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Gli anticorpi : un esercito che ci difende dagli invasori

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di Sergio Barocci

LE PRIME SCOPERTE SUGLI ANTICORPI

La maggior parte delle interazioni biochimiche, come il legame di un ormone al suo recettore o l’adesione di un virus alla cellula ospite, sono il risultato di periodi di tempo evolutivo molto lunghi, che hanno perfezionato gli aspetti chimici di queste interazioni di modo che ogni molecola si debba unire con la sua controparte in modo predeterminato e preciso.  Il sistema immunitario, per contro non può sapere in anticipo con quale molecola estranea dovrà confrontarsi ad ogni istante successivo.  Uno degli elementi cruciali che aiutano il nostro sistema immunitario ad affrontare questa sfida, è l’anticorpo, una glicoproteina scoperta nel 1890 da E. von Behring e S. Kitasato.

Figura 1. Schema di un anticorpo mentre si lega al suo antigene

Figura 1. Schema di un anticorpo mentre si lega al suo antigene

Ogni tipo di anticorpo agisce solo su una molecola bersaglio specifica, l’antigene, di conseguenza gli anticorpi che attaccano ad esempio i bacilli del carbonchio non hanno alcun effetto contro quelli che causano il tipo.  Per alcuni decenni i biologi pensarono che l’antigene funzionasse da stampo intorno a cui l’anticorpo si plasmava per assumere una forma complementare . Questa teoria esposta negli anni ’30 del XX sec. e poi sostenuta da L. Pauling , dominò la scena dell’immunologia sino al 1960.  A metà degli anni ’60 il modello dello stampo divenne insostenibile.  Le ricerche sugli enzimi indicarono che la struttura di una proteina dipende solo dalla particolare sequenza dei suoi aminoacidi.  Oltre a ciò, grazie alla scoperta della struttura del DNA, si ritenne che le proteine antigeniche non potevano definire nuove proteine anticorpali ma che l’informazione per le strutture anticorpali doveva essere codificata nei geni.  Tali scoperte sollevarono una serie di quesiti. Se sono i geni a regolare la sintesi degli anticorpi come possono essre ci geni specifici per ognuno delle migliaia di milioni di anticorpi che l’organismo è in grado di fabbricare?  Nel 1955 un certo N. K. Jerne avanzò l’ipotesi che la risposta immunitaria era basata su un processo di selezione anziché di istruzione.  Ciò significava che i mammiferi possedevano la capacità naturale di sintetizzare migliaia di milioni di anticorpi diversi e che l’arrivo di un antigene accelerava solo la formazione dell’anticorpo che gli si adatta meglio.  Nel 1959 F. Burnet ipotizzò la teoria della selezione clonale secondo la quale gli anticorpi si trovano sulla superficie dei linfociti e che ogni linfocita trasporta un solo tipo di anticorpo.  Quando una molecola estranea o antigene entra nel nostro organismo prima o poi incontra un linfocita con un recettore complementare e lo stimola chimicamente a dividersi e a produrre una grande quantità di anticorpo specifico.

LA STRUTTURA CHIMICA DEGLI ANTICORPI

Poco tempo furono R. P. Porter e G. M. Edelman a scoprire la struttura degli anticorpi per la quale ricevettero il premio Nobel per la medicina nel 1972, Entrambi portarono alla scoperta che l’immunoglobulina, o anticorpo, è costituita da due catene polipeptidiche leggere e da due pesanti, composte di regioni costanti (C) e di regioni variabili (V).  La catena pesante e quella leggera avvolte insieme formano il sito attivo in grado di riconoscere un antigene in quanto ogni molecola di anticorpo ha due siti di riconoscimento identici.  Sapere che due catene contribuiscono a formare il sito di legame con l’antigene aiuta a comprendere la grande diversità degli anticorpi in quanto sono possibili molte combinazioni.  Successivamente S. Tonegawa (Premio Nobel per la Medicina 1987) portò alla descrizione definitiva di come il sistema immunitario è in grado di produrre tanti tipi diversi di anticorpi.  Malgrado la loro enorme versatilità, gli anticorpi da soli non possono fornire una protezione completa delle infezioni.  Nel caso della tubercolosi, i bacilli penetrano nelle cellule ospiti così velocemente da riuscire ad eludere gli anticorpi.  In questa caso entra in gioco un altro tipo di immunità cioè l’immunità mediata dalle cellule ( in quanto le cellule infiammate vengono attaccate dai linfociti che confinano l’infezione) in contrasto con l’immunità umorale mediata dagli anticorpi.

Biografia di Rodney Robert Porter
R. R. Porter (Figura 2) nacque a Newton-le-Willows vicino a Liverpool nel Lancashire in Inghilterra, il giorno 8 ottobre del 1917 da Joseph L. Porter , impiegato delle ferrovie e da sua moglie Isabel.  Conseguì la laurea in Biochimica presso l’Università di Liverpool nel 1939. Durante la seconda guerra mondiale (1939 – 1945) fece servizio nella Royal Artillery e nella Royal Army Service Corps con il grado di Maggiore partecipando all’’invasione della Sicilia in Italia e rimanendo successivamente con le forze del Mediterraneo centrale in Italia, Austria, Grecia e Creta sino al gennaio del 1946.

Fig. 2 - Rodney Robert Porter

Fig. 2 – Rodney Robert Porter

Nel 1948 dopo la guerra si guadagnò un dottorato di ricerca indagando sulla chimica delle proteine presso l’Università di Cambridge sotto la supervisione del Dr. Frederick Sanger premio Nobel per la Chimica nel 1958 per il suo lavoro sulla struttura delle proteine e in particolare su quella dell’insulina e ancora premio Nobel nel 1980 insieme a Paul Berg e Walter Gilbert per lo studio sulla biochimica degli acidi nucleici.
Nel 1948 Porter, durante il suo post- dottorato di un anno a Cambridge, iniziò lo studio della struttura delle immunoglobuline anticorpali perfezionandosi sui metodi cromatografici di frazionamento proteico in collaborazione con il Dr. A.J.P. Martin.  Dal 1949 al 1960 continuò questo studio facendo parte dello staff scientifico del National Institute of Medical Research di Mill Hill (Londra) dove, trattando con l’enzima papaina le immunoglobuline anticorpali, riuscì a ottenerne (1958-59) la suddivisione enzimatica in tre frammenti, dotati di caratteristiche fisico-chimiche e di proprietà biologiche ben definite. Infatti, scoprì che le immunoglobuline avevano tutte una costituzione principale comune in cui si discerneva una porzione immutabile e una mutabile.  Quest’ultima determinava l’alta specificità di queste proteine anticorpali.  Sulla scia di queste acquisizioni fu possibile in seguito accumulare altre conoscenze sulla struttura degli anticorpi e sui fenomeni immunologici derivati.  Porter continuò questo lavoro trasferendosi poi al St. Mary’s Hospital Medical School—Università di Londra presso la Cattedra di immunologia dove vi rimase sino al 1967 diventando professore di Immunologia. Fu sempre in questa sede che nel 1962 propose la struttura degli anticorpi.
dipartimento biochimica università di OxfordNel 1967 , venne nominato capo del dipartimento di Biochimica dell’Università di Oxford, dove lavorò fino alla sua morte avvenuta il 7 settembre 1985 indirizzando per tutto quel periodo le sue ricerche sul ruolo svolto dalle diverse cellule ematiche nel meccanismo di produzione anticorpale e sulla struttura dei primi componenti del sistema complementare.
Tra i principali riconoscimenti ottenuti da Porter oltre al premio Nobel nel 1972 sono da manzionare quelli di Fellow della Royal Society nel 1964, di Gairdner Foundation Award of Merit nel 1966, di Ciba Medal (Biochemical Society) nel 1967 , di Karl Landsteiner Memorial Award dalla American Association of Blood Banks nel 1968 e di Membro Straniero della National Academy of Sciences, U.S.A. nel 1972.
La sua attività di ricerca fu essenzialmente rivolta allo studio della struttura molecolare degli anticorpi e per i risultati conseguiti gli fu infatti conferito nel 1972 il premio Nobel per la fisiologia e la medicina, insieme con G. M. Edelmann, le cui ricerche furono complementari alle sue.
Edelman , lavorò in modo indipendente con diversi metodi biochimici su tutta la molecola per digerire enzimaticamente la molecola immunoglobulinica, concludendo che tale molecola doveva essere costituita da catene multiple aminoacidiche e non da una singola catena mentre Porter e il suo team invece determinarono il classico modello dell’anticorpo a forma di Y, a quattro catene unite da ponti disolfuro , studiando separatamente le catene della molecola anticorpale Porter pubblicò i suoi risultati nel 1959 e nel 1960 li confrontò con quelli ottenuti da Edelman per determinare l’esatto ordine dei 1320 aminoacidi che costituivano la molecola anticorpale. Nel 1969 venne quindi definito il modello strutturale completo, oggi universalmente accettato.

Fig. 3 - Gerald Maurice Edelman (New York, 1 luglio 1929).

Fig. 3 – Gerald Maurice Edelman (New York, 1 luglio 1929).

Biografia di Gerald Maurice Edelman
G. M. Edelman (Figura 3) è un biologo statunitense, premio Nobel per la medicina nel 1972, insieme a Rodney Porter, per i suoi lavori sul sistema immunitario.  In aggiunta ai suoi studi sulla struttura degli anticorpi, i suoi interessi di ricerca includono l’applicazione della spettroscopia di fluorescenza e sonde fluorescenti per lo studio delle proteine e lo sviluppo di nuovi metodi di frazionamento di entrambe le molecole e delle cellule.  I suoi attuali interessi di ricerca comprendono gli studi delle strutture primarie e tridimensionali delle proteine, gli esperimenti sulla struttura e la funzione dei mitogeni vegetali e studi sulla superficie cellulare.

LE FUNZIONI E LE CLASSI ANTICORPALI O IMMUNOGLUBULINICHE

Le immunoglobuline o Ig nella loro forma monomerica sono delle molecole costituite da due coppie di catene identiche : pesanti (H) P.M. di 50.KD con 330 o 440 residui aminoacidici e leggere (L) di P.M. 20 KD con 220 residui aminoacidici legate tra loro in maniere covalente da ponti disolfuro (-S-S-) intercatenari e da interazioni non covalenti, generando la classica forma a Y dell’immunoglobulina (Figura 1).  La loro funzione è quella di legare specificamente le molecole antigeniche e di conseguenza determinare l’inattivazione e/o l’eliminazione dall’organismo di tossine, microrganismi e parassiti.

Fig. 4 - Struttura delle immunoglobuline

Fig. 4 – Struttura delle immunoglobuline

Ciascuna catena è costituita da una parte costante (CH e CL) ed una variabile (VH e VL).  Nelle regioni V, equivalenti al sito di legame per l’Ag la sequenza di Aa varia nei diversi anticorpi.  Le catene sono ripiegate tridimensionalmente in loops o domains (domini globulari) (Figura 4) , determinati da legami S-S intracatena: le catene leggere hanno una sola VL ed una CL.  Le pesanti hanno invece VH, CH1, CH2, CH3  .L’omologia è maggiore (60%) nell’ambito della stessa classe di Ig di diverse specie e ancora maggiore (60%-90%) tra le diverse sottoclassi nell’ambito di una classe. Enzimi proteolitici come la papaina scindono la molecola Ig in tre frammenti (Figura 5).  Due di questi designati Fab ( fragment antigen-binding) contengono le regioni V  e mantengono la capacità di legare specificamente l’Ag.  Il 3° frammento designato Fc (frammento cristallizzabile) comprende parte delle regioni C e mantiene le funzioni di fissare la componente C1q del Complemento e di legarsi ai recettori per Fc presenti su diversi tipi leucocitari.  Il trattamento con pepsina determina invece la formazione di una molecola costituita da entrambi i frammenti Fab designata F(ab’)2 mentre la restante parte della molecola Ig viene completamente degradata.  Ciascuno dei domini delle Ig consta di circa 100 aminoacidi. Nelle catene L ci sono due domini VL e Vc mentre nelle catene H i domini sono 4 o 5 (VH,CH1,CH2,CH3,CH4).  L’insieme di VH e di CH1 è anche chiamato segmento Fd.

Tra il segmento Fd e il frammento Fc è situata la cosiddetta cerniera o hinge della molecola Ig al cui livello avviene l’attacco dei ponti disolfuro intercatenari che tengono unite insieme le catene.  Le Ig posseggono anche una componente carboidratica rappresentata da residui oligosaccaridici che possono essere diversi per numero e punto di attacco alla proteina.  Questi carboidrati svolgono probabilmente un ruolo importante nel trasporto e nella secrezione delle Ig.  Come dimostrato da studi di cristallografia ai raggi X , la molecola di Ig ha una configurazione tridimensionale ed è costituita da regioni globulari compatte.

Fig. 5 - Digestione enzimatica dI immunoglobulina con papaina

Fig. 5 – Digestione enzimatica dI immunoglobulina con papaina

Sebbene tutte le Ig posseggano la stessa strutturamolecolare, esse sono non di meno estremamente eterogenee (massa molecolare, mobilità elettroforetica) costante di sedimentazione 7S e 19S (picchi minori 11S e 13S) estensione elettroforetica dalla regione α-2 sino all’ estremo catodico. Infatti essendo molecole complesse quando inoculate in un’altra specie si comportano come antigeni. Tale proprietà ha permesso di identificare nelle molecole Ig tre diversi ordini di specificità o tre livelli di eterogeneità : isotipica, allotipica e idiotipica.
Gli isotipi definiscono i determinanti delle regioni C che distinguono tra loro i prodotti di ciascuno dei geni delle regioni C delle catene H (Figura 6)(Tabella 1). .
Gli allotipi definiscono determinanti codificati da un allele di un determinato gene delle Ig. Mentre gli isotipi sono presenti in tutti i membri di una stessa specie , gli allotipi si ritrovano solo nelle Ig di alcuni individui di una determinata specie.
Gli idiotipi sono invece determinanti localizzati nella regione V della molecola Ig . Essi definiscono la unicità di un determinato anticorpo cioè la sua specificità per un determinato Antigene.

 

ETEROGENEITA’ ALLOTIPICA

Il termine ”allotipo” indica varianti strutturali delle Ig riscontrate tra individui della stessa specie e trasmesse ereditariamente come caratteri mendeliani semplici. Un individuo omozigote per la variante a (genotipo aa), venendo in contatto con molecole immunoglobuliniche di un individuo omozigote o eterozigote per la variante A (genotipo AA o Aa), produrrà anticorpi diretti contro determinanti antigenici presenti su A e assenti su a (determinanti allotipici). Nell`uomo tali anticorpi si riscontrano in pazienti politrasfusi pazienti con patologia autoimmune (artrite reumatoide) e in individui normali (risposta al passaggio transplacentare di IgG materne incompatibili per le specificità allotipiche con quelle del neonato)


ETEROGENEITA’ IDIOTIPICA

Capacità che hanno gli anticorpi di reagire con i diversi determinanti antigenici a seguito delle delle differenze nella struttura delle cosiddette “regioni ipervariabili”(determinanti idiotipici) Sostituzioni aminoacidiche, riconducibili a mutazioni di una singola o di più basi, e più raramente in inserzioni o delezioni

 

Fig. 6 - Varianti isotipiche delle catene H

Fig. 6 – Varianti isotipiche delle catene H

ETEROGENEITA’ ISOTIPICA

Catene leggere (L)
Ci sono due tipi di catene L, designate come  e  di P.M.pari a 23 KD costituite da un singolo polipeptide di circa 214 aminoacidi. In ogni molecola di Ig le catene L sono entrambe di tipo  o di tipo  mai una di tipo  e una di tipo . Degli aminoacidi costituenti la catena L i primi 110 sono molto variabili da molecola a molecola (dominio VL) mentre gli altri 110 sono identici nell’ambito di una stessa specie tra le diverse Ig ( dominio VC). La percentuale di catene L  o  varia nelle diverse specie : nell’uomo il rapporto  :  è circa 5:2 o 7:3.

Catene pesanti (H)
Ci sono 5 diversi tipi di catene H ( con peso mediamente pari a 55 KD): , , , , . Esse permettono di definire le cinque diverse classi di Ig (IgG, IgA, IgM, IgD, IgE). Inoltre nell’ambito delle IgG esistono 4 sottotipi di catena  (1, 2, 3, 4 ) e due nell’ambito delle IgA (1, 2). Le catene H hanno un P.M. nelle diverse classi in rapporto al diverso numero di domini C e del diverso grado di glicosilazione.

IgG
Sono le Ig presenti nel siero in maggiore quantità (75%) Le due catene H sono costituite da 4 domini (VH,CH1,CH2,CH3).  Ci Sono 4 sottoclassi di IgG nel siero umano designate in base alla loro concentrazione decrescente IgG1,IgG2,IgG3,IgG4. Struttura primaria (γ1, γ2, γ3 γ4) con ampi tratti di omologia ma con differenze tra sottoclassi che incidono sull`emivita, fissazione del complemento, interazione con i recettori Fc delle membrane di monociti e linfociti. Sono le uniche Ig che nella specie umana passano dalla madre al feto attraverso la placenta (difesa passiva nei primi mesi di vita) attivamente (riconoscimento specifico della regione Fc da parte delle cellule del trofoblasto).

IgA
Svolgono un ruolo di difesa soprattutto a livello delle Mucose.  Concentrazione relativamente bassa nel siero (IgA), prevalente invece nelle secrezioni (sIgA), (saliva, latte, secrezioni intestinali e bronchiali). Infatti, costituiscono il 10-15% delle Ig sieriche ma rappresentano invece la classe predominante nelle secrezioni (saliva, lacrime, secrezione nasale, succo gastroenterico, secrezioni ghiandolari). In questi sedi le IgA (IgA secretorie) sono presenti in forma polimerica consistendo di due monomeri, una molecola di congiunzione detta catena J e una glicoproteina chiamata frammento secretorio o FS. La catena J è un polipeptide di 15 KD utilizzata anche per la formazione dei polimeri delle IgM.  Il frammento FS è un insieme di polipetidi sintetizzati dalle cellule epiteliali delle mucose che funzionano da recettori per il complesso (IgA)2-J. Il complesso IgA secretoria FC- (IgA)2-J che si forma al polo vascolare della cellula epiteliale viene internalizzato per endocitosi , attraversa il citoplasma e viene liberato sulla superficie del lume esterno mediante scissione proteolitica del FS. Esistono due sottoclassi di IgA : le IgA1 più rappresentate nel siero e le IgA2 più abbondanti nelle secrezioni.

Linfocita B: immagine al microscopio ed immunoglobuline di membrana

Linfocita B: immagine al microscopio ed immunoglobuline di membrana

IgM
La risposta primaria alla somministrazione di un antigene è sempre IgM. Sono presenti sulla membrana dei linfociti B; insieme alle IgD costituiscono le cosiddette Ig di membrana responsabili del primo riconoscimento dell`antigene.  Mentre le IgM di membrana sono monomeriche , le IgM secrete nel siero sono dei pentameri costituiti da cinque sub unità monomeriche , ciascuna comprendente due catene μ e due L; l`unione delle subunità avviene mediante S-S con l`intermezzo della catena J. Il loro P.M. è di 950 KD, arrangiati radialmente con l’FC diretto al centro e i Fab verso l’esterno. Come per le IgA , la polimerizzazione è mediata dalla catena J.

IgD
E` soprattutto una Ig di membrana; ha bassa concentrazione sierica e un P.M. 180.000 – 6,5S. Estrema suscettibilità alla plasmina e ad altri enzimi proteolitici La sua presenza sulla membrana della maggior parte dei infociti B, unitamente alle IgM, è prova di un suo ruolo di regolazione sulle prime fasi dell`immunità umorale

IgE
Sono scarsamente rappresentate nel siero ma sono avidamente legate attraverso il loro frammento Fc da vari tipi cellulari in particolare mastociti e basofili. Livelli sierici aumentati in corso di fenomeni di ipersensibilità o di parassitosi.
Le principali funzioni effettrici delle Ig sono localizzate nei domini C delle catene H (regione Fc).  In particolare il dominio CH2 delle IgG1,IgG2 e IgG3 è responsabile dell’attacco 8dopo la formazione del complesso con l’Antigene) e della fissazione del C1q e quindi dell’attivazione della cascata complementare. Anche la funzione opsonizzante delle IgG e la loro capacità di mediare la regione Fc che può interreagire con i recettori presenti sulla membrana di diversi tipi cellulari.   Recettori per le IgG sono anche presenti sulla placenta e facilitano il passaggio transplacentare di questa classe di anticorpi.  Funzioni peculiari sono anche riconoscibili a livello delle sottoclassi delle IgG. Le IgG1 e le IgG3 infatti vengono prevalentemente prodotte in risposta agli antigeni proteici, mentre la risposta verso antigeni polisaccaridi è prevalentemente di tipo IgG2.  Le IgM hanno anch’esse una notevole capacità di legare C1q.  Una singola molecola pentamerica può fissare C1q a livello del dominio CH4 e attivare così la cascata complementare.  Inoltre, le IgM svolgono un ruolo importante insieme alle IgA nell’immunità a livello delle mucose.  Le IgA, in particolate le IgA2, sono le Ig fondamentali per la difesa a livello delle mucose. Non sembra esistere una particolare funzione delle IgD sieriche, che rappresenterebbero esclusivamente dello shedding (distacco dalle membrane) delle IgD di membrana presenti sulle cellule B. Per quanto riguarda le IgE , al di là del loro ruolo patogenetico nelle malattie allergiche, svolgono probabilmente una funzione effettrice nella difesa contro i parassiti da parte dei mastociti, degli eosinofili, dei macrofagi e delle piastrine.

struttura e funzioni di immunoglobuline ed anticorpi

struttura e funzioni di immunoglobuline ed anticorpi


Bibliografia essenziale

Raju TN. The Nobel chronicles. 1972: Gerald M Edelman (b 1929) and Rodney R Porter (1917-85). Lancet. 1999 Sep 18;354(9183):1040.
Porter RR. Lecture for the Nobel Prize for Physiology or Medicine 1972: Structural studies of immunoglobulins. 1972. Scand J Immunol. 1991 Oct;34(4):381-9.

3 risposte a Gli anticorpi : un esercito che ci difende dagli invasori

  • Paolo Garau scrive:

    Articolo ben fatto, chiaro e semplice, farei un appunto per quello che riguarda le IgA: queste sono coinvolte nelľ immunitá neonatale per mezzo del trasferimento appunto di IgA dalla madre al bambino tramite il latte materno.

  • CS scrive:

    nello schema riassuntivo struttura e funzione delle Ig c’è un errore: sono le IgE coinvolte nelle risposte allergiche e non le IgD. La descrizione relativa alle IgE si riferisce alle IgD e viceversa. Grazie

    • Sergio Barocci scrive:

      E’ una giusta osservazione ma se si legge il testo, si può notare che nella tabella dove è stata notata l’imperfezione, è stato commesso solamente un errore di trascrizione tra IgD e IgE.

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