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24.4: Antikörper Struktur
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Antibody Structure
 
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24.4: Antibody Structure

24.4: Antikörper Struktur

Overview

Antibodies, also known as immunoglobulins (Ig), are essential players of the adaptive immune system. These antigen-binding proteins are produced by B cells and make up 20 percent of the total blood plasma by weight. In mammals, antibodies fall into five different classes, which each elicits a different biological response upon antigen binding.

The Y-Shaped Structure of Antibodies Consists of Four Polypeptide Chains

Antibodies consist of four polypeptide chains: two identical heavy chains of approximately 440 amino acids each, and two identical light chains composed of roughly 220 amino acids each. These chains are arranged in a Y-shaped structure that is held together by a combination of covalent disulfide bonds and noncovalent bonds. Furthermore, most antibodies carry sugar residues. The process of adding sugar side chains to a protein is called glycosylation.

The Subunits of an Antibody Have Different Functions

Both the light chain and heavy chain contribute to the antigen binding site at each of the tips of the Y structure. These 110-130 amino acids are highly variable to allow recognition of an almost unlimited number of antigens. This region is also called the variable region and is part of the antigen binding fragment.

Each arm of the Y-shaped unit carries an identical antigen binding site. Antibodies can crosslink antigens: when one arm binds to one antigen and the other arm binds to a second, structurally identical antigen. Crosslinking is facilitated by the flexible hinge region that connects the antibody’s arms to the stem and allows variable distances between antigen binding sites. Large lattices of crosslinked antigens are subsequently engulfed more quickly and easily by macrophages, removing larger amounts of the antigen at once.

The stem region of the antibody is also called the fragment crystallizable (Fc) region and determines the effector function of the antibody. Via the Fc domain, the antibody can interact with Fc receptors on other immune cells, such as B cells, macrophages, and mast cells. The Fc region is often glycosylated, hindering or allowing Fc receptor access. Altering the glycosylation state of the antibody, therefore, allows rapid modulation of antibody function.

Mammals Have Five Classes of Antibodies

Antibodies are classified by their number of Y-shaped structures and type of heavy chains. Antibodies of the class IgD, IgE and IgG have a single Y-shaped structure, providing two identical antigen binding sites at the tips of their arms. In more scientific terms: they have a valency of two. IgD, IgE, and IgG differ, however, in the composition of disulfide and noncovalent bonds between their two heavy chains. IgA can occur as a monomer or as a dimer, resembling two Ys that are joined at their base. As a dimer, IgA has four identical antigen binding sites—a valency of four. IgM can occur as a monomer but is more often encountered as a pentamer, giving it a valency of 10.

The Five Classes of Antibodies Trigger Different Immune Functions

IgG antibodies are the most abundant antibody molecules in blood and are secreted in large volumes when a specific pathogen is encountered for the second time. IgGs contribute to pathogen elimination in several ways. They opsonize pathogens to trigger phagocytosis by macrophages or neutrophils. The activity of these phagocytic cells is enhanced by the complement system, a cascade of enzymatic proteins. The complement system is itself triggered by IgG. Furthermore, IgGs are the only antibodies that can cross the placenta from the mother to the fetus. They are also secreted into the mother’s milk, thereby offering passive immunity that protects the infant from infections.

IgA protects mucosal surfaces such as the gastrointestinal, respiratory, and urogenital tracts. It foremost neutralizes bacteria, preventing their movement across epithelia. IgA is also secreted into mucus, tears, saliva, and colostrum (the antibody-rich secretion of a mother’s breast for the first days after giving birth). IgA occurs as a dimer when it is secreted and as a monomer in body fluids.

Monomers of the IgM class are the first to appear on naive B cells. IgMs are the major class of antibodies that are secreted by B cells in response to the first exposure to an antigen—the primary antibody response. When an antigen binds to an IgM molecule, it activates the complement system and neutralizes pathogens.

The functions of IgD antibodies are not well understood but seem to resemble those of IgM.

IgE is challenging to study due to their low levels in body fluids and are mostly known for their negative impact on human well-being: allergies. During an allergic reaction, IgE binds to its cognate antigen. Subsequently, the Fc region of IgE binds to mast cells and basophils, a type of white blood cell. The interaction of IgE and the Fc-receptor on the cell surface elicits the release of histamines and interleukins, which in turn causes allergic symptoms such as sneezing and itching.

Antibodies for Research, Diagnostic and Therapeutics Are Produced in Animals

Antibodies are an important tool in many research disciplines as well as in the diagnosis, and sometimes treatment of disease. To produce antibodies, an antigen is injected into a farm or laboratory animal, often rabbits, chickens, hamsters, or goats, and is later isolated from the animal’s blood.

Überblick

Antikörper sind wesentliche Akteure des adaptiven Immunsystems. Sie sind auch als Immunglobuline (Ig) bekannt. Diese antigenbindenden Proteine werden von B-Zellen hergestellt und machen 20 Gewichtsprozent des gesamten Blutplasmas aus. Bei Säugetieren werden Antikörper in fünf verschiedene Klassen eingeteilt, die jeweils eine unterschiedliche biologische Reaktion auf die Antigenbindung auslösen.

Die Y-förmige Struktur von Antikörpern besteht aus vier Polypeptidketten

Die Antikörper bestehen aus vier Polypeptidketten: zwei identischen schweren Ketten mit jeweils etwa 440 Aminosäuren und zwei identischen leichten Ketten mit jeweils etwa 220 Aminosäuren. Diese Ketten sind in einer Y-förmigen Struktur angeordnet, die durch eine Kombination von kovalenten Disulfidbindungen und nicht-kovalenten Bindungen zusammengehalten wird. Darüber hinaus tragen die meisten Antikörper Zuckerreste. Der Prozess der Zugabe von Zuckerseitenketten zu einem Protein wird Glykosylierung genannt.

Die Untereinheiten eines Antikörpers haben unterschiedliche Funktionen

Sowohl die leichte Kette als auch die schwere Kette tragen zur Antigenbindungsstelle an jeder der Spitzen der Y-Struktur bei. Diese 110-130 Aminosäuren sind sehr variabel, so dass eine fast unbegrenzte Anzahl von Antigenen erkannt werden kann. Diese Region wird auch als variable Region bezeichnet und ist Teil des Antigenbindungsfragments.

Jeder Arm der Y-förmigen Einheit trägt eine identische Antigenbindungsstelle. Antikörper können Antigene miteinander vernetzen, wenn ein Arm an ein Antigen und der andere Arm an ein zweites, strukturell identisches Antigen gebunden wird. Die Quervernetzung wird durch die flexible Scharnierregion erleichtert, welche die Arme des Antikörpers mit dem Stamm verbindet und variable Abstände zwischen den Antigenbindungsstellen ermöglicht. Große Gitter aus vernetzten Antigenen werden anschließend schneller und leichter von Makrophagen umschlossen, die größere Mengen des Antigens auf einmal beseitigen können.

Die Stammregion des Antikörpers wird auch als fragmentarisch kristallisierbare (Fc) Region bezeichnet und bestimmt die Effektorfunktion des Antikörpers. Über die Fc-Domäne kann der Antikörper mit Fc-Rezeptoren auf anderen Immunzellen, wie B-Zellen, Makrophagen und Mastzellen, reagieren. Die Fc-Region ist häufig glykosyliert, wodurch der Zugang des Fc-Rezeptors behindert oder ermöglicht wird. Eine Veränderung des Glykosylierungszustandes des Antikörpers erlaubt daher eine schnelle Modulation der Antikörperfunktion.

Säugetiere verfügen über fünf Klassen von Antikörpern

Antikörper werden nach der Anzahl der Y-förmigen Strukturen und der Art der schweren Ketten klassifiziert. Antikörper der Klasse IgD, IgE und IgG haben eine einzige Y-förmige Struktur, die zwei identische Antigenbindungsstellen an den Spitzen ihrer Arme aufweist. Wissenschaftlicher ausgedrückt kann man sagen, dass sie eine Wertigkeit von zwei aufweisen. IgD, IgE und IgG unterscheiden sich jedoch in der Zusammensetzung der Disulfid-und nicht-kovalenten Bindungen zwischen ihren beiden schweren Ketten. IgA kann als Monomer oder als Dimer auftreten und ähnelt zwei Ys, die an ihrer Basis verbunden sind. Als Dimer hat IgA vier identische Antigenbindungsstellenmit einer Wertigkeit von vier. IgM kann als Monomer auftreten, wird aber häufiger als Pentamer angetroffen, was ihm eine Wertigkeit von 10 verleiht.

Die fünf Klassen von Antikörpern lösen unterschiedliche Immunreaktionen aus

IgG-Antikörper sind die am häufigsten im Blut vorkommenden Antikörpermoleküle und werden in großen Mengen ausgeschieden, wenn ein spezifischer Erreger zum zweiten Mal angetroffen wird. IgGs tragen auf verschiedene Weise zur Eliminierung von Krankheitserregern bei. Sie opsonieren Krankheitserreger, um die Phagozytose durch Makrophagen oder Neutrophile auszulösen. Die Aktivität dieser phagozytischen Zellen wird durch das Komplementsystem, eine Kaskade von enzymatischen Proteinen, verstärkt. Das Komplementsystem selbst wird durch IgG ausgelöst. Darüber hinaus sind IgGs die einzigen Antikörper, die die Plazenta von der Mutter zum Fötus durchqueren können. Sie werden auch in die Milch der Mutter sezerniert und bieten so eine passive Immunität, die den Säugling vor Infektionen schützt.

IgA schützt Schleimhautoberflächen wie den Magen-Darm-Trakt, die Atemwege und den Urogenitaltrakt. Es neutralisiert vor allem Bakterien und verhindert ihre Wanderung über die Epithelien. IgA wird auch in Schleim, Tränen, Speichel und Kolostrum (das antikörperreiche Sekret der Brust der Mutter in den ersten Tagen nach der Geburt) abgesondert. IgA kommt als Dimer bei der Sekretion und als Monomer in Körperflüssigkeiten vor.

Monomere der IgM-Klasse sind die ersten, die auf naiven B-Zellen erscheinen. IgMs sind die Hauptklasse von Antikörpern, die von B-Zellen als Reaktion auf die erste Exposition mit einem Antigen sezerniert werden. Sie bilden die primäre Antikörperreaktion. Wenn ein Antigen an ein IgM-Molekül bindet, so aktiviert es das Komplementsystem und neutralisiert Krankheitserreger.

Die Funktionen von IgD-Antikörpern sind noch nicht gut verstanden, scheinen aber denen von IgM zu ähneln.

IgE sind aufgrund ihrer geringen Mengen an Körperflüssigkeiten schwierig zu untersuchen und sind vor allem für ihre negativen Auswirkungen auf das menschliche Wohlbefinden bekannt: Allergien. Bei einer allergischen Reaktion bindet das IgE an sein kognitives Antigen. Anschließend bindet die Fc-Region des IgE an Mastzellen und Basophile, eine Art von weißen Blutkörperchen. Die Interaktion von IgE und dem Fc-Rezeptor auf der Zelloberfläche löst die Freisetzung von Histaminen und Interleukinen aus, was wiederum allergische Symptome wie Niesen und Juckreiz bewirkt.

Die Antikörper für Forschung, Diagnostik und Therapie werden in Tieren produziert

In vielen Forschungsdisziplinen sowie bei der Diagnose und manchmal auch bei der Behandlung von Krankheiten sind Antikörper ein wichtiges Instrument. Zur Herstellung von Antikörpern wird ein Antigen in ein Nutz -oder Versuchstier injiziert und später aus dem Blut des Tieres isoliert. Dabei werden häufig Kaninchen, Hühner, Hamster oder Ziegen verwendet.


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