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미생물이야기 면역에서의 항원과 항체에 대해 알아보자.
2013-08-08 12:32:18
이엠생명과학연구원

항원과 항체

 

I. 항원(Antigen)

항원은 보통 비경구적으로 동물에 주입했을 때 그 동물에 의해 항체 형성을 유발할 수 있는 어떤 분자구조로서 정의되어 왔다. 항원과 더불어 면역원(Immunogen)이란 용어를 동의어로 사용하기도 한다. 생성된 항체는 항체 형성을 유도하였던 항원과 특이적으로 결합할 수 있다. 항원에 반응하여 생성되는 항체는 면역글로불린 종류, 항원에 대한 친화성과 특이성이 각기 다르다.

 

(1) 항원의 조건과 특성

    분 분자량이 5,000이하인 항원성 물질들은 항체를 거의 생성하지 못하며 이런 물질들을 haptens이라고 한다. 그러나 haptens도 큰 분자와 결합되면 항원 특이성을 나타낼 수 있다. 분자량이 500,000이상인 복합 단백이나 폴리펩타이드-탄수화물 구조가 대표적인 hapten과의 결합물이다. 즉, 이러한 거대분자는 단독으로는 면역글로불린이나 lymphokine을 유도하는 기능이 없으나 대신에 각 분자내에는 spitopes로 알려진 제한된 크기의 특이 구역이 있으며 이 부위가 항원 결정 부위로 작용한다. 항원 분자당 항원 결정부위의 수는 항원의 결합가(Valence)로 표현된다. 그러므로 항원의 결합가는 분자량이 클수록 항원결정부위의 수가 크고 따라서 형성되는 항체도 다양해지며 양도 많아진다. 또한 외부 항원은 크기이외에도 항원성을 나타내기 위해서는 숙주와는 다른 화학구조를 가져야 한다. 즉, 항원의 화학구조가 다양할수록 항원성이 높아지게 된다. 이외에도 항원의 숙주내 투여방법(면역방법)에 의해서도 항체 형성 정도가 달라진다. 일반적으로 정맥내와 복강내 투여가 항체 형성에 가장 효과적인 경로이다. 피내 주사(Intradermal) 경로는 피하주사(Subcutaneous)나 근육내 경로보다 더 강한 자극을 준다. 다음은 항원을 특성에 따라 표현할 때 사용되는 용어이며 의미는 다음과 같다.

 

(2) 항원의 종류

    1) 자가 항원(Autologous antigen)

       자가항원은 어떤 환경하에 자신의 항원이 자가항체를 생성하는 Autoantigen을 의미한다.

 

    2) 이종 항원(Heterologous antigen)

       이종 항원은 단지 면역에 사용된 것과 다른 항원을 의미하며 면역에 사용된 항원의 화학적 구조의 유사성에 따라 면역 항체와 반응할 수도 있고 반응하지 않을 수도 있다.

 

    3) 동종 항원(Homologous antigen)

       동종항원은 항체 생성에 사용되는 항원을 의미한다.

      

    4) 이종친화성 항원(Heterophil(e) antigen)

       이종 항원의 일종으로서 유전적으로 연관 관계가 없는 동물과 식물등에 존재하는 항원으로서 항원의 성분과 구성이 동일하거나 매우 관련성이 높아 동일한 항체를 형성하거나 이 항원에 대한 항체들이 각각의 이종항원들에 대하여 교차반응을 일으킬 수 있다.

 

 

II. 항체(Antibody)

   항체는 항원성 자극에 반응하여 형성된 물질로서 항원과 반응하는 물질로 설명될 수 있다. Immunoglobulin (면역글로불린)은 항체로서 작용할 수 있는 다양한 분자 형태로 존재하므로 항체를 언급할 때, 면역글로불린이라는 용어를 주로 사용하고 있다. 사람의 면역글로불린의 구조에 따라 IgG (Immunoglobulin G), IgM, IgA, IgD와 IgE의 5개로 크게 나뉜다.

 

(1) 면역글로불린의 구조

    각 각각의 면역글로불린의 기본 구조 단위는 유사하며 2개의 ‘heavy'와 ’light' 펩티드 사슬로 되어있다. 기본 면역글로불린 분자에 대한 모델은 1950년대에 Porter는 면역글로불린의 기본 구조는 대칭적이며, 2개의 heavy chain과 2개의 light chain (사슬)이 disulfide 결합에 의해 연결된 4개의 펩티드 단위로 구성되어 있음을 제시하였으며(그림 1), Y자 모양을 나타낸다. 1959년에 Porter는 papain 효소로 IgG를 처리하면 분자가 3개의 조각으로 나눠진다는 것을 증명했다. 이들 조각 중 2개는 동일하며 응집이나 침전 반응을 유발하지는 않으나 항원에 특이적으로 결합하는 기능을 가지고 있음을 증명하였다. 이 2개의 면역글로불린 조각을 항원에 결합할 수 있는 부위인 Fab (Fragment capable of antigen binding)라 불리며, 각각은 1개의 light chain과 heavy chain의 절반으로 구성되어 있다. 나머지 한 개의 조각은 정제하면 결정화되는 특성이 있으므로 Fc (Fragment Crystalline)라 한다. Fc는 두 개의 heavy chain의 절반으로 구성되어 있으며(그림 2) 항원에 결합하는 기능은 없으나 보체 활성, 피부 부착과 태반 통과에 관여한다. IgG를 pepsin (펩신) 효소로 처리하면 papain으로 처리할 때와 틀린 형태의 조각으로 나눠져 2개의 light chain과 반쪽크기의 2개의 heavy chain로 이루어져 있는 2개의 항원결합부위를 가지고 있는 한개의 F(ab')2 조각과 많은 작은 조각들로 쪼개진다(그림 3). F(ab')2 조각은 항원과 결합할 수 있는 기능뿐만 아니라 응집이나 침전 반응을 유발할 수 있다. 즉, IgG의 Fc 부위는 항체의 태반 통과와 보체 고정 등과 같은 항체의 생물학적 활성을 조절하며, Fab 부위는 항원 결합에 관여한다. 다발성 골수종 환자의 면역글로불린의 연구에 의해 면역글로불린의 heavy chain과 light chain의 아미노산의 염기서열은 면역글로불린에 따라 동일한 아미노산 서열을 갖고 있는 constant region과 아미노산 서열이 다양한 variable region으로 구성되어 있음을 알게 되었다. Variable region은 항원결합부위 끝쪽의 110-120개의 아미노산 서열부위로 구성되어 있다. 즉, 항체의 variable region은 항원-항체결합의 특이성을 갖게 하며, constant region은 면역글로불린 종류에 따른 생물학적 특성의 차이를 나타내게 된다(그림 4). 또한 다발성 골수종 환자의 일부에서 발견되는 Bence-Jones 단백의 연구에 의해 light chain은 κ (kappa)와 λ (lambda)로 나눠짐을 알게 되었고, heavy chain은 면역글로불린 종류에 따라 특정한 형태를 가지고 있는 반면, light chain의 κ와 λ는 면역글로불린의 종류에 상관없이 둘 중에 하나만을 가지고 있는 특이성을 갖고 있다.

 
그림 1. 면역글로불린의 기본적인 구조


그림 2. Papain 처리시의 면역글로불린의 조각화


그림 3. Pepsin 처리시의 면역글로불린의 조각화


그림 4. 면역글로불린의 variable, constant 및 hinge regions

 

(2) 면역글로불린의 일반적 기능

    항체는 항원 분자에 반응하여 수백만개의 특이 항체가 생성되어 체액으로 분비된다. 기본적인 항체의 기능은 독성 물질을 중화하고 탐식 작용과 살균 작용을 촉진하며 세포 표면의 항원과 결합한 후 혈관외의 망상내피계내 또는 혈관내에서 보체의 도움으로 세포를 파괴하는 기능을 한다.  

 

(3) 면역글로불린 영역(Domain)

    면역글로불린의 heavy chain과 light chain의 4개의 사슬은 disulfide 공유결합과 비공유 결합으로 구성되어 있다. 공유결합은 주로 hinge region에 위치한다(그림). Disulfide bridges사이에는 cysteine이 존재하며, 면역글로불린의 종류에 따라 cystine의 수와 위치가 다르다. heavy chain과 light chain 각각에 존재하는 disulfide bridges는 펩티드 사슬이 고리형태를 만들어 구형으로 접혀짐으로써 이 부위에서 항체 활성, 항원 결합, 단핵구 표면과의 부착 등의 여러 가지 기능을 할 수 있게 된다. 항체의 heavy chain과 light chain의 variable region은 특이항원과의 결합부위이다. IgG의 heavy chain의 두 번째 부위인 CH2 영역은 IgG가 C1q와 결합하여 보체활성의 전형적 경로(Class pathway)를 시작하게 하는 부위이고 CH3 영역은 단핵구 표면에 부착하는 부위이다(그림 5).

 
그림 5. 면역글로불린의 영역(Domains)
 

(4) 면역글로불린 종류

       면역글로불린의 종류에 따른 대략적인 특징은 표와 같다.

표. 면역글로불린의 생물학적 특성

특 성

IgG

IgD

IgM

IgE

IgA

Heavy chain 종류

γ

δ

μ

ε

α

Light chain 종류

κ 또는λ

κ 또는λ

κ 또는λ

κ 또는λ

κ 또는λ

상대적 도수

γ2κ2 또는
γ2λ2

δ2κ2 또는
δ2λ2

(μ2κ2)5 또는
(μ2λ2)5

ξ2κ2 또는 ξ2λ2

(α2κ2)2 또는  (α2λ2)2

분자량

150,000

180,000

900,000

190,000

160,000

침강계수

7

7

19

8

7

탄수화물 %

3

13

11.8

10.7

7.5

혈청 농도(mg/dL)

1275±280

3

125±45

117-450

225±55

혈관내 %

44

?

70

?

40

생성(㎎/㎏/day)

28

0.4

5-8

?

8-10

보체 고정

+

-

++

-

-

태반 통과

+

-

-

-

-

초유내 존재

+

 

-

 

+

이화작용률(%/day)

4-7

 

14-25

 

13-34

반감기(day)

7-23

2-8

5

1-5

5-6

Reagin 활성도

±

-

-

++

-

 

   1) IgG

     IgG는 전체 면역글로불린의 대부분인 80-85%를 차지한다. IgG는 혈청전기영동시의 위치로 γ2-globulin이라 알려졌으며 초원심분리에서 침강계수(svedberg 계수)가 7S이므로 7Sγ-globulin이라고도 한다. IgG 분자는 140 의 넓이와 85  길이를 갖고 있다. 면역글로불린의 혈청내 농도는 연령에 따라 차이가 있다. 신생아 혈청의 IgG는 대부분이 태반 통과에 의한 모체의 항체이다. 일반적으로 IgG의 양은 출생 후 3-6주 사이에 증가하기 시작하며, 2개월 때에는 2 g/L가 된다. 세균 항체, 바이러스 중화 항체, 침전 항체, 혈구 응집소와 용혈소의 대부분은 IgG이다. IgG 분자의 기본 구조는 2개의 heavy chain과 2개의 κ나 λ중 하나인 light chain으로 구성된 단량체(Monomer)이다. IgG는 항원과 결합하기 위하여 hinge region의 변화로 형태가 변형될 수 있다. 사람의 IgG는 IgG1부터 IgG4까지 4가지 아형이 있다. 성인에서는 IgG1과 IgG2가 대부분을 차지하며 IgG3와 IgG4는 매우 적다. 반감기는 2-3주이며 예외적으로 IgG3는 1주일로 짧다. IgG의 disulfide bond의 수와 위치는 IgG 아형에 따라 IgG1과 IgG4는 2개, IgG2 4개, IgG3는 11개가 있다. IgG 아형은 γ chain의 다형성 항원 결정부위에 대한 항혈청으로 구분할 수 있다. IgG 아형들은  탐식구 결합과 보체 활성도에서도 차이가 있다.

 

표. IgG 아형의 특징

특징

IgG1

IgG2

IgG3

IgG4

혈청내 농도(성인)

1.8-7.8

1.0-4.6

0.3-1.4

0.08-1.8

IgG중 상대적 비율(%)

65

25

6

4

반감기(일)

14-23

14-23

7-8

14-23

보체 활성도

+++

+

+++

-

Dextran과의 반응

있음

있음

있음

없음

Staphylococcal Ag

있음

있음

없음

있음

탐식세포 결합력

있음

없음

있음

없음

알러지와의 연관성

없음

없음

없음

있음

 

   (2) IgM

    IgM 분자는 5개의 면역글로불린의 기본구조가 원형 배열로 구성되어 있으므로 10개의 heavy chain과 light chain을 갖고 있다. IgM의 heavy chain과 light chain은 IgG와 같이 disulfide 결합으로 연결되며, 각 면역글로불린의 Fc 부위는 disulfide 결합이 추가되어 원형의 배열을 하게 되고, 이 부위는 2-mercaptoethanol, dithiothreitol과 같은 환원제에 의해 끊어질 수 있다. IgM의 heavy chain은 mu(μ) chain이며, light chain은 IgG와 같이 kappa 또는 lambda chain이다. IgM에는 면역글로불린의 기본구조단위들을 연결시키는 J (joining) chain이 있다. J chain은 IgA에서도 발견된다. J chain은 약 16,000의 분자량을 가지며 약 20% 탄수화물을 포함한다. IgM 분자 또한 hinge region이 매우 유연하여 다양한 형태로 바뀔 수 있다. IgM 분자의 전체 직경은 약 300?로서 가지(팔)는 25-30? 넓이와 100? 길이로서 분자량은 약 900,000이다.

    IgM은 감염원에 반응하여 초기에 생성되는 항체로서 B 임파구의 성숙과정 중 최초로 나타나 세포가 노화될 때까지 남는 항체이다. IgM은 전체 면역글로불린에서 5-10%를 차지하고 성인의 혈청내 농도는 약 1 g/L내외이다. IgM의 약 80%는 혈관내에 존재하며, 전체 IgM의 15-18%는 매일 대사된다. 동일 항원에 의해 반복하여 노출될 경우에 IgM 생성은 증가되지 않으며 이 때는 IgG가 증가된다. IgM은 trypsin (트립신)에 의해 분자량 114,000인 F(ab')₂와 분자량 47,000인 Fab으로 잘라진다. IgM 생성은 그람 음성균 감염시에 대부분 생성되며, Wassermann 항체, 이형 항체, 류마티스 인자, 한랭응집소와 동종 혈구응집소도 IgM의 일종이다. IgM은 사람 태반을 통과하지 못하므로 제대혈청의 IgM은 태아에서 유래된 것이고 그 농도는 성인의 5-10% 사이이다. 출생후 2-3일 내에 IgM 농도가 증가하기 시작하여 2-3개월째에 성인 수치의 50%에 이르고 9개월째에는 성인의 참고치와 동일해 진다. IgM의 아형은 mu chain의 차이에 따라 IgM1과 IgM2의 2종류가 있다. IgM의 분비형은 체액에서 분비형의 IgA와 같은 분포를 보인다.

 

   (3) IgA

     혈혈청내 IgA는 침강계수가 7인 분자가 대부분이며 일부는 10, 13, 15, 17, 18의 침강계수를 가진 분자들이다. 즉, IgA는 분자구조가 monomer에서 pentamer까지 다양하게 존재함을 의미한다. IgA는 혈액내 존재하는 serum IgA와 각종 체액과 조직에서 존재하는 분비형 IgA로 구분된다. 혈청에서의 IgA는 침강계수가 7S인 분자가 우세하게 존재하며 전체 면역글로분린의 5-15%를 차지한다. IgA의 반감기는 약 6일이며 하루에 생성되는 양은 kg당 약 2 mg정도이다. 사람의 IgA는 IgA1과 IgA2의 아형이 존재하며, IgA1가 80-90%를 차지한다. IgA2는 heavy chain과 light chain을 연결하는 disulfide bond가 없으며 비공유결합에 의해 결합되어 있는 특징을 가지고 있다. 그러므로 IgA2는 명확한 구조적 차이에 의해 IgA1과 항원성에 차이가 난다. 혈청 IgA를 papain과 pepsin으로 처리하면 Fab 또는 F(ab‘)2 조각으로 나눠지지만 IgA의 분자가 papain이나 pepsin에 의해 조각화가 잘되므로 Fc와 Fc'의 분리가 어렵다. 일부 세균의 단백분해효소는 IgA1만을 쪼갠다. IgA는 제대혈청에서 검출할 수 없으며 생후 2개월에 되면 혈청내 양은 성인수치의 약 20%에 이른다.

    각종 체액(활액, 척수액, 수액, 안구액 등)내의 IgA 농도는 IgG의 1/6정도이지만 분비액(초유, 호흡기 점액, 장점액, 침 등)에서는 IgG나 IgM보다 훨씬 높은 농도로 존재한다. 분비액내의 IgA는 미생물 침입에 대한 첫번째 방어선으로 작용하며 위장 감염을 막는데 중요한 역할을 한다. IgA는 IgG나 IgM과는 달리 호흡기 점막, 장점막 및 분비선에 존재하는 plasma cell에서 일차적으로 합성된 후 일부 IgA는 혈액으로 들어가며 대부분은 상피세포내 또는 그 사이에 존재한다. 상피세포사이에 존재하는 IgA를 분비형 IgA (secretory IgA, SIgA)라 하며 SIgA는 2개의 기본 구조 단위와 당단백 분비요소로 구성되어 있으며, 각 면역글로불린의 heavy chain은 disulfide 결합이므로 효소에 저항성을 갖는다. 또한 J chain은 SIgA와 혈청 IgA의 다량체 형태에서 관찰된다(그림). IgA는 보체를 고정하지 않으며 태반을 통과하지 못한다.

 

   (4) IgE

    천식이나 건초열 환자와 같은 알레르기 환자의 혈액내에 존재하는 항체를 reagin이라 하였고, 1921년 Prausnitz와 Kustner에 의해 다음과 같은 특징이 보고되었다. 즉, ① 알레르겐(Allergen)이나 항원에 대하여 특이성이 있는 항체이다. ② 태반을 통과하지 않는다. ③ 내열성(Heat-stable) 항체의 혈청학적 특성인 침강반응, 응집반응, 보체고정 등을 대개 일으키지 않는 이열(Heat-labile, 易熱) 항체이다. ④ 정상인에 수동적으로 주입되면 피부에 몇 일에서 몇 주 동안 고정되어있다. 이러한 항체는 방사면역확산 실험을 포함한 다양한 연구에 의해 새로운 면역글로불린임이 밝혀졌으며, 두드러기쑥(Ragweed) E 항원의 이름을 따서 IgE로 명명되었다. IgE는 일반적 의미로 reagin을 의미하며 항원 특이성은 다른 면역글로불린과 같은 방식으로 표시한다. IgE는 정상인에서는 미량으로 존재하고 알레르기 환자의 IgE는 실험에 사용될 수 없기 때문에 IgE의 세부적인 생화학 연구가 답보상태에 있었으나, 스웨덴의 IgE 다발성 골수종 환자가 발견됨으로써 IgE에 대한 많은 자료가 축적되었다.

    IgE는 분자량이 190,000이고 침강계수는 8이며 11.7% 용량의 탄수화물을 가지고 있고 정상 성인의 혈청내 농도는 0.1-1.0 mg/dL이다. IgE는 전체 면역글로불린의 1%를 차지하며  2-5일 정도의 반감기를 가진다. IgE의 heavy chain은 아형(subclass)이 없으며 4개의 constant domain으로 구성되어 있다. IgE를 papain 처리하면 2개의 Fab와 1개의 Fc 조각을 포함하는 몇 개의 파편으로 조각나며, light chain은 lambda C (Fc")와 7S20,w 조각이 생성된다.

    IgE는 알레르기와 기생충 질환에서 주로 증가되며 IgE에 의해 과민반응은 치명적인 anaphylaxis부터 증상이 경미한 음식 알레르기까지 다양하게 나타난다. IgE에 의한 과민반응은 체내에 침입한 항원이나 allergen에 특이적인 IgE 항체가 있을 때 발생한다. 즉, IgE는 비만세포(mast cell)나 호염기구 세포표면의 IgE Fc ε 수용체와 결합하는 특성이 있으므로 IgE가 결합된 세포가 항원과 반응하게 되면 세포내의 혈관수축 물질들(Vasoactive amines)이 분비되어 임상증상을 나타내게 된다.

 

   (5) IgD

    IgD는 1965년에 IgD로 밝혀진 골수종 단백의 발견으로 새로운 면역글로불린임이 밝혀졌다. IgD도 2개의 heavy chain과 2개의 light chain으로 구성된다. IgD의 κ와 λ light chain의 구조나 항원성은 다른 면역글로불린과 동일하지만, heavy chain (δ)은 다른 면역글로불린과 차이가 있다. IgD heavy chain의 분자량은 70,000으로서 IgG보다 약 12,000정도가 많은데 이는 IgE δ chain의 4번째 CH 부위나 hinge region의 확장 때문으로 생각된다. IgE를 papain 처리하면 2개의 Fab와 1개의 Fc 조각이 나타나지만 Fc 조각은 급속히 분해되기 때문에 원형의 Fc를 얻기가 어렵다. IgD는 12%의 다당류를 포함하고 있으며 모두 heavy chain에 붙어있다. IgD의 다당류는 3개로 나뉘어져 한 개는 hinge region에 붙어 있고 두 개는 Fc 영역에 위치한다. IgD의 1일 합성량은 IgG의 100분의 1정도로서 kg당 0.4 mg정도이며 2-3일의 반감기를 가진다. IgD는 열과 산성에 약하다. IgD를 1시간 동안 56℃에 보관하면 혈청 양은 절반까지 감소하고 4시간 후에는 10%로 급격히 감소한다. pH 3에서 IgD가 변성된다. .IgD는 응집 속도가 빠르며 생물학적 활성과 구조가 쉽게 변화된다. IgD의 기능에 대해서는 알려진 바가 매우 적으나 막수용체로서 작용하며 B세포 분화과정의 초기에 합성된다.




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