南方医科大学：《抗体工程》课程教学资源（讲稿）抗体的分子结构

第一章抗体的分子结构 抗体和免疫球蛋白的概念 抗体(Antibody):是抗原刺激机体后，由浆细胞产生的并能与抗原发生特异性结合的 球蛋白。 免疫球蛋白(mmunoglobuin,lg):是指具有抗体活性的或化学结构与抗体相似的球蛋 从上面的两个定义可以看出：抗体是一个生物学的和功能的概念，理解为能与相应抗原 特异性结合的具有免疫功能的球蛋白。免疫球蛋白则主要是一个结构概念，除抗体外，它还 包括正常个体中天然存在的免疫球蛋白以及病理情况下（如骨髓瘤、巨球蛋白血症及冷球蛋 白血症等)患者血清中的免疫球蛋白及其亚单位等。因此，抗体是免疫球蛋白，但并非所有 的免疫球蛋白都具有抗体活性。 对于抗体的分子结构，重点掌握以下几部分内容：抗体的基本结构、功能区结构、水解 片段和其他成分。 第一部分：免疫球蛋白的基本结构 抗体分子可以特异性识别成千上万种不同的外来抗原，又可通过体内效应系统清除这些 抗原，因此g分子的突出特点是其分子结构和功能的双重性：识别不同抗原需要数量巨大 的结构上的多样性：与体内效应系统相互作用又需要结构的恒定性。这一特点使g分子成 为体内最复杂的分子，长期以来一直是科学家研究的热点之一。 在20世纪50年代以前，人们认为g是一个棒状分子，两端各有一个抗原结合部位。 到20世纪50年代末期，两位科学家Poter和Nisonoff发现用蛋白酶可以将免疫球蛋白消化 成不同的片段，从而证实了抗体是一种蛋白质，是由多肽链组成的。 有了上面的工作基础后，科学家们通过冷冻蚀刻电镜和X射线晶体衍射技术分析，最 终发现抗体分子的基本结构是由四条肽链组成的，包括二条较小的轻链和二条较大的重链， 成Y型结构。这样一个“Y型分子被称为1g分子的单体，是构成免疫球蛋白分子的基本单

第一章 抗体的分子结构 抗体和免疫球蛋白的概念 抗体（Antibody）：是抗原剌激机体后，由浆细胞产生的并能与抗原发生特异性结合的 球蛋白。 免疫球蛋白（Immunoglobulin, Ig）:是指具有抗体活性的或化学结构与抗体相似的球蛋 白。 从上面的两个定义可以看出：抗体是一个生物学的和功能的概念，理解为能与相应抗原 特异性结合的具有免疫功能的球蛋白。免疫球蛋白则主要是一个结构概念，除抗体外，它还 包括正常个体中天然存在的免疫球蛋白以及病理情况下（如骨髓瘤、巨球蛋白血症及冷球蛋 白血症等）患者血清中的免疫球蛋白及其亚单位等。因此，抗体是免疫球蛋白，但并非所有 的免疫球蛋白都具有抗体活性。 对于抗体的分子结构，重点掌握以下几部分内容：抗体的基本结构、功能区结构、水解 片段和其他成分。 第一部分：免疫球蛋白的基本结构 抗体分子可以特异性识别成千上万种不同的外来抗原，又可通过体内效应系统清除这些 抗原，因此 Ig 分子的突出特点是其分子结构和功能的双重性：识别不同抗原需要数量巨大 的结构上的多样性；与体内效应系统相互作用又需要结构的恒定性。这一特点使 Ig 分子成 为体内最复杂的分子，长期以来一直是科学家研究的热点之一。 在 20 世纪 50 年代以前，人们认为 Ig 是一个棒状分子，两端各有一个抗原结合部位。 到 20 世纪 50 年代末期，两位科学家 Poter 和 Nisonoff 发现用蛋白酶可以将免疫球蛋白消化 成不同的片段，从而证实了抗体是一种蛋白质，是由多肽链组成的。 有了上面的工作基础后，科学家们通过冷冻蚀刻电镜和 X 射线晶体衍射技术分析，最 终发现抗体分子的基本结构是由四条肽链组成的，包括二条较小的轻链和二条较大的重链， 成 Y 型结构。这样一个“Y”型分子被称为 Ig 分子的单体，是构成免疫球蛋白分子的基本单

位 一、轻链和重链 抗体主要由二条轻链((light chain,L链)和二条重链(heavy chain,H链)经二硫键连 接形成，在肽链两端游离的氨基或羧基分别命名为氨基端(N端)和羧基端(C端)。 重链，由450~550个氨基酸组成，分子量约55-75KD.H链含有少量糖类，所以1g属 于糖蛋白。根据H链抗原性的差异可将其分为5类：u链、Y链、α链、δ链和c链。分别对应 五类不同的免疫球蛋白分子。 轻链，比较短，由约214个氨基酸组成，分子量约25Kda。L链根据抗原性不同可 分成二型：x型，1型。 二、可变区和恒定区 免疫球蛋白单体的每一条肽链可分为2个区域，重链氨基端的四分之一或五分之一与轻 链氨基端的二分之一因氨基酸序列在不同抗体分子之间变化较大称作可变区(variable region,V区)，其余部分称为恒定区(constant region,C区)。恒定区位于L链靠近C端的 12和H链靠近C端的34或4/5区域，这一区域的氨基酸组成和排列顺序比较稳定，所以 叫恒定区。 轻链和重链的可变区互相作用构成Fⅴ段，形成抗原结合部位。可变区是在分析了大量 免疫球蛋白氨基酸序列的基础上，发现其变化较多而得名。 为了研究可变区不同位置氨基酸残基的变化规律，一般采用变异度(variability)这一概念 将其量化。 某一位置的变异度为该位置出现的不同氨基酸数与该位置最常出现的氨基酸残基的出 现频率之间的比值，例如某位置仅出现1个氨基酸，其变异变为1/(1)=1，为最小变异 度，而某位置所有氨基酸均同等出现则变异度为20/(1/20)=400，为最大变异度。如某一 位置出现了4种氨基酸，其中丝氨酸出现领率为80%，则变异度为4/0.8=5。 将免疫球蛋白中各氨基酸残基的变异度绘成坐标图，可以看出，免疫球蛋白氨基酸序列 的变异并不是随机均匀地分布在整个可变区，而是集中在几个较小的区段，这些区域被称为 高变区或超变区(hypervariablereon).VH和VL各有三个超变区，分别用HVRI、HVR2 和HVR3表示。V区中超变区之外的区域，其氨基酸组成和排列顺序相对不易变化，称为

位。 一、轻链和重链 抗体主要由二条轻链（light chain，L 链）和二条重链（heavy chain，H 链）经二硫键连 接形成，在肽链两端游离的氨基或羧基分别命名为氨基端（N 端）和羧基端（C 端）。 重链，由 450～550 个氨基酸组成，分子量约 55-75KD。H 链含有少量糖类，所以 Ig 属 于糖蛋白。根据 H 链抗原性的差异可将其分为 5 类：μ链、γ链、α链、δ链和ε链。分别对应 五类不同的免疫球蛋白分子。 轻链，比较短，由约 214 个氨基酸组成，分子量约 25Kda。 L 链根据抗原性不同可 分成二型：κ型，λ型。 二、可变区和恒定区 免疫球蛋白单体的每一条肽链可分为 2 个区域，重链氨基端的四分之一或五分之一与轻 链氨基端的二分之一因氨基酸序列在不同抗体分子之间变化较大称作可变区(variable region，V 区)，其余部分称为恒定区(constant region，C 区)。恒定区位于 L 链靠近 C 端的 1/2 和 H 链靠近 C 端的 3/4 或 4/5 区域，这一区域的氨基酸组成和排列顺序比较稳定，所以 叫恒定区。 轻链和重链的可变区互相作用构成 Fv 段，形成抗原结合部位。可变区是在分析了大量 免疫球蛋白氨基酸序列的基础上，发现其变化较多而得名。 为了研究可变区不同位置氨基酸残基的变化规律，一般采用变异度(variability)这一概念 将其量化。 某一位置的变异度为该位置出现的不同氨基酸数与该位置最常出现的氨基酸残基的出 现频率之间的比值，例如某位置仅出现 1 个氨基酸，其变异变为 1／(1/1) =1，为最小变异 度，而某位置所有氨基酸均同等出现则变异度为 20／(1／20) =400，为最大变异度。如某一 位置出现了 4 种氨基酸，其中丝氨酸出现频率为 80％，则变异度为 4／0.8=5。 将免疫球蛋白中各氨基酸残基的变异度绘成坐标图，可以看出，免疫球蛋白氨基酸序列 的变异并不是随机均匀地分布在整个可变区，而是集中在几个较小的区段，这些区域被称为 高变区或超变区(hypervariable region)。VH 和 VL 各有三个超变区，分别用 HVR1、HVR2 和 HVR3 表示。V 区中超变区之外的区域，其氨基酸组成和排列顺序相对不易变化，称为

骨架区(framework region,.FR)。 超变区又称为互补决定区(complementarity determining region,CDR)- 轻链可变区有3个CDR区，其CDR1位于第24~34位氨基酸，CDR2位于第50一S6 位氨基酸，CDR3位于第89~97位氨基酸。由于可变区的长度变化，在不同的种属或不同 的亚群，第27位可有1~6个氨基酸，第95位也可有1一6个氨基酸。 在重链可变区，也有3个CDR区，它们分别位于第31-35位，50~65位，95~102位 氨基酸，同轻链可变区类似，在35位、52位、82位及100位也可有多个氨基酸。 在可变区的立体构象中，CDR区位于连接反向平行B折叠链的襻部。通过X线晶体衍 射分析证实CDR区位于Fb段的末端，是抗体和抗原结合的部位。 三、免疫球蛋白的功能区结构 Ig分子的基本单位为结构类似的功能区或结构域(domain),lg分子的H链和L链可通 过链内二硫键折叠成若干个球形结构，每一个球形结构由110个氨基酸组成，具有一定的生 理功能，称为功能区。每一个功能区内有2个半胱氨酸，两者间隔约60个氨基酸，所形成 的链内二硫键使功能区成为一个球状结构。 g的轻链含有两个功能区，氨基端为可变区(VL,羧基端为恒定区(CD)。重链在不同 的类或亚类可以有4个功能区或5个功能区。其氨基端为可变区(V,其余是恒定区，分 别命名为CH,C2,CHB及CH4。轻链和重链之间以及两条重链之间通过二硫键和非共 价键联结形成免疫球蛋白单体。大部分重链在CHl和CH2之间有一个较链区hinge region). lg的功能区含有两个反向平行的B折叠片层(anti-parallel Bsheet),这两个片层由链内 二硫键连在一起，互相作用，形成一个球状结构，其核心为疏水区。在反向平行肽链折返处 的襻状结构，其氨基酸序列的保守性要低一些，在可变区这些挥形成了抗原结合部位。 免疫球蛋白的功能区可行使不同的功能。 ①VH和VL共同组成结合抗原的部位： ②CH和CL上具有部分同种异型的遗传标志： ③lgG的CH2具有补体C1q结合位点，并且是gG能通过胎盘的关键部位：gM的 CH3具有补体C1q结合位点，可启动补体活化经典途径： ④CH3或CH4具有结合单核细胞、巨噬细胞、粒细胞、B细胞、NK细胞FC段受体 的功能，不同的抗体可与不同的细胞结合，产生不同的兔疫效应。 免疫球蛋白的CH和CH2之间还有一个铰链区。铰链区的长度在I0一60多个氨基酸

骨架区（framework region, FR）。 超变区又称为互补决定区(complementarity determining region，CDR)。 轻链可变区有 3 个 CDR 区，其 CDRl 位于第 24～34 位氨基酸，CDR2 位于第 50～56 位氨基酸，CDR3 位于第 89～97 位氨基酸。由于可变区的长度变化，在不同的种属或不同 的亚群，第 27 位可有 1～6 个氨基酸，第 95 位也可有 1～6 个氨基酸。 在重链可变区，也有 3 个 CDR 区，它们分别位于第 31-35 位，50～65 位，95～102 位 氨基酸，同轻链可变区类似，在 35 位、52 位、82 位及 100 位也可有多个氨基酸。 在可变区的立体构象中，CDR 区位于连接反向平行β折叠链的襻部。通过 X 线晶体衍 射分析证实 CDR 区位于 Fab 段的末端，是抗体和抗原结合的部位。 三、免疫球蛋白的功能区结构 Ig 分子的基本单位为结构类似的功能区或结构域(domain)，Ig 分子的 H 链和 L 链可通 过链内二硫键折叠成若干个球形结构，每一个球形结构由 110 个氨基酸组成，具有一定的生 理功能，称为功能区。每一个功能区内有 2 个半胱氨酸，两者间隔约 60 个氨基酸，所形成 的链内二硫键使功能区成为一个球状结构。 Ig 的轻链含有两个功能区，氨基端为可变区(VL)，羧基端为恒定区(CH)。重链在不同 的类或亚类可以有 4 个功能区或 5 个功能区。其氨基端为可变区(VH)，其余是恒定区，分 别命名为 CHl，CH2，CH3 及 CH4。轻链和重链之间以及两条重链之间通过二硫键和非共 价键联结形成免疫球蛋白单体。大部分重链在 CHl 和 CH2 之间有一个铰链区(hinge region)。 Ig 的功能区含有两个反向平行的β折叠片层（anti-parallel  sheet），这两个片层由链内 二硫键连在一起，互相作用，形成一个球状结构，其核心为疏水区。在反向平行肽链折返处 的襻状结构，其氨基酸序列的保守性要低一些，在可变区这些襻形成了抗原结合部位。 免疫球蛋白的功能区可行使不同的功能。 1 VH 和 VL 共同组成结合抗原的部位； 2 CH 和 CL 上具有部分同种异型的遗传标志； 3 IgG 的 CH2 具有补体 C1q 结合位点，并且是 IgG 能通过胎盘的关键部位；IgM 的 CH3 具有补体 C1q 结合位点，可启动补体活化经典途径； 4 CH3 或 CH4 具有结合单核细胞、巨噬细胞、粒细胞、B 细胞、NK 细胞 Fc 段受体 的功能，不同的抗体可与不同的细胞结合，产生不同的免疫效应。 免疫球蛋白的 CH1 和 CH2 之间还有一个铰链区。铰链区的长度在 10～60 多个氨基酸

之间不等，其中gD和gG3的最长，分别含有64个和62个氨基酸残基。铰链区含有不等 数目的半胱氨酸，参与重链链间二硫键的形成。铰链区对木瓜蛋白酶、胃蛋白酶敏感，当用 这些蛋白酶水解免疫球蛋白分子时此区常发生裂解。 较链区富含肺氨酸，不形成-螺旋，易发生伸展及一定程度的转动，具有弹性，可以自 由展开多种角度。抗体分子变构的特性可使V区合拢或张开，利于V区与不同距高的抗原 表位结合。铰链区可使g分子发生“T”“Y”的构型改变，暴露补体结合位点，为补体活化 创造条件，显示出活化补体、结合组织细胞等生物学活性。 四、免疫球蛋白的水解片段 免疫球蛋白单体可以被蛋白酶水解，水解后蛋白发生裂解，产生不同的片段。 木瓜蛋白酶可以在重链链间二硫键近N端免疫球蛋白分子，产生3个片段，2个相同的 Fb段和1个Fe段。lg也可以被胃蛋白酶水解。胃蛋白酶是在H链链间二硫键近C端切断 lg分子，获得一个F(ab'h片段及若干pFc'小分子片段。 免疫球蛋白分子被木瓜蛋白酶水解生成Fab段和Fc段。Fab段又称抗原结合片段 (fragment antigen binding,)每个Fab段由一条完整的L链和一条约l/2的H链组成。Fc 段又称可结晶片段(fragment crystallizable),连接H链二硫键和近羧基端两条约l2的H链 所组成。Fb段具有抗体活性，能和一个抗原结合，表现为单价。Fc段不能和抗原结合，但 有g的其他活性，与抗体的效应功能有关 免疫球蛋白分子被木瓜蛋白酶水解生成F(b):和若干无活性小分子片段。F(b'): 包括一对完整的L链和一对由链间二硫键相连的H链。F(b),具有双价抗体活性，它与 抗原结合的亲合力要大于单价的Fab。lg的Fc段被胃蛋白酶水解成若干小分子片段，称为 pFc',失去生物学活性 五、抗体分子的附属成分 抗体分子单体是由轻、重链组成的四肽链分子，当形成多聚体时，比如，gM常形成五 聚体，gA常形成二聚体，这时还有其它肽链的参与。这其中主要有两种成分：J链和分泌 小体。 J链(Jchain))在lgM和IgA单体互相连接形成多聚体时有重要作用。它是一个含有124 个氨基酸的糖蛋白，分子量小，只有15kDa。J链含有8个半胱氨酸，参与链间和链内二硫 键的形成。J链的功能除了与多聚体的组装有关外还可能参与了两种多聚体的转运

之间不等，其中 IgD 和 IgG3 的最长，分别含有 64 个和 62 个氨基酸残基。铰链区含有不等 数目的半胱氨酸，参与重链链间二硫键的形成。铰链区对木瓜蛋白酶、胃蛋白酶敏感，当用 这些蛋白酶水解免疫球蛋白分子时此区常发生裂解。 铰链区富含脯氨酸，不形成α-螺旋，易发生伸展及一定程度的转动，具有弹性，可以自 由展开多种角度。抗体分子变构的特性可使 V 区合拢或张开，利于 V 区与不同距离的抗原 表位结合。铰链区可使 Ig 分子发生“T” “Y”的构型改变，暴露补体结合位点，为补体活化 创造条件，显示出活化补体、结合组织细胞等生物学活性。 四、免疫球蛋白的水解片段 免疫球蛋白单体可以被蛋白酶水解，水解后蛋白发生裂解，产生不同的片段。 木瓜蛋白酶可以在重链链间二硫键近 N 端免疫球蛋白分子，产生 3 个片段，2 个相同的 Fab 段和 1 个 Fc 段。Ig 也可以被胃蛋白酶水解。胃蛋白酶是在 H 链链间二硫键近 C 端切断 Ig 分子，获得一个 F(ab’)2片段及若干 pFc’小分子片段。 免疫球蛋白分子被木瓜蛋白酶水解生成 Fab 段和 Fc 段。Fab 段又称抗原结合片段 （fragment antigen binding)， 每个 Fab 段由一条完整的 L 链和一条约 1/2 的 H 链组成。Fc 段又称可结晶片段（fragment crystallizable），连接 H 链二硫键和近羧基端两条约 1/2 的 H 链 所组成。Fab 段具有抗体活性，能和一个抗原结合，表现为单价。Fc 段不能和抗原结合，但 有 Ig 的其他活性，与抗体的效应功能有关。 免疫球蛋白分子被木瓜蛋白酶水解生成 F（ab'）2和若干无活性小分子片段。F（ab'）2 包括一对完整的 L 链和一对由链间二硫键相连的 H 链。F（ab'）2具有双价抗体活性，它与 抗原结合的亲合力要大于单价的 Fab。Ig 的 Fc 段被胃蛋白酶水解成若干小分子片段，称为 pFc’，失去生物学活性。 五、抗体分子的附属成分 抗体分子单体是由轻、重链组成的四肽链分子，当形成多聚体时，比如，IgM 常形成五 聚体，IgA 常形成二聚体，这时还有其它肽链的参与。这其中主要有两种成分：J 链和分泌 小体。 J 链(Jchain)在 IgM 和 IgA 单体互相连接形成多聚体时有重要作用。它是一个含有 124 个氨基酸的糖蛋白，分子量小，只有 15kDa。J 链含有 8 个半胱氨酸，参与链间和链内二硫 键的形成。J 链的功能除了与多聚体的组装有关外还可能参与了两种多聚体的转运

第二个附属成分是分泌小体(secretory component))分泌小体是分子量为75kDa的高度糖 基化的肽链，它不是由B细胞所生成，而由上皮细胞合成，是上皮细胞膜表面聚g受体分 子中的一部分。 聚g受体位于上皮细胞膜表面，是多聚体g(主要是gA双聚体)的F©受体。当IgA二 聚体与粘膜上皮细胞内侧表面的聚g受体结合后，即被内吞进人细胞内，内化的g受体复 合物被转运到细胞的外侧，聚g受体被水解。分泌小体仍与多聚体g结合，并分泌到细胞 外，进入细胞外液，余下的受体部分仍留在细胞膜上。分泌小体除了参与聚g的转运外， 还可增加分泌型g对分泌液中蛋白酵的抵抗力，延长其半寿期

第二个附属成分是分泌小体(secretory component) 分泌小体是分子量为 75kDa 的高度糖 基化的肽链，它不是由 B 细胞所生成，而由上皮细胞合成，是上皮细胞膜表面聚 Ig 受体分 子中的一部分。 聚 Ig 受体位于上皮细胞膜表面，是多聚体 Ig(主要是 IgA 双聚体)的 Fc 受体。当 IgA 二 聚体与粘膜上皮细胞内侧表面的聚 Ig 受体结合后，即被内吞进人细胞内，内化的 Ig-受体复 合物被转运到细胞的外侧，聚 Ig 受体被水解。分泌小体仍与多聚体 Ig 结合，并分泌到细胞 外，进入细胞外液，余下的受体部分仍留在细胞膜上。分泌小体除了参与聚 Ig 的转运外， 还可增加分泌型 Ig 对分泌液中蛋白酶的抵抗力，延长其半寿期