03 Inmunoglobulinas

(Ver capitulo actualizado en www.inmunologiaenlinea.es

 

F. García-Cozar, E. Aguado y J. Peña

 


  Estructura Isotipos Dominios Subclases Alotipos Idiotipos Distribución Función Propiedades Unión ag-ac IgG y otras


 

INTRODUCCION

 

A finales del siglo XIX, Von Behring observó que los sueros de animales que habían padecido difteria contenían sustancias que neutralizaban el efecto de la toxina diftérica. A estas sustancias, que se caracterizaban por ser termolábiles y no dializables, se les denominó anticuerpos, debido a su capacidad de reconcer a las toxinas bacterianas.

En 1937 Tiselius descubre la electroforesis y aplica este nuevo método al fraccionamiento de proteínas plasmáticas, identificando así los anticuerpos como las proteínas del suero que se desplazan más lentamente. Esta fracción recibió el nombre de g-globulina, quedando así asociados temporalmente, los conceptos de anticuerpo y de g-globulina, como equivalentes (Figura 3.).Posteriormente, se comprueba que no todos los anticuerpos migran electroforéticamente con las g-globulinas, sino que muchos de ellos lo hacen con las a y  b globulinas. Esto se observó analizando los niveles de las distintas fracciones de globulinas antes y después de la inmunización de animales con un antígeno (Figura 3. ).   Se concluye entonces, que no todos los anticuerpos son gammaglobulinas, por lo que Hebermans propone el término de inmunoglobulinas para designar a todas las sustancias con capacidad de anticuerpo.  Hoy se conocen cinco tipos de inmunoglobulinas: IgM, IgA, IgG, IgD e IgE, cada una de ellas con ciertas  características distintas (Tabla 3.1).

 

ESTRUCTURA DE LAS INMUNOGLOBULINAS  

 

Las inmunoglobulinas son glicoproteínas que, según ya indicó Porter en 1959, están formadas por cadenas polipeptídicas agru­padas, dependiendo del tipo de inmunoglobulina, en una o varias unidades estructurales básicas.

 

Unidad estructural básica

Cada unidad está compuesta por cuatro cadenas polipeptídicas unidas entre sí por puentes disulfuro y otras uniones de tipo no covalente (Figura 3.).  Para su estudio se han empleado diferentes procedimientos. Por ejemplo, tras la rotura de los puentes disulfuro por sustancias de carácter reductor, como el mercaptoetanol, se individualizan las cuatro cadenas polipep­tídicas y éstos atendiendo a su tamaño, son de dos tipos: de bajo peso molecular (aproximadadamente 22  KD) y de alto peso molecular (50-70 KD, dependiendo del tipo de Ig). Los polipéptidos de bajo peso molecular reciben el nombre de cadenas ligeras o cadenas L (Light) y  las de alto peso molecular, cadenas pesadas o cadenas H (Heavy) (Tabla 3.2).

Dos cadenas ligeras y dos cadenas pesadas se agrupan de tal manera que existe una proximidad espacial entre los cuatro extremos amínicos de las cadenas ligeras y pesadas por una parte, y entre los dos extremos carboxílicos de las cadenas pesadas por otra.

Esta estructura básica de las inmunoglobulinas puede ser fraccionada mediante la utilización de enzimas (papaína, pepsina, etc.), como fue efectuado por Porter en 1959, obteniéndose diferentes tipos de  fragmentos (Figura 3 ).  El tratamiento con papaína produce la ruptura específica de las cadenas H, en el espacio comprendido entre el puente disulfuro que las une entre sí y los que las unen a las cadenas ligeras. Se obtienen tres fragmentos: uno denomina­do Fc, que determina la actividad biológica, contiene el alotipo y determina la clase y subclase de cadena pesada y dos denominados cada uno de ellos Fab, que contienen el idiotipo y es por donde la  molécula se une al antígeno.

 

Cadenas Ligeras.

Hay dos tipos de cadenas ligeras, estructuralmente diferentes, que se conocen como cadenas ligeras tipo kappa (k) y cadenas ligeras tipo lambda (l). La familia de genes que codifica para la cadena ligera k se localiza en el cromosoma 2 y los loci de los genes homólogos que codifican para la cadena l, en el cromosoma 22. En cada molécula de inmunoglobulina las dos cadenas ligeras son del mismo tipo, k o bien l,  pero nunca existe una de cada tipo en la misma inmunoglobulina.

Las cadenas ligeras están formadas por unos 200 aminoácidos con la particularidad de que existen dos puentes disulfuro que unen grupos de unos cincuenta aminoácidos. Concretamente la IgG1 posee 214 aminoácidos y su estructura secundaria y terciaria están determinadas por dos puentes disulfuro intracatenarios que unen los aminoácidos 23 con el 88 y 134 con el 193, (Figura 3.) . A su vez, estas cadenas ligeras tienen otro puente disulfuro intercatenario, por el cual cada una de ellas se une a una cadena pesada para constituir la unidad básica de las inmunoglobulinas. Este puente se encuentra en el último aminoácido (214) de la parte carboxílica para el tipo k y en el penúltimo para el tipo l.

 

Cadenas pesadas.

Estas cadenas poseen unos cuatrocientos aminoácidos estableciéndose entre algunos de ellos puentes disulfuro (intracatenarios) que asocian unos 60 aminoácidos y que condicionan la estructura secundaria del polipéptido. Por ejemplo, las cadenas pesadas de la IgG1 poseen 440 aminoácidos y los puentes disulfuro unen el aminoácido 22 con el 96, el 144 con el 200, el 261 con el 321 y el 367 con el 425.

Estas dos cadenas pesadas están unidas la una a la otra por puentes disulfuro intercatenarios, ya indicados anteriormente, y que pueden ser de uno a cinco dependiendo del tipo de inmunoglobulina.

En estas cadenas pesadas, y a nivel de los puentes disulfuro intercatenarios, hay una zona de unos 15 aminoácidos, de gran flexibilidad debido a su estructura y constituye lo que se denomina zona bisagra por donde se deforma la molécula de inmunoglobulina cuando se produce la unión con el antígeno, facilitándose así su acoplamiento con éste. Los loci de los genes que codifican para la cadena pesada se localizan en el brazo largo del cromosoma 14.

Parte variable y constante de las cadenas ligeras y pesadas.

Estructuralmente, las cadenas ligeras poseen dos partes: una corresponde al extremo carboxílico que diferencia las cadenas ligeras en dos tipos k y l, y constituye la  parte constante de las cadenas ligeras (CL). La otra corresponde al extremo amínico, que es muy variable y constituye la  parte variable de las cadenas ligeras (VL) y corresponde a la zona de interacción con el antígeno. Las partes constante y variable son prácticamente de igual tamaño en las cadenas ligeras.

También las cadenas pesadas poseen una parte variable y otra constante. Aproximadamente el tercio del extremo amínico de estas cadenas se caracteriza por ser estructuralmente muy variable, por lo que se conoce como parte variable de las cadenas pesadas (VH). La estructura de este fragmento, al igual que en las cadenas ligeras, depende del tipo de antígeno que reconoce, dado que este extremo también participa en la unión de la inmunoglobulina con el antígeno. Por el contrario, aproxima­damente los dos tercios del extremo carboxílico de todas las cadenas pesadas de un mismo tipo de inmunoglobulinas poseen una estructura idéntica. De ahí que esta parte de las cadenas pesadas se conozca como parte constante de las cadenas pesadas (CH).

Esta parte constante es diferente según la clase de inmunoglobulina que consideremos, determinando la existencia de cinco tipos de cadenas pesadas:  g, a, m, d y e que definen a su vez las cinco clases de inmunoglobulinas: IgG, IgA, IgM, IgD e IgE respectivamente. (Figura 3. ).  

 

 

Características de los distintos tipos de inmunoglobulinas

 

Debido a esta distinta estructura, las cadenas pesadas van a presentar distintas pro­pie­­dades biológicas, tales como la capa­cidad de unirse entre sí, fijar complemento, fijar la pieza de secreción y  unirse a macrófagos, neutrófilos y células NK. En la tabla 3.1 se recogen las principales tipos de inmunoglobulinas y en la tabla 3.3 las principales  propiedades de las mismas. Hemos de considerar que incluso  entre moléculas de una misma clase existen, según a la subclase a la que pertenezcan, ciertas diferencias cómo se observa en la Tabla 3.4.

Isotipos 

Si inmunizamos un animal de una especie con inmunoglobulinas procedentes de una especie distinta, la mayoría de los anticuerpos generados (antisuero heterólogo) irán dirigidos contra la región constante de la inmunoglobulina que hayamos inyectado, permitiendo definir lo que llamamos el isotipo de una inmunoglobulina determinada. Los genes que codifican para las distintas variantes isotipicas están presentes en todos los individuos sanos, es decir, todos los individuos sanos poseen los genes g1, g2, g3, g4, m, a1, a2, d, e, k y l; que codifican respectivamente para las regiones constantes G1, G2, G3, G4, M, A1, A2, D y E de las cadenas pesadas y para las regiones kappa y lambda de las cadenas ligeras. Existen cinco isotipos de cadena pesada (M, G, A, D y E) y dos de cadena ligera (k y l). Así diremos que el isotipo de una determinada inmunoglobulina es G1 o que esa inmunoglobulina es de la clase G y subclase 1, que a su vez puede tener unas cadenas ligeras del isotipo kappa o lambda. 

 

 

Dominios moleculares en las cadenas ligeras y pesadas

 

Tanto las cadenas pesadas como las ligeras poseen grupos de aminoácidos unidos por puentes disulfuro intracatenarios. Estos segmentos repetidos en las cadenas L y H se conocen como dominios. Los dominios de la parte constante de las cadenas pesadas presentan una gran homología secuencial no sólo entre ellos, sino también con la región constante de la cadena L. De forma similar, los únicos segmentos variables en las cadenas L y H presentan cierta homología entre ellos y en menor grado a los de la región constante.

La cadena L tiene dos dominios, uno corresponde a la región variable (VL) y otro a la constante (CL). La cadena H tiene un dominio en la región variable (VH) y tres o cuatro en la constante dependiendo de la clase de inmunoglobulina que consideremos (tres en la IgG, IgA e IgD y cuatro en las IgM e IgE). Estos dominios de la región C se denominan CH1, CH2, CH3 y CH4 cuando aparece este último (Figura 3. ).  

Los dominios V son los responsables de la unión con el antígeno y los dominios C, con excepción del CH1, constituyen el fragmento Fc que, como ya se ha indicado, determina las propiedades biológicas de las inmunoglobulinas. Concretamente es por el dominio CH2 por donde se produce la unión a las proteínas del complemento y se establece el enlace con la cadena glicosilada que completa la molécula glicoproteica de las inmunoglobulinas. Es entre los dominios CH1 y CH2 donde se establece la zona bisagra..

Regiones hipervariables

Las zonas variables, tanto de la cadena L como H, poseen a su vez unas regiones en donde se concentra fundamentalmente la variabilidad. Son tres pequeños segmentos que constituyen las denominadas regiones o segmentos hipervariables o región determinante de complementariedad CDR (Complementarity Determining Region), pues determinan la forma del centro activo que permite el reconocimiento y unión al antígeno. Cada una de estas regiones hipervariables se componen de 17 a 20 aminoácidos y  cambios en muy pocos aminoácidos de estas zonas suponen una enorme diversidad de posibilidades de unión al antígeno sin variar el resto de la molécula (Figura 3. ).  El resto de la parte variable es relativamente constante, de modo que sustituciones en los residuos que la constituyen, no afectan la especificidad de combinación; constituye un “sostén de trabajo” pues su misión es presentar adecuadamente en el espacio las regiones hipervariables al antígeno, por lo que los residuos que componen esta zona se denominan residuos FW (Framework). 

 

Moléculas adicionales a la unidad estructural básica.

En las inmunoglobulinas aparecen, además de las cuatro cadenas polipeptídicas básicas, un componente glucídico (que representa el 2-14 % del peso total de la molécula) y en algunas clases de inmunoglobulinas, glicoproteínas adicionales conocidas como cadena J y pieza de secreción (Figura 3. ).

La cadena J es una glicoproteína con un 12 % de azúcares y un peso molecular de 15 kD que une, mediante puentes disulfuro, extremos Fc en la IgA e IgM. La pieza de secreción es una glicoproteína de 58 kD de peso molecular que sintetizan las células epiteliales de las mucosas y glándulas exocrinas.   

Estructura espacial de las inmunoglobulinas.

Una vez conocida la secuencia primaria de aminoácidos en las cadenas peptídicas de las inmunoglobulinas, la deducción de su estructura espacial permitió entender la forma en  que millones de diferentes sitios de unión al antígeno son construidos sobre una estructura común.

Las inmunoglobulinas pueden estar constituidas por unidades básicas simples, como es el caso de la IgG, IgD e IgE; en forma de dímeros (dos unidades básicas unidas), como es el caso de la IgA, o incluso por hasta cinco estructuras básicas unidas por sus extremos Fc como es el caso de la IgM. Esto se debe a la cualidad que tienen las cadenas m y a de unirse entre sí. Esta unión se realiza a través de la cadena J y mediante puentes disulfuro (Figura 3.).

Las cadenas pesadas y ligeras están plegadas sobre si mismo, tal como se ha visto mediante análisis cristalográfico  (Figura 3.).

Cada uno de los dominios de las cadenas está constituido a modo de “cilindros” en los que se encuentran plegados en forma de sandwich dos grupos de cadenas proteicas, una con tres cadenas polipeptídicas y la otra con cuatro, que presentan estructuras secundarias es de hoja plegada b. Estas dos capas proteicas están alineadas paralelamente rodeando un espacio interior en el que predomina la presencia de aminoácidos hidrófobos (Figura 3) . La unión de esas dos capas se efectúa por puentes disulfuro. En las zonas constantes, las capas de cuatro segmentos están en el exterior de la molécula y las de tres en el interior, mientras que en las variables es al contrario; por lo demás, el modelo global de plegado guarda gran semejanza entre los dominios variables y constantes. Sin embargo, las regiones hipervariables constituyen tres bucles adicionales que no se someten al plegamiento del resto del dominio.

 

Subclases de Inmunoglobulinas

Se sabe que no todas las Inmunoglobulinas de una misma clase tienen idéntica estructura, sino que dentro de las clases se pueden establecer subclases considerando la secuencia de aminoácidos de la región constante de las cadenas H y el diferente número y situación de los puentes disulfuro intercatenarios establecidos entre las cadenas pesadas. Así, la IgG humana se divide en cuatro subclases (IgG1, IgG2, IgG3 e IgG4) y la IgA e IgM en dos (IgA1 e IgA2; IgM1 e IgM2) respectivamente. En la tabla 3.4 se exponen las distintas propiedades biológicas de las subclases de inmunoglobulinas G.

Las regiones constantes de las cadenas pesadas de estas diferentes clases y subclases de inmunoglobulinas se conocen, como veremos en el apartado siguiente, con el nombre de variantes isotípicas y son las mismas en todos los individuos normales de la misma especie.  

       

Alotipos  

Las inmunoglobulinas, como proteínas que son, pueden actuar como antígenos. Esta propiedad se ha aprovechado para generar anticuerpos contra ellas, que posteriormente han sido utilizados como instrumentos para analizar su estructura y función. Mediante el uso de los anticuerpos generados contra las inmunoglobulinas se ha podido detectar la existencia de variaciones en las mismas.

Si inmunizamos un animal con inmunoglobulinas de otro animal de la misma especie (Figura 3.)  obtendremos antisueros homólogos. Estos antisueros homólogos pueden ir dirigidos contra las regiones constantes de las inmunoglobulinas, solo contra aquellas zonas que sean distintas entre ambos animales. Estas diferencias reflejan variaciones mínimas, a veces de un solo aminoácido debidas a diferencias en la secuencia de ADN de los genes que codifican para las inmunoglobulinas. Los genes que codifican para las inmunoglobulinas se heredan en forma de alelos mendelianos, por lo que a cada uno de este tipo de variante se le denomina variante alélica y al conjunto de variantes alélicas, se le denomina alotipo. Los determinantes alotípicos o simplemente alotipos, se sitúan como hemos dicho en la región constante de las cadenas pesadas y ligeras. En el hombre se han descrito tres tipos de alotipos: 

 

·         Gm en las cadenas g de las IgG.

·         Am en las cadenas a de las IgA. 

 

Km en las cadenas ligeras k que dan lugar a tres alotipos: Km (1’2), Km (1) y Km (3), cuyas diferencias estructurales se recogen en la tabla 3.5.

 

 Idiotipos   

 

Los antisueros homólogos que referíamos anteriormente que se producen al inmunizar animales con inmunoglobulinas de otro animal de la misma especie, también pueden ir dirigidos contra las regiones hipervariables de las cadenas H y/o L de las inmunoglobulinas. Todas las inmunoglobulinas que poseen los mismos determinantes antigénicos en sus regiones hipervariables se dice que pertenecen al mismo idiotipo, o que poseen los mismos determinantes idiotipicos. Los determinantes idiotípicos son exclusivos para las moléculas producidas por un clon determinado de células productoras de anticuerpos. Todos los animales tienen una representación de todas las regiones hipervariables posibles, generadas por recombinación genética (como veremos en el capitulo 5). Estas en condiciones normales, no dan lugar a una masiva producción de anticuerpos al encontrarse cada una en cantidades muy pequeñas, cuando experimentalmente inyectamos una cantidad suficiente de inmunoglobulinas de una especificidad determinada, se desarrollara una respuesta de anticuerpos contra el idiotipo de esa inmunoglobulina en particular (Figura 3.).  Los idiotipos parecen tener importancia fisiológica en la regulación del sistema inmune. Según la teoría de la red de Jerne, frente a  los idiotipos se formarían anticuerpos que al unirse a los mismos formarían un entramado (“red”) de anticuerpos unidos a otros anticuerpos que tendrían como acción final la regulación del proceso de síntesis de nuevas inmunoglobulinas. Como decíamos anteriormente, cada uno de los idiotipos se encuentra representado en tan pequeña cantidad que pasa desapercibido para el sistema inmune, sin embargo, cuando un determinado clon de células B reconoce su antígeno especifico, prolifera, se diferencia a célula plasmática y produce una gran cantidad de inmunoglobulinas de una misma especificidad, sus determinantes idiotipicos pasaran a encontrarse en mucha mayor cantidad y ahora sí darán lugar a una respuesta de anticuerpos contra ellos, anticuerpos anti-idiotipo, que podrán unirse a las inmunoglobulinas que ocasionaron su generación. La unión de los anticuerpos anti-idiotipo al idiotipo que los origino podrá dar lugar al bloqueo de las inmunoglobulinas solubles que compartan ese idiotipo o unirse a las inmunoglobulinas de membrana presentes en linfocitos B de la misma especificidad, o incluso a las regiones hipervariables del receptor para el antígeno de la célula T que reconocen ese mismo antígeno, con efectos en cada uno de los casos inhibidores o estimuladores. Los idiotipos se encontraron mediante estudios serológicos, al observarse que cuando en un conejo se inyectaban anticuerpos antisalmonella de otro conejo del mismo alotipo, producían anticuerpos que reaccionaban con el anticuerpo inyecta­do, incluso aunque los dos conejos fueran genéticamente idénticos. Estos anticuerpos anti-idiotipo, en la mayoría de los casos, están dirigidos contra la estructura exclusiva de la porción fijadora de antígeno y por tanto solo reconocen a inmunoglobulinas de la misma especificidad, sin embargo en algunos casos, los anticuerpos anti-idiotipo pueden estar dirigidos contra zonas de la región hipervariable distintas de la porción fijadora del angeno y en este caso podrán unirse a inmunoglobulinas de varias especificidades distintas regulando la respuesta inmune frente a varios antígenos.

 

DISTRIBUCIÓN DE LAS INMUNOGLOBULINAS.  

 

Las inmunoglobulinas se encuentran distribuidas en todos los fluidos orgánicos de la economía de los vertebrados y en las membranas de los linfocitos B y células plasmáticas. Las cantida­des relativas de cada una de las clases de inmunoglobulinas en los diferentes compartimentos del organismo son muy diferentes.

En el torrente sanguíneo predomina la IgG mientras que en las secreciones (saliva, lágrimas, secreción bron­quial, así como en el líquido cefalorraquídeo y mucosas) la IgA es la predominante. Los niveles de inmunoglobulinas séricas fluctúan ampliamente en función de diversos aspectos, tales como el estado nutricional, la edad, etc. Los valores normales en suero de un hombre adulto (entre 20 y 40 años) se recogen en la tabla 3.6. 

Ontogénicamente se producen múltiples cambios en los niveles de inmunoglobulinas desde el nacimiento hasta los 8 ó 10 años, en que estos se estabilizan. En la figura 3.17 se expresan  las concentraciones de inmunoglobulinas desde antes del nacimiento hasta los 5 años de  edad. Los niveles de Ig G son muy altos en la vida fetal y en las primeras semanas de vida extrauterina, debido a que esta inmunoglobulina es la única que pasa de la madre al feto a través de la placenta. Durante la lactancia, descienden los niveles de IgG por catabolismo de esas moléculas que no son repuestas por carecer el niño aún de la capacidad de síntesis de las mismas. También en la edad fetal se sintetizan pequeñas cantidades de IgM (Figura 3.).

Cuando las inmunoglobulinas se encuentran insertas en la membrana de los linfocitos (inmunoglobulinas de membrana), actúan como receptores de las señales de activación antigénicas por su capacidad de reconoci­miento del antígeno constituyendo el receptor para el antígeno del linfocito B.

 

SUPERFAMILIA DE LAS INMUNOGLOBULINAS

 

La estructura de las cadenas pesadas y ligeras de las inmunoglobulinas posee ciertas similitudes entre sí (por ejemplo, la estructura en dominios equivalentes). Esto hizo pensar que ambas cadenas procedían de una molécula  ancestral común. Idéntica similitud se ha observado con la b-2-microglobulina y con una gran cantidad de moléculas, todas ellas agrupadas, por tanto, bajo el mismo epígrafe de superfamilia de las inmunoglobulinas. Estas moléculas son: el receptor T para el antigeno,  las moléculas de histocompatibilidad clase I y II, LFA-3, ICAM-1 y otras muchas que irán siendo estudiadas en diferentes capítulos de este libro, especialmente en el capítulo 8, donde se estudian las moléculas de adhesión (Figura 3.).

 

FUNCIÓN DE LAS INMUNOGLOBULINAS 

 

La función esencial de las inmunoglobulinas es la de unirse al antígeno. De esta manera las inmunoglobulinas actúan como receptoras de señales antigénicas o bien pueden colaborar en la destrucción antigénica. La primera función se presenta cuando las inmunoglobulinas se encuentran insertas en la membrana de los linfocitos B (inmunoglobulinas de membrana), y para la segunda requieren la colaboración del comple­mento, macrófagos, neutrófilos y células NK, que tienen la propiedad de unir las inmunoglobulinas por su extremo Fc.

Unión antígeno anticuerpo.  

Los epítopos de un antígeno pueden estar formados por aminoácidos consecutivos en la secuencia de la proteína, como las proteínas se encuentran normalmente dobladas sobre si mismas según lo que llamamos estructura terciaria, en la mayoría de los casos los anticuerpos generados contra este tipo de epítopos solo reconocerán a la proteína desnaturalizada o “linearizada” y por ello se les llama epitopos lineales. En la mayoría de los casos los epítopos suelen estar formados por aminoácidos del antigeno que solo se encuentran suficientemente cerca unos de otros en la proteína nativa, es decir en la proteína que tiene estructura terciaria conservada, es decir una conformación adecuada, por lo que a estos epítopos se les llama epitopos conformacionales (Figura 3. ). Cuando inmunizamos un animal con una proteína, generaremos una serie de anticuerpos dirigidos contra los distintos epítopos de la misma, todos esos anticuerpos se encontraran circulando en el suero del animal al que, una vez extraido, llamaremos antisuero. El tipo de anticuerpos que compondrán ese antisuero dependerá en gran medida de la forma en que hayamos preparado la proteína para la inmunización, si la hemos preparado desnaturalizada, solo existirán epítopos lineales, mientras que si hemos inyectado la proteína en su estado nativo, coexistirán en el antisuero anticuerpos que reconozcan epítopos conformacionales con otros que reconozcan epítopos lineales. En el caso de anticuerpos monoclonales, todas los anticuerpos procederán de un clon de células plasmáticas y por tanto estarán dirigidos contra un solo epítopo que será de un tipo u otro. La importancia radica, en que dependiendo del tipo de epitopos que reconozcan los anticuerpos, las aplicaciones diagnosticas o de investigación serán distintas. En general, los anticuerpos que reconocen epitopos lineales serán útiles para técnicas de Western Blot (donde se analiza la proteína generalmente desnaturalizada) mientras los que reconocen epítopos conformacionales lo serán para técnicas de inmunofluoresencia, inmunoprecipitación, etc.

 

Paratopo.  

Las inmunoglobulinas se unen a los epitopos de los antígenos por sus sitios activos, constituidos como se ha indicado anteriormente, por los segmentos variables de las cadenas pesadas y ligeras (Figura 3. ) y donde intervienen principalmente las regiones hipervariables. Esta zona de unión al epítopo se conoce con el nombre de  paratopo.

Fuerzas de unión Ag-Ac

La  unión del antígeno (Ag) con el anticuerpo (Ac) o inmunoglobulina es semejante a la que se establece entre la enzima y su substrato o entre proteínas que pertenecen a cualquier vía de señalización intracelular. Estas interacciones se deben a la formación de múltiples enlaces no covalentes (enlaces de hidrogeno, interacciones electrostáticas, de Van der Waals e hidrófobas), cada uno de los cuales por si solos son débiles.  Sin embargo, como se establecen múltiples interacciones, la fuerza total de la unión puede ser muy elevada. Para que las interacciones mencionadas lleguen a ser efectivas, los grupos entre los que se establece deben estar situados a distancias muy cortas, y para que esto sea posible y se puedan producir un gran numero de interacciones, el epítopo y el paratopo deben encajar perfectamente, dependiendo de ello la “fuerza” de la interacción que conocemos con el nombre de afinidad. La afinidad esta interacción es de vital importancia, por cuanto de ello dependerá tanto la utilidad diagnósitca y de investigación de un anticuerpo como su importancia fisiopatológica. Para cuantificar la afinidad de una interacción, deberemos entender primero una serie de conceptos de los que nos ocuparemos a continuación. Al tratarse de uniones no covalentes, la unión Ag/Ac será reversible de modo que cuando el antígeno y el anticuerpo se mezclan en solución, se estarán formando y disociaciando complejos constantemente de acuerdo con la siguiente ecuación:

 

                            KA

          Ag + Ac   = ==   Ag-Ac

                           KD

 

 

donde ka representa la constante de velocidad y kd la de disociación.

Llegara un momento en que la velocidades de asociación y disociación se igualen, es decir, que el numero de complejos Ag/Ac que se formen sea el mismo que el que se disocie, entonces decimos que se ha llegado a una situación de equilibrio dinámico. Una forma indirecta de medir la afinidad de la interacción de una pareja Ag/Ac, será medir la velocidad de asociación y disociación antes de que se llegue al equilibrio, lo cual puede realizarse actualmente mediante biosensores. Cuanto mayor sea la velocidad de asociación y menor la de disociación mayor será la afinidad de la interacción de esa pareja Ag/Ac. Otra forma complementaria y más directa de cuantificar la afinidad de la interacción Ag/Ac, es hacerlo una vez que se ha alcanzado el equilibrio y utilizando concentraciones bajas de anticuerpo. En estas condiciones la concentración de antígeno que permite que la mitad de los anticuerpos estén unidos a ellos y la otra mitad libre, medida en molaridad, se denomina constante de disociación (KD) y es una medida directa de la afinidad de la interacción. Cuanto menor sea la KD mayor será la afinidad puesto que indica que es necesaria una menor concentración de antígeno para que la mitad de los anticuerpos estén ocupados.  La inversa de la KD es la constante de asociación (KA) cuyo valor es directamente proporcional a la afinidad de la interacción. Para determinar experimentalmente estas constantes tendremos que conocer las concentraciones de antígeno libre y unido, para lo cual existen varios métodos entre los que destacan análisis mediante dialisis de equilibrio (Figura 3.). Esta técnica se basa en la utilización de una membrana semipermeable de un poro tal, que permita el paso de un antígeno suficientemente pequeño (un hapteno) pero no del anticuerpo. A concentraciones bajas de antígeno, la concentración de anticuerpo libre ira bajando rápidamente hasta que se alcance el equilibrio, puesto que todo el antígeno que entre a través de la membrana semipermeable quedara retenido por el anticuerpo. Realizando el experimento anterior con varias concentraciones de antígeno, podremos encontrar aquella en la que la mitad del anticuerpo se encuentra unido al antígeno que como hemos dicho corresponde a la KD. La afinidad que hayamos calculado corresponderá exclusivamente a la de la interacción de esa pareja Ag/Ac. Un determinado anticuerpo podrá unirse a mas de un antígeno con afinidades distintas en cada caso.

 

Avidez de la unión Ab-Ac

Como apuntábamos anteriormente, el fenómeno de la unión Ag/Ac es en realidad mucho más complejo, pues cada uno de los antígenos poseen varios epítopos distintos, por lo que podrán unir mas de un anticuerpo. Cada molécula de anticuerpo, por su parte, podrá unir al menos dos moléculas de antigeno, una por cada Fab y en el caso de la IgM hasta diez moléculas (como se comento anteriormente las inmunoglobulinas IgM se ensamblan en unidades funcionales constituidas por cinco moléculas de anticuerpo). Finalmente en un antígeno, un determinado epítopo puede estar representado varias veces siendo capaz de unir varias moléculas del mismo anticuerpo. La fuerza total de la interacción que considera todas las interacciones epítopo/paratopo que tienen lugar entre antígenos y anticuerpos multivalentes (con varios sitios de unión), se denomina avidez y es mucho mayor que la suma de las afinidades puesto que las distintas interacciones se estabilizan entre ellas. Estas interacciones multivalentes poseen una gran importancia fisiopatológica por cuanto cuando se encuentren Ag y Ac en solución, como es el caso del plasma o los tejidos, se formaran agregados constituidos por muchas moléculas que denominamos Inmunocomplejos. A concentraciones equivalentes de Ag y Ac estos inmunocomplejos serán de gran tamaño y podrán quedar atrapados en los tejidos, iniciando una respuesta inflamatoria y dando lugar a las llamadas enfermedades por deposito de inmunocomplejos.

 

Especificidad de la unión Ag-Ac

La unión entre el Ag y la Ig tiene una gran específicidad, de tal manera que una Ig se unirá fundamentalmente y con mayor avidez, a un antígeno determinado. En algunos casos la inmunoglobulina podrá unirse a antígenos con epítopos muy similares, aunque en este caso la afinidad de la unión es mucho menor (Tabla 3.7). También es posible que un mismo epítopo se encuentre con dos antígenos diferentes en cuyo caso el anticuerpo reaccionara con los dos antígenos, diciéndose entonces que existe una reactividad cruzada.

 

La consecuencia final de la acción de las inmunoglobulinas es la de destruir al antígeno y/o neutralizar los efectos nocivos de los mismos. Para la consecución de estos objetivos todas las inmunoglobulinas poseen, como ya se ha indicado, una característica esencial y común, que es la de unirse específicamente al antígeno, caracteristica que depende como hemos dicho, de sus regiones hipervariables contenidas en el fragmento Fab. Sin embargo, tanto la neutralización como la destrucción del antígeno, lo consiguen de muy diversas formas, dependiendo del tipo y manera de encontrarse el antígeno y también del tipo de inmunoglobulina que interviene en cada caso utilizando para ello, las regiones constantes y concretamente sus extremos Fc.

Tras la unión del antígeno y la inmunoglobulina, ésta puede anular la acción del antígeno por neutralización, precipitación o aglutinación del mismo. Así si la Ig es específica para una toxina bacteriana, cuando se produce la unión Ag-Ac (toxina-antitoxina), quedan neutralizados los efectos tóxicos de la toxina. De ahí que clásicamente, cuando no se conocía la estructura de las inmunoglobulinas, se las denominase antitoxinas, precipitinas o aglutininas, en función de la reacción que se detectaba en cada caso.

 

Propiedades biológicas de las inmunoglobulinas

 Los fenómenos de neutralización, precipitación y aglutinación de los antígenos no son suficientes por sí solos para la destrucción y total eliminación de éstos. Para ello, además de las inmunoglobulinas se requiere de la colaboración de otros muchos elementos, tales como el sistema del complemento, macrófagos, polimorfonucleares o células NK. 

 

Podemos decir que las inmunoglobulinas, al detectar los antígenos y producirse la subsiguiente unión a ellos, actúan como trans-ductores de la información de la presencia de los mismos que serían destruidos por el complemento, macrófagos, los polimorfonucleares o células NK a los que dan especificidad.

Opsonización.  

Cuando se produce la unión de antígeno e inmunoglobulina G se producen una serie de cambios alostéricos en el extremo Fc de la IgG que hacen que se una a receptores que se encuentran en la membrana de macrófagos y polimorfonucleares. A este fenómeno se le denomina opsonización (Figura 3.) Al producirse esta unión, los macrófagos se activan, iniciándose el fenómeno de fagocitosis y subsiguiente destrucción de los complejos antígeno anticuerpo por los procesos líticos intracelulares, propios de la acción de los enzimas contenidos en los lisosomas de estas células. Estos receptores pueden ser de distinta naturaleza, conociendose en la actualidad tres de estos receptores: FcgRI, FcgRII y FcgRIII, conocidos en la actualidad como CD64, CD32 y CD16 respectivamente.  Además de en los macrófagos estos receptores se encuentran en otras células como plaquetas, linfocitos B y NK (Tabla 3.8). Cuando se produce la unión a células NK estas se activan y lisan a las células portadoras del antígeno  por un mecanismo conocido como citotoxicidad celular dependiente de anticuerpos (ADCC).

Cuando la inmunoglobulina que se une a un antígeno es de las clases IgM o IgG, en sus extremos Fc se producen ciertos cambios alostéricos gracias a los cuales éstas adquieren la propiedad de fijar y activar uno de los componentes del complemento. Las fracciones activas del complemento poseen diferentes acciones muy importantes en la defensa del organismo, una de las cuales es la lisis celular. Este fenómeno se conoce con el nombre de citotoxicidad mediada por el complemento.

Además de estas funciones, las inmunoglobulinas tienen la capacidad de ser esenciales en el fenómeno de reconocimiento del antígenos por parte de linfocitos B cuando se encuentran ligadas a la membrana celular  de estas células como inmunoglobulinas de membrana constituyendo el receptor para el antígeno del linfocito B. Esta propiedad será estudiada extensamente en capítulos posteriores.

En la actualidad y utilizando técnicas de Ingeniería Genética, podemos “construir” anticuerpos monoclonales que contengan una especificidad determinada y que sean del isotipo que deseemos para que predominen unas u otras funciones biológicas. Incluso podemos, con fines terapéuticos generar anticuerpos monoclonales de una determinada especificidad en ratones y posteriormente aislar el ADN que codifica para las regiones hipervariables que confieren la especificidad y fusionarlo con el ADN que codifica para las regiones constantes humanas, estos anticuerpos monoclonales “humanizados” tendrán indudables ventajas desde el punto de vista terapéutico al no ser considerados como extraños por el sistema inmune humano (ver capítulo 4).

 

Propiedades y función de cada una de las inmunoglobulinas

Aunque en los apartados anteriores se ha hecho mención a las propiedades y función de las inmunoglobulinas, a continuación estudiaremos brevemente y por separado las características funcionales más importantes de cada una de ellas (Figura 3.).

 

Inmunoglobulina G.  

Son las inmunoglobulinas más abundantes y representan más del 70 % de las Igs séricas totales; las diferentes subclases se presentan en proporciones muy diferentes. La IgG1 es la subclase más frecuente (más del 60 %), seguida de la IgG2 (aproximadamente un 18 %), mientras que IgG3 e IgG4 se encuentran en mucha menor proporción.

Esta Ig posee capacidad neutralizante, precipitante, de fijar complemento, de unirse a células NK y a macrófagos (opsonización) y son capaces de atravesar activamente las membranas biológicas. La propiedad de atravesar activamente las membranas biológicas es de sumo interés por lo que, además de ejercer esta inmunoglobulina, su efecto en toda la “economía del organismo”, lo hace también en el feto al atravesar la placenta desde la madre, merced a la existencia de receptores para la porción Fc en el sincitiotrofoblasto.

Como el feto sólo sintetiza pequeñas cantidades de inmunoglobulinas, adquiere de este modo la posibilidad de defensa, no solamente mientras se encuentra en el seno materno, sino incluso durante la lactancia, período en el cual todavía no ha desarrollado la capacidad total de síntesis de inmunoglobulinas.

Sin embargo, este paso de IgG desde la madre al feto no siempre es beneficioso para el feto. De todos es sabido que cuando hay incompatibilidad del tipo Rh entre la madre y el feto, se puede desarrollar el síndrome de eritroblastosis fetal como consecuencia de la destrucción de glóbulos rojos fetales, de nefastas consecuencias si no se acude a tiempo. Esto no se presentaría si la IgG no pasase de la madre al feto

La IgG se sintetiza tardíamente tras un primer contacto con el antígeno, sin embargo, tras un segundo contacto la mayoría de las Igs formadas pertenecen a esta clase (Respuesta Secundaria) ( Tabla 3.9).

 

Inmunoglobulina M.

Los anticuerpos del tipo IgM son los que mas rápidamente se forman en respuesta a un estímulo antigénico (Respuesta primaria). Esta Ig se caracteriza también por poseer capacidad neutralizante, precipitante, aglutinante, fijar complemento, activar la respuesta inmune, sin embargo no atraviesa activamente las membranas biológicas. Esta última propiedad hace que esta inmuno­globulina ejerza su acción normalmente en los espacios intravasculares.

Representa del 5 al 10 % de las Igs séricas totales y junto a la IgD es la más frecuentemente encontrada en la superficie de los linfocitos B como inmunoglobulina de membrana.

Inmunoglobulina A.

Esta inmunoglobulina posee capacidad neutralizante y precipitante, mientras que su capacidad de fijar complemento y de opsonización son muy débiles, limitándose su efecto a neutrófilos y no a macrófagos.

La propiedad más importante de esta inmunoglobulina viene determinada por su capacidad de unirse por el extremo Fc a la pieza secretora, gracias a la cual puede ser secretada por las mucosas y glándulas exocrinas, ejerciendo su acción más importante en la superficie de mucosas y líquidos biológicos (sobre todo IgA2), tales como el liquido cefaloraquideo, secreción bronquial, lágrima, saliva, etc. Esto es importante porque así protegen precisamente los puntos más vulnerables del organismo, esto es, las puertas de entrada al mismo, como son ojos, boca, aparato digestivo, sistema respiratorio, vagina, etc. No olvidemos que, por ejemplo, si desplegamos la mucosa del aparato respiratorio, la superficie que cubriríamos es de unos 300 m2, superficie que se encuentra en contacto directo con el exterior a través del aire que se respira. Se deduce de ello que, sin duda, deben ser importantes los mecanismos de defensa local entre los cuales la IgA tiene un papel esencial.

Esta inmunoglobulina se encuentra también en la leche materna. Los niveles de todas las inmunoglobulinas, a excepción de la IgG en recién nacidos son muy bajos, siendo por tanto de gran significación el hecho de que la IgA se transfiera desde la madre al lactante a través de la secreción láctea. De ahí que tengamos que insistir en que los lactantes se amamanten en el mayor grado posible directamente por las madres y no con leche de otros orígenes, a lo que actualmente existe excesiva tendencia.

La IgA recibida de la madre ejerce un importante papel de defensa a nivel de todo el aparato digestivo. En ello parece que influyen las especiales características de pH gástrico del lactante que es menos ácido que en el adulto y una especial resistencia de esta inmunoglobulina frente al mismo, por lo que no se destruye a su paso por el estómago.

Inmunoglobulina D. .

La concentración de esta inmunoglobulina en suero es muy baja. Hasta fechas muy recientes no se había demostrado que esta inmunoglobulina poseía capacidad de unirse a antígenos, por lo que se dudaba de que actuase con función de anticuerpo. Sin embargo, aunque actualmente se ha demostrado su acción de anticuerpo, no se conoce con precisión cuáles son sus funciones específicas, aunque se piensa que colabora de forma importante en la activación de linfocitos B al actuar como receptor en la superficie de los mismos.

Inmunoglobulina E.

En muchos  individuos alérgicos esta inmunoglobulina se presenta en grandes cantidades. El estímulo para su síntesis puede proceder de una gran variedad de antígenos, a los que en este caso se conocen como alergenos. Estos alergenos pueden penetrar en el organismo  a través de la piel o de las mucosas respiratoria, ocular, del aparato digestivo, etc., así como por inyectables, como es el caso de la penicilina u otros medicamentos.

La vida media de la IgE en sangre periférica es de 24-48 horas. No tiene capacidad de atravesar la placenta, por lo tanto, las reacciones de hipersensibilidad inmediata no pueden transferirse de manera pasiva de la madre al feto. Sin embargo, puede existir una predisposición de tipo familiar a padecer enfermedades de naturaleza alérgica. Esta predisposición parece estar relacionada con una tendencia a producir anticuerpos de tipo IgE en la respuesta secundaria frente a antígenos, en lugar de IgG que seria la respuesta normal en individuos no alérgicos.

 

La IgE se encuentra en forma libre en sangre (Tabla 3.10) en donde se observa que los niveles cambian a lo largo de la edad.  También la IgE se encuentra en otros líquidos biológicos así como unida a  basófilos y células cebadas, gracias a la propiedad que tiene esta inmunoglobulina de unirse por su extremo Fc a receptores de superficie presentes en dichas células. Estas células se caracterizan por encontrarse en la piel y mucosas y por contener abundantes gránulos citoplasmáticos, ricos en sustancias vasoactivas que liberan una vez se activan. 

 

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3.. Danke NA, Koelle DM, Yee C, Beheray S, Kwok WW.(2004). Autoreactive T cells in healthy individuals. J Immunol , 172: 5967-72.

4.  Frasca D, Riley RL, Blomberg BB.(2004). Effect of age on the immunoglobulin class switch. Crit Rev Immunol., 24: 297-320.

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Capitulo de Inmunología-online coordinado por  J. Peña