6. Защитные белки

Некоторые белки, в частности иммуноглобулины, обладают способностью узнавать и связывать чужеродные молекулы, вирусные частицы и бактерии, в результате чего происходит их нейтрализация. Кроме того, комплекс чужеродной частицы с иммуноглобулином легко узнаётся и уничтожается клетками иммунной системы.

Защитными свойствами обладают белки свёртывающей системы крови, например фибриноген, тромбин. Они участвуют в формировании тромба, который закупоривает повреждённый сосуд и препятствует потере крови.

7. Сократительные белки

Некоторые белки при выполнении своих функций наделяют клетку способностью либо сокращаться, либо передвигаться. К таким белкам относят актин и миозин - фибриллярные белки, участвующие в сокращении скелетных мышц. Другой пример таких белков - тубулин, из которого построены клеточные органеллы - микротрубочки. Микротрубочки в период деления клетки регулируют расхождение хроматид. Микротрубочки - важные элементы ресничек и жгутиков, с помощью которых клетки передвигаются.

Однако существует большое количество белков, имеющих уникальные функции, которые не вошли в эту довольно простую классификацию.

3) Cемейства родственных белков

В ходе эволюции в пределах одного биологического вида замены аминокислотных остатков могут приводить к возникновению разных белков, выполняющих родственные функции и имеющих гомологичные последовательности аминокислот. Гомологичными называют последовательности, имеющие много сходных черт. Они содержат во многих положениях одни и те же аминокислоты, называемые инвариантными, а в некоторых положениях могут находиться разные, но близкие по физико-химическим свойствам аминокислотные остатки.

Эти белки имеют поразительно схожие конформации: количество и взаиморасположение α-спиралей и/или β-структур, большинство поворотов и изгибов полипептидных цепей сходно или идентично. Такие белки, имеющие гомологичные участки полипептидной цепи, сходную конформацию и родственные функции, выделяют в семейства белков.

. Семейство сериновых протеаз

К семейству родственных белков относят сериновые протеазы. Это семейство ферментов, которые используют уникально активированный остаток серина, расположенный в активном центре, для связывания и каталитического гидролиза пептидных связей в белковых субстратах. Мишени для сериновых протеаз - специфические пептидные связи в белках (часто в других сериновых протеазах).

Для всех белков этого семейства характерно наличие в активном центре остатков Сер₁₉₅, Гис₅₇, Асп₁₀₂ (эту нумерацию используют независимо от их точного расположения в первичной структуре определённых сериновых протеаз). Выявлена также высокая схожесть их пространственных структур, несмотря на то, что только в 40% положений они содержат идентичные аминокислоты (рис. 1-44). Каталитический участок сериновых протеаз расположен в расщелине между двумя доменами.

Некоторые аминокислотные замены привели к изменению субстратной специфичности этих белков и к возникновению функционального многообразия внутри этого семейства. Так, пищеварительные сериновые протеазы участвуют в переваривании (гидролитическом расщеплении пептидных связей) денатурированных пищевых белков. К ним относят трипсин, химотрипсин, эластазу, но каждый из этих ферментов предпочитает разрывать пептидные связи, образованные определёнными аминокислотами.

Рис. 1-44. Пространственные структуры эластазы (А) и химотрипсина (Б).

Ещё большей субстратной специфичностью обладают сериновые протеазы, участвующие в тщательно контролируемых физиологических процессах, таких как активация каскада белков свёртывания крови, фибринолиза, активация белков системы комплемента, образования белковых гормонов. В процессе активации нативных белков сериновые протеазы гидролизуют одну или две особенные пептидные связи из сотен связей, имеющихся в белковом субстрате. Это связано с тем, что в нативном белке фермент узнаёт не только аминокислоты, непосредственно формирующие пептидную связь, но и некоторые аминокислотные остатки, окружающие связь, подвергающуюся ферментативному гидролизу.

. Семейство иммуноглобулинов

Иммуноглобулины, или антитела, - специфические белки, вырабатываемые В-лимфоцитами

в ответ на попадание в организм чужеродных структур, называемых антигенами. В организме человека вырабатывается около 10⁷ клонов В-лимфоцитов, каждый из которых специализирован на выработке одного из 10⁷ видов иммуноглобулинов.

Все иммуноглобулины характеризуются общим планом строения, который мы рассмотрим на примере строения IgG.

Молекула IgG состоит из четырёх полипептидных цепей: двух идентичных лёгких (L - от англ,light), содержащих около 220 аминокислотных остатков, и двух тяжёлых (Н - от англ. heavy), состоящих из 440 аминокислот каждая. Все 4 цепи соединены друг с другом множеством нековалентных и четырьмя дисульфидными связями. Поэтому молекулу IgG относят к мономерам.

Лёгкие цепи IgG состоят из 2 доменов: вариабельного (V_L), находящегося в N-концевой области полипептидной цепи, и константного (C_L), расположенного на С-конце. Каждый из доменов состоит из 2 слоев с β-складчатой структурой, где участки полипептидной цепи лежат антипараллельно. β-Слои связаны ковалентно дисульфидной связью примерно в середине домена (рис. 1-45).

Тяжёлые цепи IgG имеют 4 домена: один вариабельный (V_H), находящийся на N-конце, и три константных (С_Н1, С_Н2, С_H3). Домены тяжёлых цепей IgG имеют гомологичное строение с доменами лёгких цепей. Между двумя константными доменами тяжёлых цепей С_H1, и С_Н2 есть участок, содержащий большое количество остатков пролина, которые препятствуют формированию вторичной структуры и взаимодействию соседних Н-цепей на этом отрезке. Этот участок называют "шарнирной областью"; он придаёт молекуле гибкость.

Между вариабельными доменами тяжёлых и лёгких цепей находятся два идентичных участка, связывающих два одинаковых специфических антигена; поэтому такие антитела часто называют"биваленты". В связывании антигена с антителом участвует не вся аминокислотная последовательность вариабельных доменов обеих цепей, а всего лишь 20-30 аминокислот, расположенных в гипервариабельных областях каждой цепи. Именно эти области определяют уникальные способности каждого клона антител

Рис. 1-45. Строение иммуноглобулина G.

взаимодействовать с соответствующим (комплементарным) антигеном.

Основные функции антител - обнаружение и связывание чужеродных антигенов, находящихся в организме вне его клеток (в крови, лимфе, межклеточной жидкости, в слизистых секретах). Это происходит с помощью специфических антигенсвязывающих участков разных клонов иммуноглобулинов. Кроме, того, благодаря связыванию антигена с антителом облегчается процесс дальнейшего разрушения чужеродных веществ. Специфичность пути разрушения комплекса антиген-антитело зависит от класса антител.

5)Классы иммуноглобулинов. Существует 5 классов тяжёлых цепей иммуноглобулинов, отличающихся по строению константных доменов: α, δ, ξ, γ и μ. В соответствии с ними различают 5 классов иммуноглобулинов: A, D, Е, G и М. Особенности строения тяжёлых цепей придают их "шарнирным участкам" и С-концевым областям характерную для каждого класса конформацию. Связывание антигена с антителом изменяет конформацию константных доменов тяжёлых цепей, что определяет путь разрушения комплекса в организме (связывание с белками системы комплемента или поглощение комплекса фагоцитирующими клетками).

Иммуноглобулины М - первый класс антител, синтезирующийся в развивающихся В-лимфоцитах. Различают 2 формы иммуноглобулинов М: мономерная, мембранно-связанная форма и пентамерная, секретируемая В-лимфоцитами в кровь.

Мембранно-с вязанная форма иммуноглобулинов М . Созревающие В-лимфоциты синтезируют мономерные бивалентные молекулы IgM, по структуре похожие на рассматриваемые выше IgG, которые встраиваются в плазматическую мембрану клеток и играют роль первых антиген-распознающих рецепторов. Прикрепление IgM к мембране осуществляется с помощью гидрофобного участка, находящегося в С-концевой ("хвостовой") области тяжёлых цепей, содержащей 25 гидрофобных аминокислотных остатков.

Взаимодействие антигена с рецептором на поверхности В-лимфоцита вызывает его размножение и образование целого клона лимфоцитов, происходящих из одной, стимулированной антигеном клетки. Этот клон В-лимфоцитов будет вырабатывать иммуноглобулины с одинаковыми антигенсвязывающими участками. Однако В-лимфоциты способны переключаться на выработку других классов антител.

Секреторная форма иммуноглобулинов М . Когда В-лимфоциты впервые встречаются в жидкостях организма с неизвестным ранее антигеном, они синтезируют и секретируют в кровь IgM, которые содержат пять мономерных субъединиц, связанных друг с другом дисульфидными связями и дополнительной полипептидной J-цепью (рис. 1-46).

В тяжёлых цепях их мономеров отсутствует гидрофобная "хвостовая" часть. Пентамерная молекула содержит 10 участков связывания с антигеном, что облегчает вероятность прикрепления Неизвестного ранее антигена к иммуноглобулину (рис. 1-47).

Взаимодействие антигена с IgM изменяет его конформацию и индуцирует связывание его "хвостовой" области с первым компонентом системы комплемента. Если антиген расположен на поверхности микроорганизма, активирование системы комплемента вызывает нарушение целостности клеточной мембраны и гибель бактериальной клетки.

Иммуноглобулины G. В количественном отношении IgG доминируют в крови и составляют около 75% от общего количества этих белков. Строение IgG подробно описано выше. В крови IgG обнаруживают только в мономерной форме; он секретируется активированными В-лимфоцитами в больших количествах при вторичном иммунном ответе, когда антиген повторно попадает в организм.

У человека обнаружено 4 подкласса IgG: IgGg₁, IgGg₂, IgGg₃, IgGg₄. Порядковый номер указывает на количественное содержание каждого подкласса в сыворотке (в наибольшем количестве содержится IgGg₁ а в наименьшем -

Рис. 1-46. Строение пентамерной секреторной молекулы иммуноглобулина М.

Рис. 1-48. Фагоцитоз комплекса антиген-антитело нейтрофилом. А - взаимодействие бактерии, покрытой IgG, с рецепторами нейтрофилов; Б - поглощение бактерии нейтрофилом; В - переваривание бактерии внутри фагосомы нейтрофила.

IgGg₄). Степень гомологии между этими подклассами очень высока (около 90-95%).

IgG не только эффективно связывают и инактивируют чужеродные молекулы и клетки, попавшие в организм, но также облегчают их дальнейшее уничтожение. Конформационные изменения в "хвостовой" области IgG после его взаимодействия с антигеном приводят к связыванию и активации белков системы комплемента. Кроме того, С-концевая область IgG способна взаимодействовать со специфическими рецепторами макрофагов и нейтрофилов, что приводит к фагоцитозу комплексов антиген-антитело и разрушению их в фагосомах (рис. 1-48).

IgG - единственный класс антител, способный проникать через плацентарный барьер и обеспечивать внутриутробную защиту плода от инфекций.

Иммуноглобулины А. Основной класс антител, присутствующий в секретах желёз организма (слюны, молока, пищеварительного сока, секретов дыхательных путей). В сыворотке крови его содержание не превышает 10-15% от общего количества иммуноглобулинов. Мономерная форма по строению напоминает IgG. Однако в секретах IgA находится в основном в форме димера, где мономеры соединены дополнительной пептидной цепью J (рис. 1-49).

На базальной поверхности эпителиальных клеток димер IgA специфически взаимодействует с белками клеточной поверхности, называемыми секреторным компонентом. Образующийся комплекс посредством эндоцитоза поглощается внутрь клетки и перемещается к апикальной части. Здесь комплекс подвергается действию протеолитических ферментов, и свободный димер высвобождается во внеклеточное пространство (рис. 1-50).

Образующийся при взаимодействии IgA с антигеном комплекс не взаимодействует с белками системы комплемента и фагоцитирующими клетками, но препятствует прикреплению антигенов к поверхности эпителиальных клеток и проникновению их в организм.

Иммуноглобулины Е. Содержание этого класса иммуноглобулинов в крови крайне мало. IgE - мономеры, но, в отличие от IgG, их тяжёлые цепи е содержат не 3, а 4 константных домена. После синтеза и секреции в кровь В-лимфоцитами IgE

Мономер Рис. 1-49. Строение димерной молекулы иммуноглобулина А.

Рис. 1-50. Транспорт иммуноглобулинов А через эпителиальные клетки в протоки желёз.

связываются своими С-концевыми участками с соответствующими рецепторами на поверхности тучных клеток и базофилов. В результате они становятся рецепторами антигенов на поверхности данных клеток (рис. 1-51).

После присоединения антигена хотя бы к двум антигенсвязывающим участкам двух соседних IgE клетка получает сигнал к секреции биологически активных веществ (серотонина, гистамина), хранящихся в секреторных пузырьках. Выброс этих веществ в значительной мере ответственен за развитие воспалительной реакции, а также таких аллергических реакций, как бронхиальная астма, крапивница, сенная лихорадка. Увеличение количества IgE может предшествовать развитию аллергических реакций.

Иммуноглобулины D. IgD обнаружены в крови в очень малых количествах. Мономерные белки играют роль рецепторов В-лимфоцитов; других функций у IgD пока не выявлено.

Рис. 1-51. Выброс биологически активных веществ тучной клеткой в результате присоединения антигена к фиксированным на её поверхности IgE.

4)Электрофорез является единственным надежным способом обнаружения парапротеинов в биологических жидкостях, а также является первичной процедурой отбора. Это информативный клинический метод для обнаружения изменений сывороточных белков, связанных с определенными заболеваниями. Изменения по сравнению с нормальной структурой белка сыворотки, ( наличие дополнительных компонентов (моноклональные полос), увеличение / уменьшение нормального содержания компонентов, предупреждает врача о необходимости проведения дополнительного анализа белков.  Методом электрофореза возможно определить различные виды белка в сыворотке крови. Отдельные белки, за исключением альбумина, обычно не определяются методом электрофореза. Однако, измеряются белковые фракции или группы (Альбумин, alfa1-alfa2-бетта-гамма-глобулин). Уровни белковых фракций можно определить путем измерения общего белка сыворотки крови и умножить на относительный процент от каждой доли белкового компонента, или автоматически с применением аппарата HellabioScan. Электрофоре сыворотки всегда должен сопровождаться измерением сывороточных IgG, IgA и IgM концентраций. Образцы с повышенным содержанием IgA и IgM , которые не могут быть интерпретированы, как поликлональные согласно шаблону электрофореза, должны быть проанализированы дополнительно, чтобы исключить иммунофиксацию небольшими группами парапротеинов и закрытие одной из нормальной зон.

Электрофорез белков помогает выявить заболевания печени и почек, иммунной системы, некоторые злокачественные новообразования (лейкозы), острые и хронические инфекции, генетические поломки и др. Известен ряд своеобразных электрофоретических "синдромов" – типичных картин электрофореграмм, характерных для некоторых патологических состояний.

Среди них можно отметить: 1. Острое воспаление с активацией системы комплемента и увеличением синтеза острофазных белков (a1-антитрипсина, гаптоглобина, фибриногена и др.). Оно проявляется увеличением доли a1- и a2-глобулинов и может быть подтверждено измерением СОЭ, исследованием концентрации С-реактивного белка, фибриногена (в динамике) и других острофазных белков.

2. Хроническое воспаление с усилением синтеза ряда острофазных белков, а также иммуноглобулинов; проявляется умеренным возрастанием a2- и b-глобулинов, повышением g-глобулинов и некоторым снижением альбумина. Подобные отклонения могут наблюдаться при хронических инфекциях, коллагенозах, аллергии, аутоиммунных процессах и при малигнизации.

3. Тяжелые заболевания печени сопровождаются снижением синтеза альбумина и a глобулинов, что и отражается на электрофореграммах. Как указывалось выше, нужно помнить, что процентная концентрация альбумина может оказаться сниженной лишь относительно, из-за накопления других белков, поэтому оценивать нарушения белково-синтезирующей функции печени следует по абсолютному содержанию альбумина (в г/л). При хронических гепатитах и циррозах печени возрастает как относительное, так и абсолютное количество g-глобулинов (b- и g-фракции могут сливаться из-за накопления IgA), причем превышение g-глобулинов над альбуминами является весьма неблагоприятным прогностическим признаком. 

4. Нефротический синдром сопровождается увеличением фильтрации белков в почках и селективной протеинурией – потерей с мочой большого количества альбумина и части низкомолекулярных глобулинов (a1-антитрипсина, трансферрина). При этом в печени усиливается синтез более крупных протеинов семейства a2-глобулинов (макроглобулин, апо-В), которые накапливаются в крови и формируют картину со значительным снижением альбумина и повышением a2-глобулинов.

5. Нарушение всасывания или значительная потеря белков возможна как при нефротическом синдроме, так и при массивных ожогах, синдроме Лаэлла, патологии желудочно-кишечного тракта и т.д. В последнем случае снижается абсолютное содержание общего белка и особенно альбумина, а на протеинограмме оказывается уменьшенной доля альбумина при относительно равномерном возрастании всех глобулинов. Введение белковых препаратов (иммуноглобулины, альбумин или плазма крови) в ходе лечения больных немедленно отражается на электрофоретической картине, что позволяет следить за динамикой потерь или выведения поступивших белков.  6. Тяжелый иммунодефицит врожденного или приобретенного генеза обычно сопровождается выраженным снижением g-глобулиновой фракции. При этом желательно провести дополнительное количественное определение IgG, IgA и IgM.

7. Парапротеинемия при злокачественных и доброкачественных процессах – симптом, для выявления которого именно электрофорез является методом выбора. При накоплении в крови моноклональных иммуноглобулинов или фрагментов их цепей, как бывает, в частности, при миеломной болезни и некоторых лейкозах, на протеинограмме появляется более или менее острый пик в области от a2- до g-глобулинов (так называемый М градиент), хорошо заметный визуально. Электрофорез белков мочи, проведенный параллельно, в этом случае выявит пик, находящийся в той же области. Для дифференцировки парапротеинов и идентификации белковых цепей можно использовать современнейшую модификацию электрофореза – иммунофиксацию, для которой выпускаются специальные гелевые пластины с антисыворотками.  

Белки сыворотки разделяют методом электрофореза на альбумины и глобулины. Альбумин - представляет наибольшую белковую фракцию сыворотки крови человека. Концентрация альбумина отражает протеиновый статус крови и внутренних органов. Главная цель альбумина крови поддерживать коллоидное осмотическое давление, которое держит жидкость в пределах васкулярного пространства. Именно поэтому у пациентов с очень истощенным альбуминовым уровнем могут развиться отек, асциты, легочные отеки.  Глобулины условно разделяют на альфа-1, альфа-2-, бета-(β1 и β2), и гамма глобулины. Они могут быть разделены и количественно в лаборатории методом электрофореза.  Альфа-1 фракция включает в себя долю альфа-1 анти-трипсин и тироксинсвязывающий глобулин. Альфа-2 фракция содержит гаптоглобин, церулоплазмин, HDL-и альфа-2-макроглобулин.  Как правило, увеличения показателей альфа-1 и альфа-2 является признаком воспаления. Бета долю включает трансферрин, комплемент и бета-липопротеиды. Долю гамма включает в себя различные типы антител (иммуноглобулины М, G, А, D,E ). Нормальная и патологическая концентрация белков.      Всего белков в сыворотке крови человека:

Альбумин:	3.5 - 5.0 г/дл
альфа-1 глобулин:	0.1 - 0.3 г/дл
альфа-2 глобулин:	0.6 - 1.0 г/дл
бета-глобулин:	0.7 -1.2 г/дл
гамма- глобулин:	0.7 -1.6 г/дл
Всего:	6.4 - 8.3 г/дл

На что указывают патологические показатели? Увеличение альфа-1 глобулин [альфа-1 анти-трипсин и тироксин связывающий глобулин] может указывать на: •Хронические воспалительные заболевания (например, ревматоидный артрит, СКВ) •Острое воспаление •Малигнизацию Увеличение альфа-2 глобулин [гаптоглобина, церулоплазмина, HDL-и альфа-2-макроглобулин] может указывать на: •Острое воспаление •Хроническое воспаление Увеличение бета глобулин [трансферрин, дополняли и бета-липопротеидов] может наблюдаться при: •Гиперлипопротеинемии (например, семейной гиперхолестеринемии) •Эстрогентерапии Увеличение гамма-глобулин (IgG, IgA, IgM]) может указывать на: •Множественную миелому • Хронические воспалительные заболевания (например, ревматоидный артрит, СКВ) • Гипериммунизацию • Острую инфекцию • Макроглобулинемию Вальденстрема. • Хронические заболевания печени

Снижение общего белка может указывать на: •Недоедание •Нефротический синдром •Желудочно-кишечную энтеропатию с потерей белка Снижение альфа-1 глобулин белка может указывать на: • Дефицит Альфа-1 антитрипсина  Снижение альфа-2 глобулин белки могут указывать на: •Гемолиз Снижение белка бета глобулинов может указывать: •Врожденную коагулопатию  •Приобретенную коагулопатию •ДВСсиндром