность избирательно взаимодействовать с антителами или рецепторами лимфоцитов, определяться иммунологическими реакциями. Гаптены могут стать иммуногенными при связывании с иммуногенным носителем (например, белком), то есть становятся полными.
За специфичность антигена отвечает гаптенная часть, за иммуногенность — носитель (чаще белок).
Чем меньше молекула гаптена, тем большую роль в построении антигенной детерминанты играет белок-носитель. В связи с этим в данной ситуации чаще наблюдаются перекрестные аллергические реакции со сходными гаптенами — антигенными детерминантами.
ГАПТЕНЫ (греч, haptein привязывать, прикреплять; син. неполноценные антигены) — химические вещества, способные к специфическому взаимодействию с гомологичными антителами, но, в отличие от полноценных антигенов, не вызывающие антителообразования при введении в организм иммунореактивных животных. Термин предложен К, Ландштейнером в 1921 г.
Свойства Г. были обнаружены у представителей самых различных классов биологически важных веществ: углеводов, пептидов, оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот, липидов, стероидов, витаминов, антибиотиков и др. Существуют Г. (напр., некоторые антибиотики), которые способны соединяться с белком и приобретать таким образом свойства полного антигена не только in vitro, но и in vivo. Введение таких Г. в организм может привести к образованию направленных против них антител (см.) и при неоднократном употреблении вызвать аллергическую реакцию.
Г. следует разделить на простые и сложные. Под простыми Г. понимают низкомолекулярные соединения, по хим. строению и пространственной структуре аналогичные детерминантным группам антигенов (см;). Сложные Г. содержат, кроме иммуноспецифических групп, также и неспецифические. Примером сложных Г. могут служить некоторые выделяемые из природных антигенов липополисахаридные комплексы, липидный компонент которых не имеет иммунол, специфичности. Присоединением Г. к белку можно получить антиген, на введение к-рого животное будет отвечать выработкой антител, направленных не только против детерминантных групп белкового носителя, но и против конъюгированного с ним Г. Белок-носитель, сообщающий всему комплексу свойства полноценного антигена, называют шлеппером (нем. Schlepper буксир). Это обстоятельство послужило предпосылкой для широкого методического использования простых F. в иммунохимии как моделей антигенных детерминант. Были получены антитела к самым разнообразным хим. соединениям, благодаря чему удалось установить природу высокой специфичности иммунол, реакций и определить характер сил, принимающих участие во взаимодействии антигенов с антителами. Оказалось, что даже небольшая модификация Г. (напр., введение галогена в бензольное кольцо) существенно изменяет его сродство к антителу. С помощью ‘антител удалось отдифференцировать L- и D-изомеры (в частности, винной и яблочной кислот), стереоизомеры углеводов, орто-, мета- и параизомеры бензольного кольца и даже цис- и трансизомеры, напр, фумаровую и малеиновую кислоты. В результате подобных исследований был сделан вывод, что основная причина высокой специфичности иммунол. реакций кроется во взаимном пространственном соответствии (стерической комплементарности) детерминантной группы антигена и активного центра антитела. Взаимная комплементарностъ этих двух структур способствует их тесному сближению, благодаря чему оба реагента удерживаются вместе короткодействующими силами — универсальными ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, а также водородными связями (см. Молекула).
В случае, если антигенная детерминанта (гаптен) несет заряженную группировку, комплементарный участок активного центра антитела обычно имеет противоположный заряд, и электростатические силы, т. о., также принимают участие в реакции антиген — антитело. Т. к. при комплексообразовании антитела с Г. суммарная гидрофобная поверхность обоих реагентов сокращается, образовавшийся комплекс стабилизируется взаимодействиями, имеющими гидрофобную природу. Относительный вклад тех или иных сил во взаимодействие антител с антигенами (гаптенами) различен для разных систем и зависит от их структурных особенностей.
Простые одновалентные Г. нашли применение в иммунохим. исследованиях— в реакциях задержки преципитации, пассивной гемагглютинации и связывания комплемента. Реакции задержки основаны на том, что вследствие конкуренции между антигеном и Г. за активный центр антитела видимое проявление серол, реакции в гомологичной системе антиген — антитело тормозится в присутствии соответствующего Г. Варьируя структуру прибавляемого Г. и добиваясь максимальной задержки, можно достаточно точно установить структуру антигенной детерминанты. Последовательно уменьшая размер добавляемого Г., можно определить его минимальный размер, который еще в полной мере эффективен в реакции задержки. Этот минимальный размер Г., очевидно, соответствует размеру активного центра антитела. Таким путем Клерици, Шехтер и Села (E. Clerici, I. Schechter, М. Sela, 1970), напр., обнаружили, что размер активного центра антител, направленного против чисто белковых антигенных детерминант, соответствует пептиду из 4—5 аминокислот, а Кабат (Е. Kabat, 1957) установил, что активный центр антидекстрановых антител адекватен олигомеру, состоящему из 5—6 остатков глюкозы.
Специально синтезированные Г. позволили исследовать активный центр антитела и более тонкими физ. методами. Методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), напр., была произведена оценка глубины активного центра антител к Г., которые в своем составе содержали спиновую метку, сигнал ЭПР к-рой зависит от ее собственной подвижности. Регистрируя подвижность метки после ее удаления от детерминантной группы посредством наращивания алифатической вставки, Ксия и Пиэтте (J. С. Hsia, L. H. Piette, 1969) показали, что средняя глубина активного центра антидинитрофенильных антител равна 10А (1 нм). При анализе флюоресцентных свойств диметиламинонафтализина в процессе его специфического связывания антителами было найдено, что спектр флюоресценции этого красителя испытывает коротковолновый сдвиг, а квантовый выход флюоресценции резко возрастает. Такие же изменения флюоресцентных параметров диметиламинонафтализин претерпевает при понижении полярности среды, напр, при его переводе из водного раствора в диоксан [Паркер (С. W. Parker), 1967, и др.]. На основании этих фактов был сделан вывод о гидрофобном характере активного центра антител.
Поскольку комплексообразование антител с одновалентными Г. лишено неспецифических эффектов, свойственных реакции с участием высокомолекулярных антигенов (и обусловленных гл. обр. образованием межмолекулярных агрегатов антиген — антитело во второй фазе реакции и их взаимодействием с растворителем), использование таких Г. вместо полных антигенов при исследовании прямой иммунол, реакции дало возможность получить точные кинетическую и термодинамическую характеристики ее первой специфической фазы (см. Антиген-антитело реакция). Многовалентные Г., образуя при взаимодействии с гомологичными антителами достаточно большие агрегаты гаптен — антитело, способны довести серол, реакцию и до второй неспецифической фазы: видимой преципитации и связывания комплемента.
Библиография: Clerici E., Schechter I. a. Sela M. Haemagglutination-inhibition studies of the combining sites of anti-peptide antibodies in mice and rates, Immunology, y. 19, p. 267, 1970; Hsia J. C. a. Piette L. H. Spin-labeling as a general method in studying antibody active site, Arch. Biochem., v. 129, p. 296, 1969; Rabat E. A. Size and heterogeneity of the combining sites on an antibody molecule, J. cell. comp. Physiol., v. 50, suppl. 1, p. 79, 1957, bibliogr.; LandsteinerK. tiber heterogenetisches Antigen und Hapten, Biochem. Z., Bd 119, S. 294, 1921; о н ж e, The specificity of serological reactions, Springfield, 1936; он же, The specificity of serological reactions, Cambridge, 1946; Parker C. W. a. o. Fluorescent probes for the study of the antibody-hapten reaction, Biochemistry (Wash.), v. 6, p. 3408, 1967; Pressman D. a. Gross-b e r g A. L. The structural basis of antibody specificity, N. Y., 1968.
