항체 구조

개요

면역글로불린(immunoglobulin, 줄여서 Ig)으로도 알려진 항체(antibody)는 적응면역(adaptive immunity; 후천면역) 체계의 필수 요소입니다. 이 항원 결합 단백질은 B 세포(B cell)에 의해 생성되고 무게로 따지면 전체 혈장(blood plasma) 중 20%를 차지합니다. 포유류의 항체는 다섯 가지 종류가 있는데, 각각 항원(antigen) 결합에 따라 다른 생물학적 반응을 유도합니다.

항체의 Y자형 구조는 4개의 폴리펩타이드 사슬로 이루어져 있습니다

항체는 4개의 폴리펩타이드(polypeptide) 사슬로 구성되어 있습니다. 이 사슬은 약 440개의 아미노산으로 이루어진 2개의 동일한 중사슬(heavy chain)과 약 220개의 아미노산으로 구성된 2개의 동일한 경사슬(light chain)로 구성되어 있습니다. 이러한 체인은 공유 이황화 결합(covalent disulfide bond)과 비공유결합(non-covalent bond)의 조합으로 함께 고정되는 Y자 구조로 배열됩니다. 대부분의 항체는 당 잔기(residue)를 가지고 있습니다. 단백질에 당 측쇄(side chain)를 추가하는 과정은 당화(glycosylation; 글리코실화; 당쇄화)라고 불립니다.

항체의 단위체는 서로 다른 기능을 합니다

경사슬과 중사슬은 Y 구조의 각 끝단에 있는 항원결합부위(antigen binding site)에 기여합니다. 이 110개에서 130개의 아미노산은 매우 가변적이라 거의 무제한의 항원을 인식할 수 있습니다. 이 영역은 변이부위(variable region)라고도 하며 항원 결합 부분의 일부입니다.

Y자형 구조의 각 팔에는 동일한 항원결합부위가 있습니다. 항체는 하나의 팔이 하나의 항원에 결합하고 다른 팔이 구조적으로 또 다른 구조적으로 동일한 항원에 결합할 때 항원을 교차결합(crosslink)할 수 있습니다. 교차결합은 항체의 팔을 줄기에 연결하고 항원결합부위 사이의 가변 거리를 허용하는 유연한 경첩부위(hinge region)에 의해 촉진됩니다. 교차결합한 항원의 큰 격자(large lattice)는 후에 더 빠르고 쉽게 대식세포(macrophage)에 의해 흡수되어, 많은 양의 항원을 한 번에 제거합니다.

항체의 줄기 부위는 Fc 부위(fragment crystallizable region)라고도 하며 항체의 작동(effector) 기능을 결정합니다. Fc 도메인(Fc domain)을 통해, 항체는 B 세포, 대식세포, 비만세포(mast cell)와 같은 다른 면역 세포의 Fc 수용체(Fc receptor)와 상호작용할 수 있습니다. Fc 부위는 종종 당화되어 Fc 수용체 접근을 방해하거나 허용합니다. 따라서 항체의 당화 상태를 변경하면 항체 기능의 빠른 조절이 가능합니다.

포유류의 항체는 다섯 가지 종류가 있습니다

항체는 Y자 구조의 수와 중사슬의 유형에 따라 분류됩니다. IgD, IgE, IgG 항체는 하나의 Y자 모양 구조를 가지며 팔 끝에 동일한 두 개의 항원결합부위가 있습니다. 좀 더 과학적인 용어로 말하자면, 위의 항체는 2의 결합가(valency; valence)을 가지고 있습니다. 한편 IgD, IgE, IgG는 두 중사슬 사이의 이황화 결합과 비공유결합의 구성이 다릅니다. IgA는 단위체(monomer; 단량체) 또는 이합체(dimer; 이량체)로 발생할 수 있으며, 아랫부분이 결합한 두 Y 모양과 유사합니다. 이합체로서 IgA는 동일한 항원결합부위 4개(즉, 결합가 4)가 있습니다. IgM은 단위체로 발생할 수 있지만 5합체(pentamer; 5량체)로 더 자주 발생하고, 따라서 결합가는 10입니다.

다섯 가지 항체는 각자 다른 면역 기능을 유발합니다

IgG 항체는 혈액에서 가장 풍부한 항체 분자이며, 특정 병원체를 두 번째로 마주칠 때 대량으로 분비됩니다. IgG는 여러 가지 방법으로 병원체 제거에 기여합니다. 그들은 대식세포나 호중구(neutrophil)에 의한 식세포작용(phagocytosis)을 유발하기 위해 병원체를 옵소닌화(opsonization)합니다. 식세포 활동은 효소 단백질의 연쇄반응(cascade)인 보체계(complement system)에 의해 강화됩니다. 보체계는 자체는 IgG에 의해 활성화합니다. 또한, IgG는 임신부에서 태아로 태반을 넘나들 수 있는 유일한 항체입니다. 또 IgG는 모유에 분비되어 유아를 감염으로부터 보호하는 수동면역(passive immunity)을 제공합니다.

IgA는 위장, 호흡기, 비뇨기 등의 점막 표면을 보호합니다. 가장 먼저 박테리아를 중화(neutralization) 시켜 상피(epithelium)를 가로질러 이동하는 것을 막아줍니다. IgA는 점액(mucus), 눈물, 침, 초유(colostrum)에도 분비됩니다. IgA는 분비될 때 이합체로, 체액에서는 단위체로 존재합니다.

IgM 단위체는 미접촉 B 세포(naive B cell)에 먼저 나타납니다. IgM은 항원에 대한 첫 번째 노출 즉, 1차 항체 반응(primary antibody response)에 반응하여 B 세포에 의해 분비되는 주요 항체 유형입니다. 항원이 IgM 분자와 결합하면 보체계를 활성화하고 병원체를 중화시킵니다.

IgD 항체의 기능은 잘 알려지지 않았지만 IgM과 비슷하다고 여겨집니다.

IgE는 체액 내 수치가 낮기 때문에 연구가 어렵지만 인간의 안녕에 부정적인 영향을 주는 알레르기(allergy; 알러지)로 알려져 있습니다. 알레르기 반응이 일어나는 동안, IgE는 동족 항원(cognate antigen)에 결합합니다. 그 후, IgE의 Fc 부위는 백혈구의 일종인 비만세포와 호염기구(basophil)에 결합합니다. 세포 표면에 있는 Fc 수용체와 IgE의 상호작용은 히스타민(histamine)과 인터루킨(interleukin)의 방출을 유도하고, 이는 재채기, 가려움 등의 알레르기 증상을 유발합니다.

연구, 진단, 치료를 위한 항체는 동물에서 생산됩니다

항체는 진단과 질병의 치료뿐만 아니라 많은 연구 분야에서 쓰이는 중요한 도구입니다. 항체를 생산하기 위해 가축이나 실험동물(토끼, 닭, 햄스터, 염소 등)에게 항원을 주입하고, 후에 항체를 동물의 혈액으로부터 분리합니다.