INTRODUCCIÓN A LAS MOLÉCULAS QUE RECONOCEN ANTÍGENOS
El punto clave del sistema inmune adaptativo es su capacidad de reconocimiento específico de cualquier tipo de molécula o partícula extraña. Para ello, el sistema inmune cuenta con las inmunoglobulinas (Ig) y con los receptores de los linfocitos T (TCR), los cuales exhiben tres importantes propiedades: | diversidad |
| heterogeneidad |
| procedencia a partir de reordenaciones de genes. |
- la parte específica del complejo de las células B, a nivel de membrana, que reconoce al antígeno;
- moléculas circulantes, es decir anticuerpos secretados por las células plasmáticas procedentes de activación, proliferación y diferenciación de células B. Estos anticuerpos se localizan en el suero, en los líquidos tisulares (intersticiales) y recubriendo ciertos epitelios internos. Estas Ig circulantes son los efectores de la rama humoral del sistema inmune específico (de hecho inician la fase efectora, pero como veremos, la eliminación definitiva del Ag no suelen hacerla directamente los anticuerpos).
5.2 APROXIMACIÓN HISTÓRICA AL ESTUDIO DE LAS INMUNOGLOBULINAS
Porter sometió la IgG a digestión breve con la enzima papaína, tras de lo cual realizó con los fragmentos resultantes una separación cromatográfica en carboximetil-celulosa.
Dedujo que cada molécula de IgG había sido escindida por la papaína en dos fragmentos idénticos, capaces de unir antígeno (fragmentos Fab) y un fragmento cristalizable (Fc).
| Experimentos de Kabat & Tiselius (1939): demostraron que la llamada fracción g -globulínica de las proteínas del suero era la responsable de la actividad anticuerpo (por eso, a los anticuerpos se les ha denominado durante mucho tiempo como g -globulinas). |
| Porter y Edelman (por separado, en los años 50 y 60) realizaron diversos experimentos usando ultracentrifugación para separar las g -globulinas, obteniendo una fracción que poseía un coeficiente de sedimentación de 7S, a la que llamaron IgG, con un peso molecular de unos 150.000 Da. |
| Nisonoff realizó experimentos parecidos a los de Porter, pero en lugar de digerir la IgG con papaína, empleó pepsina. Del ulterior análisis cromatográfico dedujo que la pepsina había roto cada molécula de IgG en un fragmento capaz de unir Ag pero con doble valencia [fragmento F(ab’)2], y una serie de pequeños fragmentos pequeños no cristalizables, procedentes del Fc original. |
| Edelman sometió la IgG a un tratamiento reductor con mercaptoetanol (que provoca la rotura de los puentes disulfuro), con posterior electroforesis desnaturalizante de los péptidos resultantes. Sus resultados indicaban que la IgG estaba compuesta de dos tipos de cadenas polipeptídicas, una pesada (cadena H) y otra ligera (cadena L). |
| Dos cadenas H, cada una de unos 50.000 Da. |
| Dos cadenas L, cada una de unos 25.000 Da. |
| Cada cadena L está unida a una H por un puente disulfuro. |
| A su vez, las dos cadenas H está unidas entre sí por puentes disulfuro. |
| El abordaje de la secuenciación de las Ig se encontró con un problema de base: aunque la estructura general de las todas las inmunoglobulinas es parecida, existe una enorme diversidad de secuencias y especificidades frente a distintos antígenos. ¿Cómo obtener y purificar una Ig concreta homogénea que permitiera la secuenciación de sus aminoácidos? |
| En principio hubo que recurrir a muestras de pacientes aquejados de mieloma múltiple: en esta enfermedad un tipo concreto de células plasmáticas (con una especificidad concreta) se ha vuelto canceroso, y secretan grandes cantidades de la correspondiente Ig, que llega a representar el 95% del total de inmunoglobulinas del individuo. Otra ventaja es que los pacientes presentan en la orina las llamadas proteínas de Bence-Jones, que son cadenas L en exceso procedentes del mieloma. De esta forma fueron posibles los primeros análisis de secuencia de las inmunoglobulinas. |
| Recientemente la secuenciación se ha facilitado notablemente por la disponibilidad de los anticuerpos monoclonales. |
5.3 ESTRUCTURA DE LAS INMUNOGLOBULINAS
5.3.1 Estructura general de las cadenas de las inmunoglobulinas
5.3.1.1 Cadenas L
Cuando se comparan distintas proteínas de Bence-Jones se observa que los 100 a 110 primeros aminoácidos difieren entre unas y otras, mientras que los 100-110 últimos son prácticamente idénticos. Ello permite distinguir dos regiones claramente diferenciables en las cadenas ligeras: | región carboxi-terminal, constante (región C) |
| región amino-terminal, variable (región V) |
| cadenas k (kappa) |
| cadenas l (lambda) |
Porcentaje de cadenas k y l en humanos y en ratón
cadenas k
|
cadenas l
| |
Humanos
|
60
|
40
|
Ratones
|
95
|
5
|
| en la especie humana, existen cuatro subtipos, denominados l 1 a l 4. |
| En ratones, existen tres subtipos (diferentes a los humanos): l 1 a l 3. |
5.3.1.2 Cadenas H
La cadena pesada posee unos 440 aminoácidos (menos dos tipos, que poseen unos 550). Cada cadena pesada posee una región amino-terminal de 100 a 110 aminoácidos, cuya composición es variable (VH). El resto de la cadena H muestra en humanos cinco patrones básicos de secuencia, distinguibles entre sí, que configuran cinco tipos de cadenas pesadas según la porción constante (CH). La longitud de esta porción constante suele ser de 330 aminoácidos, salvo en dos tipos, que poseen 440 aminoácidos.Cada uno de los tipos de cadena pesada recibe una denominación a base de una letra griega, y determinan lo que se denomina clases o isotipos de inmunoglobulinas:
cadena H según la porción C
|
longitud de la porción C (en aminoácidos)
|
clase o isotipo de Ig
|
g
|
330
|
IgG
|
m
|
440
|
IgM
|
a
|
330
|
IgA
|
d
|
330
|
IgD
|
e
|
440
|
IgE
|
| IgG1, IgG2, IgG3, IgG4 |
| IgA, IgA2. |
Cada tipo (o en su caso, cada subclase) de cadena pesada H puede combinarse por separado con cada una de las dos versiones (k o l ) de cadenas L.
5.3.2 Estructura en detalle de las Inmunoglobulinas
Al ser proteínas formadas por dos tipos de cadenas polipeptídicas, en las inmunoglobulinas podemos distinguir estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria:- La estructura primaria (la secuencia lineal de aminoácidos) explica que existan regiones V y regiones C tanto en cadenas H como en L.
- Estructura secundaria: existen abundantes láminas b antiparalelas, cada una de ellas formadas por 3 o 4 cadenas b antiparalelas, mantenidas por puentes de hidrógeno entre grupos -NH- y -CO-.
- La estructura terciaria es a base de dominios globulares compactos. Cada dominio globular consta de dos capas (láminas) b conectadas entre sí por un puente disulfuro característico. Dos dominios globulares consecutivos se conectan entre sí por secuencias cortas de aminoácidos sin estructura especial.
- Estructura cuaternaria: los dominios globulares de cadenas L y H adyacentes interectúan dando la conformación global característica de las inmunoglobulinas.
Las dos cadenas H se conectan entre sí por al menos un puente disulfuro (como veremos, hay clases y subclases con abundantes puentes disulfuro enlazando las dos cadenas pesadas).
Además, muchas Ig poseen cadenas de polisacáridos unidos covalentemente a algun(os) dominio(s), lo cual evidentemente colabora a la estructra global tridimensional de la molécula.
La estructura cuaternaria de la Ig es la que permite sus dos funciones características: unión al Ag y actividad biológica efectora.
A continuación vamos a describir en detalle la estructura de los dominios de las inmunoglobulinas, comenzando con un estudio general, y continuando con la caracterización de los diferentes dominios o parejas de dominios.
5.3.2.1 Estructura en detalle de un dominio típico de inmunoglobulina
Cada tipo de cadena (H y L) de Ig se puede considerar formado a partir de dominios globulares elongados. Cada dominio consta de unos 110 aminoácidos, y sus dimensiones son de 2,4 x 4,2 nm. Cada dominio está mantenido por un puente disulfuro que enlaza dos cisteínas invariantes, que en la secuencia lineal están separadas entre sí por unos 60 aminoácidos. | Las cadenas L poseen un dominio variable (VL) y un dominio constante (CL). |
| Las cadenas H poseen un dominio variable (VH) y 3 o 4 (según clase) dominios constantes (CH1, CH2, CH3, y en su caso, CH4). |
Esta estructura terciaria peculiar consiste en un "sandwich" de dos láminas b paralelas respecto del eje longitudinal del dominio. Una de las láminas consta de 3 cadenas b antiparalelas, y la otra de 4 cadenas b antiparalelas. Entre dos cadenas b consecutivas existe un bucle, de longitud variable según los casos. Las dos capas b están estabilizadas entre sí por un puente disulfuro conservado (que une dos cys separadas en la secuencia por otros 60 aminoácidos aproximadamente), y por interacciones hidrofóbicas entre grupos químicos de las cadenas laterales de aminoácidos.
El pliegue típico de la Ig condiciona a su vez interacciones no covalentes entre dominios emparejados de dos cadenas diferentes:Alguien ha comparado acertadamente esta estructura con un bollo de pan, partido longitudinalmente en dos rebanadas, pegadas entre sí por mantequilla (enlaces hidrófobos) y atravesadas por un palillo de dientes (enlace disulfuro).
| entre dominios idénticos: CH2-CH2 y CH3-CH3. |
| entre dominios no idénticos: VH-VL y CH1-CL. |
5.3.2.2 Estructura y función de los dominios variables
La variabilidad de secuencia de los dominios variables no está repartida uniformemente, sino en varias regiones denominadas regiones hipervariables: | tres regiones en el dominio VL: L1, L2 y L3 |
| tres regiones en el dominio VH: H1, H2 y H3. |
| Las regiones hipervariables se denominan CDR (iniciales en inglés de regiones determinantes de complementariedad, ya que conjuntamente forman el sitio de unión al epitopo). Cada CDR consta de unos 10 aminoácidos. La CDR3 suele ser la más variable de las tres. |
| Las regiones más constantes se denominan regiones FR, es decir, regiones de armazón o de entramado. Ellas son las que en este caso de los dominios V constituyen la estructura característica de dos láminas b unidas entre sí. |
| Las regiones CDR de las cadenas L y H están situadas espacialmente de modo que se proyectan hacia afuera, y están cercanas una a otra en la configuración global. Esto crea la estructura tridimensional adecuada para la unión con el antígeno. |
Así pues, la región de entramado (FR) suministra un "andamio" que soporta las 6 regiones CDR (tres de cada cadena). Este andamio rígido es el que constituye el dominio globular carácterístico, mientras que el conjunto de las seis CDR de cada brazo Fab suministra una enorme variedad de tipos de Ac, cada uno de ellos con una especificidad antigénica diferente. Dicha especificidad depende de la longitud de las CDR y de la composición de aminoácidos de estas CDRs.
La cristalografía de rayos X de alta resolución se ha aplicado hasta ahora a unos 20 complejos Fab-Ag, lo que ha permitido extraer varias generalizaciones sobre el sitio de unión al Ag:
En el caso de Ag globulares, el Ac contacta con el Ag a través de una superficie amplia (de unos 700-900 Å2), relativamente plana y suavemente ondulada. Obsérvese en las imágenes cómo cada protrusión del Ac se corresponde con una depresión del Ag, y cada depresión del Ac lo hace con una protrusión del Ag.
En el caso de antígenos pequeños (p. ej., fosforilcolina, angiotensina-II), el sitio de unión en el anticuerpo es más pequeño (200-700 Å2) y presenta alguna hendidura profunda, donde queda enterrada buena parte del epitopo (70-90%).En estos casos, 15-20 aminoácidos del Ac contactan con un número similar de aminoácidos de la proteína globular antigénica. Entre 6 y 14% del epitopo se encuentra "enterrado" en alguna hendidura del Ac.
De las 6 regiones CDR, al menos cuatro contactan con el epitopo, y frecuentemente lo hacen las seis. En general, parece que la contribución de las CDR de VH es más importante que las de VL.
En algunos casos, la unión Ac-epitopo se produce con cambios conformacionales en uno o en ambos, lo que permite un mejor ajuste entre los dos.
5.3.2.3 Estructura y función de los dominios constantes
Los dominios constantes de la porción Fc de las Ig están relacionados con diversas funciones biológicas de los anticuerpos. Los dominios constantes se asocian por parejas: | CL-CH1 |
| CH2-CH2 |
| CH3-CH3 |
Dominios CL-CH1
La interacción no covalente entre ambos dominios es más débil que la que existe entre VL y VH. Sin embargo, CL y CH1 se unen covalentemente entre sí por un enlace disulfuro situado a nivel del extremo C-terminal de la cadena L.La interacción entre estos dos dominios confiere una serie de propiedades a las moléculas de anticuerpos:
| La interacción CL-CH1 sirve a su vez para mantener unidos mejor a VL y VH entre sí. |
| La existencia de esta pareja de dominios hace que el brazo Fab (cuya parte esencial para unirse al Ag estriba en los dominios V) sea más largo, lo cual facilita la rotación del brazo, que a su vez mejora la capacidad de interacción del brazo Fab con el Ag. |
| Pueden contribuir a aumentar aún más la diversidad de Ac, al permitir más posibles asociaciones entre VH y VL. |
Región bisagra
Las cadenas pesadas de tipo g , a y d presentan entre el primer y segundo dominios constantes una secuencia de aminoácidos sin homología con otros dominios, denominada región bisagra o región Fx. Se trata de una zona rica en prolina, que confiere flexibilidad, y que hace que los dos brazos Fab puedan rotar independientemente uno respecto del otro, formando ángulos variados respecto a Fc.Véase el experimento que demuestra esto: se tiene una molécula lineal de unos 25 Å , con dos moléculas de dinitrofenol (DNP), una en cada extremo. Si mezclamos esta molécula con anticuerpos anti-DNP, al microscopio electrónico se pueden ver trímeros, tetrámeros y pentámeros de anticuerpos unidos entre sí por puentes de esa molécula. Obviamente, el ángulo de los brazos Fab de cada molécula de Ac es diferente en cada tipo de multímeros, lo que demuestra que el brazo Fab puede girar debido precisamente a la región bisagra.De esta forma los brazos Fab se pueden mover y girar para alinear mejor las regiones CDR con respecto a los epitopos a los que se van a unir. Igualmente esto permite que la porción Fc se pueda mover para mejorar sus diversas funciones efectoras.
Se recomienda volver a consultar las figuras de la estructura tridimensional de los Ac para comprobar la naturaleza extendida de esta región bisagra.
En la región bisagra existen abundantes prolinas, lo cual determina su estructura desplegada, flexible y sensible al ataque por proteasas (recuérdese la actuación de la papaína y la pepsina). Igualmente existen algunas cisteínas, lo cual permite la formación de puentes disulfuro entre las dos cadenas pesadas a este nivel.
Las cadenas pesadas m y e carecen de región bisagra, pero en su lugar poseen un dominio adicional (CH2) 110 aminoácidos, que cumple un papel semejante.
Dominios CH2 de IgG, IgA e IgD (y los equivalentes CH3 de IgM e IgE)
La pareja de dominios CH2 (o su equivalente) suele ser rica en carbohidratos, que suelen estar dispuestos de modo que separan entre sí a cada miembro de la pareja. Es decir, al contrario que las otras parejas de dominios globulares de las Ig, estos dominios no están superpuestos entre sí, sino uno adyacente al otro. Esto supone que estos dominios están más accesibles al entorno acuoso, lo cual explica en parte sus papeles biológicos: en el caso de la IgG y de la IgM activan el complemento por la ruta clásica.Dominios carboxiterminales (CH3 en IgG, IgA e IgD; CH4 en IgM e IgE)
Aquí hay que distinguir entre las dos posibles versiones en que podemos encontrar cada inmunoglobulina: libre (es decir, anticuerpos circulantes) o Ig de membrana. | Los Ac circulantes, tras el típico dominio globular poseen una pequeña porción hidrófila C-terminal. El dominio CH3 (o su equivalente), junto con el dominio anterior, es reconocido por receptores para Fc presentes en diversas células fagocíticas. De este modo, un fagocito puede reconocer y fagocitar fácilmente un microorganismo recubierto por Ac (fenómeno de opsonización). |
| Las Ig de membrana, tras el dominio globular, presentan otro tipo de secuencia más compleja que en la versión circulante, y en la que podemos distinguir tres zonas: |
| un espaciador extracelular (yuxtamembrana), de carácter hidrófilo; |
| una secuencia transmembranal, hidrófoba, de unos 26 aminoácidos, probablemente en configuración de a -hélice. |
| finalmente, una cola intracitoplásmica, hidrófila. |
| el ya comentado de servir para el reconocimiento por parte de receptores de fagocitos: |
| algunas subclases de IgG se unen a receptores para Fc de la superficie de células de la placenta, lo cual les permite atravesar la barrera materno-fetal y conferir inmunidad pasiva al feto. |
| La IgE se une por este dominio a receptores adecuados de la membrana de basófilos y mastocitos (véase el tema de la alergia). |
| Como veremos, la IgA (y la IgM) interactúan con receptores de células epiteliales durante su proceso de secreción (receptor de poli-Ig). |
| En la IgA e IgM existen ciertas cisteínas en este dominio C-terminal, lo cual condiciona la formación de puentes disulfuro entre dos o más monómeros de estas inmunoglobulinas, creándose formas multiméricas que cumplen papeles especiales. |
5.4 INMUNOGLOBULINAS DE MEMBRANA Y COMPLEJO RECEPTOR DE CÉLULAS B
Como ya dijimos, las Ig de membrana (mIg) se diferencian de sus correspondientes versiones circulantes en los respectivos extremos C-terminales. La versión de membrana posee una larga cola en la que existe un segmento extracelular, seguido de una zona transmembranal, de unos 26 aminoácidos, terminando en una secuencia intracitoplásmica de longitud variable, según la clase de inmunoglobulina.En las distintas fases de maduración de los linfocitos B existen distintos isotipos o combinaciones de isotipos de Ig (todos con la misma especificidad antigénica para cada clon de linfocitos):
| las células B inmaduras sólo poseen mIgM; |
| las células B maduras vírgenes (en reposo) poseen mIgD y menos cantidad de mIgM; |
| las células B de memoria pueden tener diversas combinaciones de diversas clases: mIgM, mIgG, mIgA y mIgE. |
| una molécula de mIg, unida no-covalentemente a |
| dos heterodímeros Iga -Igb , en los que las dos cadenas (a y b ) están unidas entre sí por puentes disulfuro. |
Las cadenas a y b presentan su correspondiente segmento tranmembranal, así como largas colas citoplásmicas (61 aminoácidos en el caso de la cadena a y 48 la cadena b ).
Cuando un antígeno se entrecruza con las mIg de dos complejos (es decir, uno de los brazos Fab de una mIg se une al Ag y otro brazo Fab de otra mIg se enlaza con el mismo Ag), se inicia una serie secuencial de eventos moleculares en el citoplasma que finalmente conducen a la activación de la célula B: al unirse el Ag a la mIg, parece que ocurren cambios a nivel de la cola citoplásmica de dicha Ig, así como cambios en las colas citoplásmicas de las moléculas invariantes a y b del BCR, poniéndose en marcha una cascada de fosforilaciones y defosforilaciones que finalmente activan una serie de genes, cuya actividad redundará en la activación de las células B.
Recientemente se ha identificado un nuevo complejo de membrana de células B, que puede intensificar la señal de activación transmitida por el BCR. Este grupo de moléculas, que recibe el nombre de complejo correceptor, consta de 3 proteínas:
| CD19: pertenece a la superfamilia de las inmunoglobulinas, y posee una larga cola citoplásmica y tres dominios extracelulares de tipo Ig; |
| CD21 (también conocida como CR2): se puede unir a C3b (un componente del complemento) y al CD23 de la superficie de las células dendríticas foliculares de los ganglios; |
| CD81 (=TAPA-1): consta de cuatro segmentos transmembranales. |
El linfocito B se une por medio del CD21 del complejo correceptor al antígeno acomplejado con C3b o C3d, y por medio de la Ig del BCR al epitopo del antígeno. De este modo el BCR se entrecruza con el correceptor (a través de antígeno unido al componente del complemento). Entonces, este evento provoca que el CD19 del correceptor interaccione con los Iga/Igb del BCR, de modo que se fosforilan varias tirosinas de la cola citoplásmica del CD19. A su vez ello provoca la unión de la quinasa Lyn, que se activa, interviniendo en una cascada de fosforilaciones y desfosforilaciones celulares que finalmente activará una serie de genes del linfocito B.
5.5 VARIANTES ANTIGÉNICAS DE LAS INMUNOGLOBULINAS
Las inmunoglobulinas son glucoproteínas; por lo tanto, se pueden comportar como antígenos al ser inyectados a receptores adecuados. El estudio de las Ig en su faceta de antígenos revela la existencia de tres tipos de determinantes antigénicos, cada uno de ellos localizado en partes características de la molécula: | determinantes isotípicos |
| determinantes alotípicos |
| determinantes idiotípicos. |
5.5.1 Isotipos y determinantes isotípicos
Se denominan isotipos al conjunto de variantes de inmunoglobulinas comunes a todos los miembros sanos de una determinada especie.Los isotipos dependen de las regiones constantes tanto de cadenas pesadas como de cadenas ligeras. Los isotipos también reciben el nombre de clases, y en determinados casos se pueden diferenciar subclases. Como ya vimos, en humanos se distinguen cinco isotipos según características de las porciones constantes de cadenas pesadas (IgG, IgA, IgM, IgD e IgE). Cada isotipo puede encontrarse en dos versiones distintas, según que las cadenas ligeras sean de tipo k o l .
Cada isotipo (y en su caso, cada subclase) viene determinado por un gen correspondiente de región constante. Todos los individuos de una especie cuentan con el mismo juego básico de genes de regiones constantes.
¿Cómo se ponen de manifiesto experimentalmente los isotipos? Se inyecta un Ac de una especie A en una especie B; esta última reconoce como "extraño" (antígeno) al Ac-A, y produce anticuerpos anti-isotípicosfrente a los anticuerpos de la especie A.Los anticuerpos anti-isotípicos se emplean, obviamente, para determinar la clase y subclase de un Ac problema de una especie, así como para caracterizar las Ig de membrana de las células B.
5.5.2 Alotipos y determinantes alotípicos
Los alotipos son el conjunto de variantes alélicas presentes en las poblaciones de una especie: hay individuos que para cada clase o subclase presentan una variante alélica distinta de otros individuos.Se deben a pequeñas diferencias (de uno a cuatro aminoácidos) que afectan a las regiones CH y CL.
Obviamente, los individuos pueden ser homozigóticos o heterozigóticos para cada variante, siendo estos alelos de expresión codominante.
Ejemplo: si tenemos dos razas de ratón una homozigótica b4b4, y otra homozigótica b5b5, y las cruzamos, la F1 será heterozigota b4b5, y en ella se expresarán ambas versiones alotípicas de Ig de la misma clase.En humanos se han identificado 25 alotipos de cadenas g , que se denominan con la letra G seguida del número de la subclase, de la letra m, y finalmente, entre paréntesis, una cifra alusiva al alotipo. Ejemplos: G1m(1), G2m(23), G3m(11), G4m(4 a).
Existen dos variantes de IgA2 llamadas A2m(1) y A2m(2).
Se han identificado tres variantes de cadenas k : k m(1), k m(2) y k m(3).
¿Cómo detectar los alotipos? Se inyecta anticuerpo de una clase o subclase de un individuo (A) a otro individuo (B) con distinto alotipo de la misma especie: éste produce anticuerpos anti-alotípicos frente a las variantes alotípicas del individuo A.
Algunas veces, la madre gestante puede producir Ac anti-alotípicos en respuesta a determinantes alotípicos paternos heredados por el feto.
5.5.3 Idiotipos y determinantes idiotípicos
Se define como idiotipo el conjunto de variantes antigénicas características de cada anticuerpo de un mismo individuo, debidas a las secuencias de aminoácidos de las porciones VH y VL. A su vez, cada uno de los determinantes características de un anticuerpo concreto se denomina idiotopo. El conjunto de los idiotopos es lo que define a cada idiotipo. El idiotopo puede coincidir o no con un paratopo (con un sitio de unión a un epitopo).Obviamente, los Ac producidos por un determinado clon de linfocitos B y las células plasmáticas derivadas de ellos llevan el mismo idiotipo.
Normalmente, los distintos clones de linfocitos B producen idiotipos distintos entre sí, no compartidos entre ellos, a los que se llama idiotipos privados.
Pero también puede ocurrir que determinados determinantes idiotípicos sean comunes a dos o más clones, por lo que en este caso se habla de idiotipos públicos o de reacción cruzada (a veces llamados idiotipos recurrentes). Ello se debe a que distintos clones de linfocitos B de un mismo individuo (o de la misma raza pura) pueden usar la misma región génica variable de la línea germinal para construir sus porciones variables.
¿Cómo detectar los idiotipos? En el caso de animales de laboratorio, se usan razas singénicas (para minimizar diferencias iso- y alotípicas). Se inyectan anticuerpos monoclonales o anticuerpos de mieloma en un animal singénico; pasado un tiempo, de éste se recuperan anticuerpos anti-idiotípicos.Durante una respuesta inmune normal se producen anticuerpos anti-autoidiotípicos, que como veremos en el capítulo sobre regulación (tema 15), tienen un papel importante en el control de la respuesta inmune.
5.6 ESTUDIO DE LOS ISOTIPOS HUMANOS DE INMUNOGLOBULINAS
Vamos ahora a abordar el estudio de la estructura y papeles biológicos de los distitintos isotipos (clases) de inmunoglobulinas de la especie humana.
5.6.1 Inmunoglobulina G (IgG)
| Es el isotipo más abundante en suero (8-16 mg/ml), constituyendo el 80% de las Ig totales. |
| Existen cuatro subclases en humanos,que se diferencian estructuralmente entre sí por el tamaño de la región bisagra y el número de puentes disulfuro entre las cadenas pesadas. |
Algunos datos sobre las subclases de IgG
Subclase de IgG
|
nº de puentes S-S
|
concentración en suero (en mg/ml)
|
opsoninas
|
Activación del complemento
|
IgG1
|
2
|
9
|
+++
|
++
|
IgG2
|
4
|
3
|
+/-
|
+
|
IgG3
|
11
|
1
|
+++
|
+++
|
IgG4
|
4
|
0.5
|
-
|
-
|
| Estas distintas subclases se deben a que en la línea germinal existen cuatro genes Cg , si bien éstos comparten 90-95% de sus secuencias. Ello nos indica, además, que han divergido hace poco tiempo en la escala evolutiva a partir de un gen ancestral común. |
| Las IgG poseen gran capacidad de desarrollar elevada afinidad de unión al antígeno. |
| Son las mayoritarias durante la respuesta secundaria. |
| Difunden más fácilmente que los demás isotipos al espacio extravascular (hasta el 50% de las IgG se encuentran en los fluidos tisulares), donde son las principales responsables de neutralizar toxinas bacterianas (de hecho, son las únicas que funcionan como antitoxinas). |
| Las IgG1 e IgG3 funcionan muy bien como opsoninas: se unen a receptores para Fc de la superficie de células fagocíticas (sobre todo macrófagos), ayudándolas a fagocitar y destruir el microorganismo. |
| La IgG3 > IgG1 > IgG2 activan el complemento por la ruta clásica: el dominio Cg 2 de dos moléculas de IgG se une al componente C1q del complemento, para iniciar la activación de éste. |
| En humanos la IgG1, IgG3 e IgG4 cruzan fácilmente la placenta. |
| En otras especies no humanas (como en el cerdo), las IgG del calostro de la madre es absorbida por el recién nacido desde la luz intestinal hasta la sangre. Ello se debe a que las crías poseen unos receptores únicos en sus células del epitelio intestinal, que reconocen la Fc de la IgG, y la transportan a circulación sanguínea, lo cual confiere inmunidad pasiva durante las primeras semanas de vida. |
5.6.2 Inmunoglobulina A (IgA)
En humanos existen dos subclases: IgA1 e IgA2. En el suero predomina la subclase IgA1, constituyendo del 10 al 15% de las Ig totales (1.4-4 mg/ml), y allí aparece como monómeros (sin embargo, en otros animales, la IgA suele ser dimérica.Pero en las secreciones seromucosas es muy abundante la IgA2, que aparece como dímero.
Las secreciones donde aparece la IgA secretoria (sIgA) son:Para dar una idea de la abundancia de la IgA de las seromucosas, bastará decir que cada día se secretan unos 40 mg/Kg de peso corporal, frente a los 30 mg/Kg de IgG.
| saliva |
| lágrimas |
| fluido nasal |
| tracto bronquial |
| tracto genitourinario |
| tracto digestivo |
| leche materna y calostro |
Cada monómero presenta una cola adicional con 18 aminoácidos. La cola de cada monómero se une por un puente disulfuro a la pieza J. Esta pieza J es un polipéptido de 15 kDa sintetizado en la misma célula plasmática que está produciendo la IgA2. Dicha célula plasmática termina secretando el complejo de las dos unidades de IgA unidas cola con cola por la pieza J.
El complejo {IgA-J-IgA} es entonces reconocido por el llamado receptor de poli-Ig, situado en la membrana basal de las células epiteliales. Este receptor de poli Ig pertenece a la superfamilia de las inmunoglobulinas, y está constituido por 5 dominios típicos de Ig, y anclado a la membrana basal epitelial. Parece que reconoce a la pieza J ya engarzada a los dos monómeros de IgA.
El receptor de poli-Ig se une entonces a cada monómero de IgA, probablemente formando puentes disulfuro con los respectivos dominios Ca 2, con lo cual comienza un fenómeno de endocitosis mediada por receptor: se forma una vesícula membranosa recubierta de clatrina, en cuyo interior se encuentra el complejo {IgA-J-IgA} unido a su vez al receptor de poli-Ig. Esta vesícula intracitoplásmica viaja por el citoplasma, desde el extremo basal hasta el apical, y termina fusionándose con la membrana que da a la luz del conducto.
Entonces el receptor de poli-Ig se rompe a nivel del tramo que hay entre el último de sus dominios Ig y la membrana, con lo que queda libre la forma madura de la IgA secretada: un complejo de dos monómeros de IgA unidos por la pieza J, y todo ello recubierto del componente secretor, que como se ve, no es más que la porción mayor escindida del receptor de poli-Ig.
La pieza secretoria recubre buena parte de los dos monómeros de IgA, enmascarando sus respectivas regiones bisagra. Ello hace que la sIgA esté mejor protegida contra las proteasas, lo que se manifiesta en que posea una alta vida media en el entorno del conducto al que ha sido secretada. Además, la IgA2 es intrínsecamente más resistente que otras inmunoglobulinas al ataque de las proteasas bacterianas.
La sIgA cumple una misión importantísima en la protección del organismo frente a la entrada de numerosos agentes patógenos:
| al tener tetravalencia, es capaz de unirse a epitopos repetitivos de la superficie de virus y bacterias, inhibiendo la colonización por estos de las mucosas. |
| Parece que el componente secretor también tiene el efecto de evitar la adherencia de los microorganismos al epitelio (a esto se le ha llegado a llamar efecto Teflón™. |
| Los complejos de sIgA y antígeno son atrapados eficazmente en el fluido mucoso del epitelio, y eliminados por el movimiento ciliar del tracto respiratorio o por el peristaltismo del intestino. |
5.6.3 Inmunoglobulina M (IgM)
| Supone del 5 al 10% de las Ig séricas (1.5 mg/ml de media). |
| Se secreta como pentámeros, con las Fc hacia adentro y los brazos Fab hacia afuera. |
| Cada monómero lleva un dominio constante adicional (el Cm 2). Las unidades del pentámero están unidas entre sí por puentes disulfuro entre dominios Cm 3 adyacentes y entre Cm 4 adyacentes, exceptuando dos de las 5 unidades, que usan unión mediante una pieza J similar a la ya vista para la IgA. |
| Es la primera inmunoglobulina que sintetiza el neonato por sí mismo, y también es la primera en aparecer durante la respuesta primaria. |
| Al ser un pentámero, tiene una gran valencia teórica (10), pero dicha valencia sólo se usa al máximo con pequeños haptenos. En el caso de haptenos o epitopos mayores sólo llega a usar 5 de esas valencias, debido a impedimentos estéricos. |
| El tener gran valencia significa que posee una mayor capacidad que otras Ig para unirse a antígenos particulados multidimensionales: (p. ej., partículas de virus, eritrocitos de otro individuo), entrecruzándolos y provocando aglutinación, por lo que las IgM son típicas aglutininas (son de 100 a 1.000 veces más eficaces que las IgG en este papel). |
| Al unirse a este tipo de Ag particulados con epitopos repetitivos cambia de conformación: pasa de su configuración plana (forma de estrella) a una en forma de grapa o de cangrejo. Ello parece que a su vez sirve para que se pueda activar eficazmente el complemento por la ruta clásica. |
| De hecho, fijan y activan muy bien el complemento (debido a que para activar el componente C1q se requieren dos moléculas de inmunoglobulinas cercanas, cosa que la pentamérica IgM logra "por definición"). Por ello, la IgM es muy buena citolítica. |
| Están confinados en el torrente circulatorio (no se extravasan a tejidos), por lo que son muy buenos frente a bacteriemias. |
5.6.4 Inmunoglobulina D (IgD)
| Supone el 0.2% de las inmunoglobulinas séricas (20 m g/ml). |
| Presenta una región bisagra bastante amplia, lo que puede ayudar a explicar el hecho de que es muy susceptible a proteolisis, siendo muy baja su vida media en sangre (unos tres días). |
| En su forma libre en plasma, su función es desconocida. |
| Aparece como Ig de membrana, junto con la mIgM, en los linfocitos B maduros vírgenes, donde parece que su función es constituir un receptor antigénico, tanto en activación como en supresión de los linfocitos B. |
5.6.5 Inmunoglobulina E (IgE)
| Es la menos abundante en suero (0.3 m g/ml) |
| Presenta un dominio adicional (el que pasa a ser el Ce 2). |
| Es la mediadora de las reacciones de hipersensibilidad inmediata (alergias), como la fiebre del heno, asma extrínseco o el choque anafiláctico. Para ello, las moléculas de IgE se unen a receptores específicos para Fc de IgE situados en las membranas de mastocitos tisulares y de basófilos sanguíneos. Cuando dos moléculas de IgE unidas a sus respectivos receptores en estas células se entrecruzan con el alergeno específico, se produce la desgranulación, lo que libera extracelularmente mediadores farmacológicamente activos, como histamina y ciertas citoquinas. También se provoca la síntesis de novo de eicosanoides (prostaglandinas y leucotrienos). Todo ello colabora en los síntomas de alergia. |
| Pero la IgE también juega un papel fisiológico, beneficioso: confiere protección local frente a ciertos patógenos grandes, como helmintos: sirve para reclutar células plasmáticas y efectoras a través de una reacción de inflamación aguda. Si el parásito ha logrado atravesar la barrera de las mucosas y la de la sIgA, puede ser reconocido por moléculas de IgE específicas previamente unidas a receptores de mastocitos. Ello desencadena una reacción de inflamación aguda en la que las aminas vasoactivas (histamina) y los factores quimiotácticos atraen a polimorfonucleares neutrófilos; a continuación entran en el tejido moléculas de IgG, componentes del complemento, granulocitos y eosinófilos. Estos últimos reconocen al parásito recubierto por IgG, y colaboran en su destrucción. |
5.7 RECEPTORES CELULARES PARA Fc DE LAS Ig
En apartados anteriores hemos venido aludiendo a diversos receptores de la superficie de distintas células que sirven para engarzar inmunoglobulinas a través de las porciones Fc de éstas. Son moléculas ancladas a membrana, y la mayoría de ellos poseen dominios de tipo inmunoglobulina.
5.7.1 Receptores para Fcg
5.7.1.1 Fcg IR (=CD64)
| Posee tres dominios de tipo Ig. |
| Presenta una alta afinidad hacia la IgG monomérica y la IgG agregada (en inmunocomplejos). |
| Está presente en monocitos, y algo menos en macrófagos sin estimular. La unión de inmunocomplejos {IgG-Ag} al Fcg RI se produce por el dominio Cg 2 del Ac, y elloestimula la muerte extracelular de la célula diana (en un mecanismo conocido como citotoxicidad celular dependiente de anticuerpos, ADCC). |
5.7.1.2 Fcg RII (=CD32)
| Posee dos dominios de tipo Ig. |
| Presenta baja afinidad hacia la IgG. |
| Aparece en la superficie de monocitos, macrófagos, neutrófilos, eosinófilos, células B y plaquetas. |
| No es capaz de unir IgG monomérica, pero es muy efectivo para captar inmunocomplejos (IgG agregada). El entrecruzamiento de varios de estos receptores con inmunocomplejos provoca la activación de la célula respectiva, que en el caso de las células fagocíticas supone un aumento de esa actividad fagocitadora, y en el caso de las plaquetas, un aumento de la trombosis. |
| Por otro lado, los linfocitos B presentan una isoforma diferente (conocida como Fcg RIIB), que cuando se une a inmunocomplejos provoca la regulación negativa de estas células B (retrorregulación negativa sobre la capacidad de producción de Ac). |
5.7.1.3 Fcg RIII (=CD16)
| Es un receptor con dos dominios de tipo Ig. |
| De baja afinidad. |
| Presente en macrófagos, células NK, neutrófilos y eosinófilos. |
| Responsable del mecanismo ADCC de las células NK y de la eliminación de los inmunocomplejos por parte de los macrófagos. |
5.7.1.4 Fcg Rn
| A diferencia de los anteriores, no pertenece a la familia de las inmunoglobulinas, sino a la del MHC-I (posee incluso b 2-microglobulina). |
| Presente en la cara luminal de las células del epitelio intestinal de neonatos de ciertas especies de mamíferos. |
| Sirve para captar IgG de la leche materna en crías de ratones y de otros animales, y transportarlos al lado basal, de donde irán a la circulación. |
5.7.2 Receptores para Fce
5.7.2.1 Fce RI
| Consta de tres tipos de cadenas polipeptídicas: una a (con dos dominios de tipo Ig), una b y dos cadenas g unidas por puentes disulfuro. |
| Está presente en mastocitos. |
| La cadena a se une muy ávidamente al dominio Ce 2 (es decir, el dominio adicional de la IgE). La cadena b y las dos g parecen intervenir en la transducción intracelular de la señal. |
| El entrecruzamiento de dos receptores Fce IR (cada uno con su correspondiente molécula de IgE) con un mismo alergeno provoca la desgranulación del mastocito, iniciando la reacción de hipersensibilidad de tipo I (alergia). |
5.7.2.2 Fce RII
| No pertenece a la familia de las Ig, sino que presenta homología con varias lectinas animales, como la proteína de unión a la manosa (MBP). |
| Tiene baja afinidad hacia la IgE. |
| Presente en células inflamatorias y linfocitos B. |
| Se une al dominio Ce 3. |
5.8 LA SUPERFAMILIA GÉNICA DE LAS INMUNOGLOBULINAS
A lo largo de este capítulo (y de sucesivos) estamos viendo aparecer en escena distintas moléculas (no sólo inmunoglobulinas) que poseen al menos un dominio típico de Ig. Estas proteínas están codificadas por genes que presentan homologías entre sí. Estos diferentes genes probablemente se originaron a partir de un gen ancestral que codificaba algo parecido al dominio de Ig. En el pasado, dicho gen debió de sufrir sucesivas duplicaciones, y partir de entonces, cada copia del gen original evolucionó de modo independiente; incluso algunas de las copias debieron fusionarse con genes o partes de genes diferentes. El resultado evolutivo es que hoy, sobre todo en los mamíferos, cada especie posee múltiples genes derivados del ancestral, que no están ligados genéticamente (localizados en sitios distintos del genoma), y que en cada caso cumplen misiones diferenciadas. Por todo ello, se habla de una superfamilia de genes que tienen en común el codificar al menos un dominio de tipo Ig.A nivel de proteína, el dominio de Ig posee, como ya hemos estudiado, de 100 a 110 aminoácidos, con un bucle característico entre dos cisteínas conservadas y separadas entre sí por unos 50 a 70 aminoácidos, y que forma en el espacio una estructura terciaria globular elongada a base de dos láminas b antiparalelas.
La evolución molecular, a partir del dominio ancestral de tipo Ig ha generado tres tipos de variantes:
| dominios de tipo V: se parecen al dominio variable de las inmunoglobulinas; |
| dominios de tipo C1: su prototipo es el dominio constante de las inmunoglobulinas; |
| dominios de tipo C2: poseen rasgos intermedios entre los dominios V y C1. |
| Cadenas H y L de las inmunoglobulinas. |
| Cadenas Iga e Igb del complejo BCR. |
| Cadenas del receptor de linfocitos T (TCR). |
| Cadenas g d e del complejo CD3, que acompaña al TCR. |
| b 2-microglobulina, que forma parte del MHC-I. |
| Dominio proximal del MHC-I. |
| Dominios proximales del MHC-II. |
| CD2, CD4, CD8, CD28 de los linfocitos T. |
| Receptor de poli-Ig (y su versión "recortada" componente secretor de la sIgA). |
| Varias moléculas de adhesión celular (VCAM, ICAM, etc.). |
| PDGF (factor de crecimiento derivado de plaquetas). |
| VH-VL |
| CH1-CL |
| CH3-CH3 |
| poli Ig-Fc de IgA e IgM |
| CD4-MHC II |
| CD8-MHC I |
| TCR-MHC |
| Iga /Igb -mIg |
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