Hem vist que la formació de ponts disulfur és rellevant en l’estabilització i configuració de moltes molècules i especialment en la configuració de les proteïnes. En aquest capítol valorarem la implicació del sofre formant part de l’aminoàcid cisteïna que el conté i dels ponts disulfur en la formació dels anticossos, de les immunoglobulines. Els anticossos són les principals molècules defensives dels organismes.
Els anticossos
Les immunoglobulines són glicoproteïnes fonamentals en la defensa dels organismes pluricel·lulars perquè poden identificar i neutralitzar (són els anticossos, Ac) molècules alienes (els antígens, Ag) i, per aquesta raó, potencialment nocives. Molècules alienes en dissolució o bé formant part de microorganismes i cèl·lules. Les immunoglobulines són produïdes exclusivament per limfòcits, els de tipus B, en tots els seus estats de diferenciació i les incorporen a la seva membrana plasmàtica com a receptors o bé les secreten al medi intern. Existeixen cinc tipus d’immunoglobulines (Ig), les IgM, IgA, IgG, IgD i IgE, amb diferenciacions adaptades per a vehicular millor en diferents entorns la capacitat de reconeixement d’antígens.
Les immunoglobulines estan formades per quatre cadenes polipeptídiques (figura 33). Dos grans o pesades (H, de heavy), i dos de menor grandària o lleugeres (L, de light). Les cadenes lleugeres posseeixen uns 200 aminoàcids cadascuna i s’uneixen a les pesades per un pont disulfur. Les cadenes pesades estan formades per uns 400 aminoàcids i també estan unides entre si per ponts disulfur. La regió dels ponts disulfur de les cadenes pesades és molt flexible i forma una frontissa que permet la deformació d’aquestes molècules quan s’uneixen a l’antigen.
Figura 33. Anticòs. Molècula d’immunoglobulina amb les dues cadenes pesades (H), les dues lleugeres (L) i els ponts disulfur entre elles. També es mostren les regions variables (V) i constants (C).
Les cadenes lleugeres i pesades tenen seqüències molt variables d’aminoàcids (V) en els seus extrems aminats que és per on identifiquen elements antigènics. Els respectius extrems carboxílics són relativament constants (C) sobretot els de les cadenes pesades dintre de cada tipus (IgG, IgA, etc.) i per ells les Ig s’uneixen i armen la superfície de diferents cèl·lules. Quant a la distribució i nivells de les Ig varien molt, per exemple en el plasma predomina la IgG i en les secrecions i mucoses predomina la IgA.
Les Ig elles mateixes, poden estar constituïdes per unitats simples, com la IgG, IgD i IgE, en forma de dímers com la IgA o agrupades amb fins a cinc unitats lligades pels extrems de les cadenes pesades com la IgM. També, per un mateix tipus de Ig, hi ha algunes variacions en els aminoàcids de la regió constant de cadenes pesades i a la situació i número dels ponts disulfur que s’estableixen entre elles. Tanmateix, tant les cadenes pesades com les lleugeres posseeixen cisteïnes unides per ponts disulfur dintre de la mateixa cadena (no mostrat en la figura 33). Les seqüències d’aminoàcids que queden pinçades per un pont disulfur d’una mateixa cadena, amb funcions ben definides s’anomenen dominis. Per exemple les cadenes L tenen dos dominis, un correspon a la regió variable (VL) i un altre a la constant (CL).
En les regions variables, tant de les cadenes L com H, hi ha tres segments de 17 a 20 aminoàcids cadascun amb un grau més elevat de variabilitat (regions hipervariables) que representen el lloc per on es produeix el reconeixement i unió a l’antigen. Aquesta és la principal funció de les Ig, unir-se a antígens i col·laborar en la destrucció dels mateixos quan estan en forma soluble (lliure en el plasma i líquids tissulars) o bé actuar com a receptores dels antígens quan es troben inserides en la membrana (aquí s’anomenen receptors) sigui dels importants limfòcits B o d’altres cèl·lules defensives.
Interacció antigen-anticòs
La unió de l’antigen (Ag) amb l’anticòs (Ac) és semblant a la que s’estableix entre un enzim i el seu substrat, entre un neurotransmissor o una hormona i els seus receptors. Es tracta d’un reconeixement i encaixament de les superfícies respectives. En el cas de les Ig, la interacció que en resulta és deguda a la formació d’enllaços no covalents com són els ponts d’hidrogen, interaccions electroestàtiques, forces de Van der Waals i interaccions hidròfobes. La unió entre un Ag i el seu Ac és específica (un Ac s’unirà amb gran avidesa a un sol antigen) encara que antígens amb epítops (regions superficials de la molècula antigènica) molt similars, poden encaixar amb el mateix Ac amb menor afinitat. Així, els anticossos s’uneixen a l’antigen pels epítops. Els epítops d’un antigen poden estar formats per aminoàcids consecutius (epítops lineals) o per zones de confluència (epítops conformacionals) de diverses cadenes.
En realitat, la unió Ag-Ac és de fet la conseqüència de múltiples interaccions mútues, així com varis o molts ganxets flexibles s’enganxen en molts llacets minúsculs entre les dues cintes de les tanques de velcro. Una sola parella ganxo-llaç no uneix les cintes amb massa força, però moltes parelles uneixen i tanquen completament bé una peça de roba. La força total de la unió pot ser molt elevada quan hi ha diversos punts d’interacció, a distàncies molt curtes i encaixant perfectament, i d’això depèn la força de la interacció que anomenem afinitat. En qualsevol cas, com les unions Ag-Ac no són covalents, són reversibles, i es poden estar formant i dissociant complexos constantment. Com més gran sigui la velocitat d’associació i menor la de dissociació major serà l’afinitat de la interacció d’una parella Ag-Ac.
Normalment, els antígens posseeixen uns quants epítops diferents i poden unir-se a més d’un anticòs. També, cada molècula d’anticòs, pot unir almenys dues molècules d’antigen, una per cada extrem variable dels braços de la molècula en forma de Y. A la vegada, en un antigen, un determinat epítop pot estar representat diverses vegades sent capaç d’unir diverses molècules del mateix anticòs.
Després de la unió de l’antigen i l’anticòs quan es troben, la immunoglobulina o anticòs pot anul·lar l’acció de l’antigen per neutralització, precipitació o aglutinació. No obstant això, però, a més de les immunoglobulines es requereix normalment la col·laboració d’altres elements, com ara el sistema de les molècules plasmàtiques del complement, els leucòcits mononuclears (macròfags) i els leucòcits polinuclears (LPN, neutròfils, eosinòfils i basòfils) o les cèl·lules naturals Killer (NK) sobre les que aquí no ens estendrem. La participació d’aquestes molècules i cèl·lules associades és fonamental. Per exemple, la unió d’un antigen a la immunoglobulina provoca canvis en el seu extrem constant (la cua de la Y) que fan que es pugui fixar (això s’anomena opsonització) en receptors ad hoc en la membrana de macròfags i polinuclears (en el cas de les IgG sobretot) amb el resultat de produir-se endo- o fagocitosi i destrucció lisosòmica dels complexos Ag-Ac. Receptors al fragment constant de les IgG també es troben en plaquetes, limfòcits B i cèl·lules NK. Alguns receptors per IgE també es troben en mastòcits i basòfils i, en aquest cas, es produeix la desgranulació d’aquestes cèl·lules i l’alliberament d’histamina i substàncies vasoactives que regulen la microcirculació per afavorir l’arribada en el lloc de la reacció immunitària de leucòcits i la millor eliminació dels antígens.
També veiem així que els diferents tipus de Ig poden adaptar-se millor a funcions defensives específiques i complementar-se entre elles. La Ig G és la més abundant (més del 70% en el plasma). Pot unir-se, com hem dit, a cèl·lules NK, a macròfags i LPN i pot travessar les membranes tissulars epitelials com l’endoteli vascular i la placenta materna. La immaduresa del sistema immunitari del fetus i encara del nounat no li permet produir suficients Ig defensives i el pas d’Ig de la mare al través de la placenta o amb la primera llet (el calostre) millora significativament la seva possibilitat de defensa.
Els anticossos del tipus IgM són els que més ràpidament es formen en resposta a la presència d’antigèns (resposta primària). Aquesta immunoglobulina té una gran capacitat neutralitzadora; no obstant això, no travessa activament les membranes biològiques fent la seva funció en situació intravascular. Representa el 5-10% de les Igs del plasma i juntament amb la IgD es fixa en membrana plasmàtica dels limfòcits B com a immunoglobulina receptora.
La Ig A posseeix capacitat neutralitzadora, encara que la propietat més rellevant és la de poder unir-se dues molècules per l’extrem distal (la cua de la Y) amb la participació d’una molècula addicional que permet que el dímer sigui captat i posteriorment secretat per les cèl·lules epitelials i pugui actuar en la superfície de mucoses i passar també als líquids superficials, com el líquid cefalorraquidi, la secreció bronquial, les llàgrimes, la saliva i la llet materna.
La Ig D actua com a receptor en la superfície dels limfòcits i d’aquesta manera aquests limfòcits es poden transformar en cèl·lules productores de grans quantitats de les diferents Ig (M, G, etc.) amb la mateixa especificitat d’antigen que la IgD de superfície que ha fet el reconeixement inicial.
L’IgE es troba en líquids biològics així com unida a receptors en la membrana de basòfils i mastòcits per la cua de la Y (és una Ig citòfila) amb el resultat d’armar aquestes cèl·lules amb anticossos IgE de diferents especificitats d’antigen de manera que quan els trobin puguin reconèixer-los i contribuir a la seva eliminació en alliberar substàncies vasoactives que faciliten l’arribada de sang pels vasos i la neteja dels antígens.
Els organismes pluricel·lulars són capaços de produir milions d’anticossos amb diferent especificitat cadascun per interaccionar i contribuir a eliminar milions de possibles molècules, microorganismes i cèl·lules alienes possiblement nocives. Les Ig són proteïnes i, de fet, la maquinària genètica és bastant limitada per instruir la formació d’un número tan alt d’anticossos. El mecanisme real és bastant senzill però. Els gens dedicats a fer aquesta funció tenen molts segments, seqüències d’ADN que es poden recombinar, de dos en dos o tres en tres d’entre tots ells amb una combinatòria capaç de donar lloc a la formació de milions de Ig diferents, cadascuna en un limfòcit B diferent que produirà la Ig única d’aquest limfòcit particular, la seva pròpia.
Això no obstant, quan els limfòcits B reconeixen a l’antigen i s’activen, les cèl·lules derivades anomenades cèl·lules plasmàtiques produeixen primer IgM, donant lloc a la resposta primària. Després, però, aquestes cèl·lules plasmàtiques o altres derivades del limfòcit B inicial que ha fet el reconeixement, poden començar a produir IgG, IgA i IgE construint així una resposta defensiva, immunitària ampla amb totes les Ig.
S’han fet alguns càlculs del nivell de combinatòria de segments d’ADN per produir tan gran diversitat d’Ig amb diferent especificitat. Amb ratolins per exemple la combinació de segments per produir les regions variables d’una cadena pesada podria produir unes 14000 variants i per la cadena lleugera unes 1200. Donat que els llocs de reconeixement dels antígens implica els extrems aminats de les cadenes pesades i lleugeres junts, les possibilitats combinatòries són les resultants de multiplicar els valors obtinguts del càlcul de variabilitat de cadascuna de les cadenes, almenys 17 milions.