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(Ver capitulo actualizado en www.inmunologiaenlinea.es)
F. García-Cozar,
E. Aguado y J. Peña
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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 antígeno 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:
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. BIBLIOGRAFÍA. 1. Galaktionov VG. (2004).
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selector of fitting immunoglobulin heavy chains for the B-cell repertoire.
Nat Rev Immunol., 5: 578-84. |
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