抗体结构

抗体是一些生物学相关如分子生物学等试验的基础材料，同时，抗体药物也在医药领域占据重要位置。而对抗体的深入了解，是完整这些的理论基础。本文将系统总结抗体结构相关内容，梳理清楚相关知识体系。

一、典型的抗体结构

抗体（Antibody）是B细胞受体（B-cell receptor，BCR）的分泌形式。除了一小部分重链恒定区的C端外，抗体与分泌它的细胞的B细胞受体完全相同。也就是说，在B细胞受体的情况下C末端不同区域为一个疏水性膜锚定序列（疏水性序列用于跨膜），而在抗体它是一种允许分泌的亲水序列（用于分泌到胞外）。由于抗体是可溶的， 且大量分泌，容易获得和研究。出于这个原因，我们对B细胞受体的大部分了解都来自抗体的研究。

抗体分子大致是Y形分子，由三个大小相似的部分，通过柔性连接区松散连接。其结构示意图如下，具体结构本处不做展开说明，后文会详细提到。

图1：IgG的结构示意图。蓝色为重链，绿色为轻链，修饰橙色为糖基化。左侧为二级结构的带状示意图，右侧为空间填充模型。

本文后续将解释这种结构是如何形成的，以及它如何允许抗体分子执行其双重任务：1）与抗原的结合；2）和有限数量的效应分子和细胞结合。 而抗体存在5种不同类别：IgM、IgD、IgG、IgA 和 IgE。

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二、以IgG为例详解结构

2.1 IgG抗体由四条多肽链组成

IgG抗体是大分子，分子量约为150 kDa，由两种不同类的多肽链组成。1种大约50 kDa，称为重链（heavy or H chain），另一个约25 kDa，称为轻链（light or L chain），每个IgG分子由2条重链和2条轻链组成。2条重链通过二硫键相互连接，每条重链通过二硫键与1条轻链连接。IgG的2条重链和2条轻链是相同的，使抗体分子具有2个相同的抗原结合位点 。

图2：IgG的结构示意图

在抗体中存在两种类型的轻链，称为λ （lambda）链 和κ（kappa）链。而且免疫球蛋白要么具有κ链，要么具有λ链条，不会同时包含两者。两种类型的比例因物种而异。在小鼠中，平均κ与λ的比率是20:1，而人类是 2:1，牛是 1:20。该比率的失真有时可用于检测B细胞克隆的异常增殖，因为这些细胞都会表达相同的轻链，因此一个人体内的λ轻链过量可能表明存在产生λ链的B细胞肿瘤。

相比之下，抗体的类别以及效应功能是由其重链的结构定义。有五种主要的重链类别或同种型，其中一些具有多个亚型，这些亚型决定了抗体分子的功能活性。五大类免疫球蛋白，就是我们常说的IgM、IgD、IgG、IgA还有IgE。它们的重链，可以用小写的希腊字母来表示，比如μ链（IgM）、δ（IgD）、γ（IgG）、α（IgA）和ε（IgE）。这里面，IgG的量是远远多于其他几类的，而且它自己还能分成好几个亚类，在人的话主要有IgG1，IgG2，IgG3和IgG4这四种。

2.2 恒定区和可变区

通过对免疫球蛋白重链和轻链的氨基酸序列进行测定，发现抗体分子有两个比较重要的特征。

首先，每条链其实都是由一序列差不多110个氨基酸那么长的重复片段组成的，这些序列看起来很像，但又不完全一样。它们其实就对应着一个一个独立折叠起来的 compact 区域，也就是我们平时说的“结构域”。拿IgG来说，它的轻链一共有两个这种结构域，然后重链的话一般是四个（可以参考图2）。

其次，比较氨基酸序列发现，重链和轻链在靠近氨基末端的那一段序列差别很大。这种变异主要集中在最前面大约110个氨基酸，也就是第一个结构域；而后面那些结构域，在不同类型的免疫球蛋白链之间反而是不变的。重链和轻链的氨基末端可变区（分别叫VH和VL）一起构成了抗体的V区，这个部分决定了抗体能不能特异性地结合抗原。而重链和轻链上的恒定区（叫CH和CL）则组成C区。重链上的多个C结构域从氨基端往羧基端依次被编号为CH1、CH2、和CH3。

2.3 抗体能被切成功能不一样的片段

这些蛋白质结构域会进一步组合成更大的球状结构。所以当抗体完全折叠并组装好后，它整体看起来像是三个差不多大的球状部分，中间由铰链区里一段柔性的多肽链连着。这个Y形的每一个“手臂”，其实是由轻链和重链的靠氨基端那一半组合形成的；而Y的“主干”部分，则是由两条重链靠羧基端的那一半相互结合构成的。重链和轻链的组合让VH和VL结构域配成对，CH1和CL结构域也是这样。CH3结构域互相配对，但CH2结构域之间并不直接接触——连在CH2上的糖链反而是躺在两条重链中间。两个抗原结合位点就位于Y形两臂末端那里，由配对的VH和VL结构域构成。

研究人员常用一些能切断肽链的蛋白酶来研究抗体结构，搞清楚到底是哪些部分负责哪些功能。比如，用木瓜蛋白酶对抗体做有限水解，就能把它切成三个片段（图3）。其中有两个片段是一样的，并且都能结合抗原，我们叫它Fab片段（抗原结合片段）。Fab片段其实就对应抗体分子的那两个相同的“手臂”，里面包括整条轻链，以及重链的VH和CH1结构域。另一个片段虽然不能结合抗原，但很容易结晶，所以被命名为Fc片段（可结晶片段）。这个部分对应的是配对状态的CH2和CH3结构域，也是抗体用来和效应分子或者细胞相互作用的区域。不同重链类型的功能差异，主要就体现在Fc片段上。

图3：木瓜蛋白酶将免疫球蛋白分子切割成三块，两个Fab片段和一个Fc片段（上图）。Fab片段包含V 区并结合抗原。Fc片段是可结晶并含有C区。胃蛋白酶裂解免疫球蛋白产生一个F（ab′）2碎片和许多小块Fc片段，其中最大的称为pFc′片段 （下图）。

蛋白酶切下来的这些片段，其实和连接两条重链的二硫键位置有关。这些二硫键就在CH1和CH2之间的铰链区，正如图3所示，木瓜蛋白酶是在二硫键靠氨基端那一侧切的，这样一来，Fab片段就被释放出来变成独立的片段，而Fc片段中还连着两条重链的羧基端部分。

另一种蛋白酶，胃蛋白酶，虽然切的是抗体分子大致相同的区域，但它是在二硫键的羧基端那一侧切（看图3）。这样切出来的就是一个F(ab′)₂片段——抗体的两个抗原结合臂仍然连在一起。但这时候重链剩下的部分就被切成好几个小片段了。F(ab′)₂片段的抗原结合特性跟完整抗体是一样的，只是它不能再和效应分子相互作用。所以这个片段既可用于抗体治疗，也可用于研究Fc部分的功能。

现在基因工程也能制造很多不同的抗体相关分子。其中重要的一类是“截短版Fab”，就只包含重链的V区，通过一段人工设计的肽段连到轻链的V区——这叫“单链Fv”（scFv），名字里的Fv是指可变片段。Fv分子因为尺寸小，容易穿透组织，可能会成为有价值的治疗药物。比如，可以把Fv和毒素蛋白连在一起做成“免疫毒素”，用在肿瘤治疗里，尤其是当Fv能特异识别肿瘤抗原的时候。