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Una vez esbozados algunos de los conceptos generales que constituyen la base de muchas diferentes interacciones receptor-ligando y vías de señalización, ahora se centrará la atención de manera más específica en los receptores de antígeno del sistema inmunitario adaptativo.
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En el momento de la estimulación con antígeno, las células B secretan anticuerpos que tienen sitios de unión a antígeno idénticos a los que están en el receptor de antígeno de la membrana de célula B. La identidad entre los sitios de unión del anticuerpo secretado y el Receptor de Célula B (BCR) unido a membrana se demostró por vez primera al sintetizar reactivos que se unieron a anticuerpos secretados por una clona de células B particular, y mostrar que esos reactivos también se unieron a los receptores sobre las células que habían secretado los anticuerpos. Dado que trabajar con proteínas solubles es significativamente más fácil que manipular proteínas receptoras de membrana, la presencia de una forma soluble del receptor facilitó mucho la caracterización de la estructura del receptor de célula B. En consecuencia, los aspectos de bioquímica básica del receptor de célula B se establecieron mucho tiempo antes que los del Receptor de Célula T (TCR) que, a diferencia del bcr, no se libera en una forma secretada. El recuadro 3-1, Experimento clásico, detalla los experimentos ganadores del Premio Nobel que establecieron la estructura de cuatro cadenas de la molécula de anticuerpo.
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Esta sección empieza con una exposición de la estructura de anticuerpos, y después se describe el receptor de membrana de célula B y sus vías de señalización asociadas. Los anticuerpos secretados y sus formas de receptor unidas a membrana pertenecen a la familia de proteínas inmunoglobulina. Esta familia grande de proteínas, que incluye receptores tanto de célula B como de célula T, moléculas de adhesión, algunas tirosina cinasas y otros receptores inmunitarios, se caracteriza por la presencia de uno o más dominios de inmunoglobulina.
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Los anticuerpos están constituidos de múltiples dominios de inmunoglobulina
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El dominio de inmunoglobulina (figura 3-18) se genera cuando una cadena polipeptídica se pliega hacia una serie organizada de cadenas con plegamiento β paralelas. Dentro de cada dominio, las cadenas β están dispuestas hacia un par de láminas β que forman un dominio terciario, compacto. El número de cadenas por cada lámina varía entre proteínas individuales. En moléculas de anticuerpo, casi todos los dominios de inmunoglobulina contienen aproximadamente 110 aminoácidos, y cada lámina β contiene de tres a cinco cadenas. El par de láminas β dentro de cada dominio son estabilizadas una respecto a la otra por medio de un enlace disulfuro intracadena. Los dominios vecinos están conectados uno a otro por medio de un tramo de cadena polipeptídica relativamente no estructurada. Dentro de las cadenas β, aminoácidos hidrofóbicos e hidrofílicos alternan, y sus cadenas laterales están orientadas en posición perpendicular al plano de la lámina. Los aminoácidos hidrofóbicos sobre una lámina están orientados hacia la lámina opuesta y, por ende, las dos láminas dentro de cada dominio son estabilizadas por interacciones hidrofóbicas entre las dos láminas, así como por el enlace disulfuro covalente.
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El plegamiento de inmunoglobulina proporciona un ejemplo perfecto de cómo la estructura determina la función, o la facilita, o ambas cosas. En los extremos de cada una de las láminas β, regiones polipeptídicas que muestran plegamiento más laxo enlazan una cadena β a la siguiente, y estas regiones laxamente plegadas pueden dar cabida a diversas longitudes y estructuras de cadena lateral de aminoácidos sin causar alteración alguna de la estructura general de la molécula. Por ende, en la molécula de anticuerpo, el plegamiento de inmunoglobulina está muy bien adaptado para proporcionar un andamio único en el cual pueden construirse múltiples sitios de unión diferentes, puesto que los sitios de unión a antígeno pueden simplemente integrarse hacia estas regiones laxamente plegadas de los dominios de unión a antígeno. Estas propiedades explican por qué el dominio de inmunoglobulina se ha usado en tantas proteínas con funciones de reconocimiento o de adhesión. La estructura del dominio esencial proporciona un esqueleto molecular, mientras que las regiones laxamente plegadas se pueden adaptar para que se unan de manera específica a muchas estructuras adhesivas o antigénicas.
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De hecho, la estructura del dominio de inmunoglobulina es usada por muchas proteínas además de las cadenas de bcr. El receptor de célula T también está constituido de unidades repetitivas del dominio de inmunoglobulina (véase más adelante). Otras proteínas en las que se utilizan dominios de inmunoglobulina comprenden receptores Fc; las proteínas accesorias del receptor de célula T CD2, CD4, CD8 y CD28; las proteínas asociadas a receptor tanto del tcr como del bcr; moléculas de adhesión, y otras. En la figura 3-19 se ilustran algunas de estas proteínas que contienen dominio de inmunoglobulina. Cada una de estas proteínas es clasificada como un miembro de la superfamilia de inmunoglobulina, un término que se usa para denotar proteínas derivadas de un gen primordial común que codifica para la estructura del dominio básica.
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Los anticuerpos comparten una estructura de dos cadenas ligeras y dos cadenas pesadas
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Todos los anticuerpos comparten una estructura de cuatro cadenas polipeptídicas (figura 3-20), que consta de dos cadenas ligeras (L) idénticas y dos cadenas pesadas (heavy [H]) también idénticas. Cada cadena ligera está unida a su cadena pesada pareja mediante un enlace disulfuro entre residuos de cisteína correspondientes, así como por interacciones no covalentes entre los dominios VH y VL y los dominios CH1 y CL. Estos enlaces permiten la formación de un heterodímero estrechamente asociado (H-L). Múltiples puentes disulfuro enlazan juntas las dos cadenas pesadas a alrededor de la mitad de su longitud, y las partes C terminal de las dos cadenas pesadas también participan en interacciones de enlace no covalente entre dominios correspondientes.
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La molécula de anticuerpo forma una Y, con dos regiones de unión a antígeno en los extremos de la Y (figura 3-21). Cada región de unión a antígeno está constituida de aminoácidos derivados de los dominios amino terminal de las cadenas tanto pesada como ligera. Las cadenas tanto pesada como ligera contribuyen con dos dominios a cada extremo de la Y; el dominio no de unión a antígeno de cada cadena sirve para extender el extremo de unión a antígeno. La base de la Y consta de los dominios C terminal de la cadena pesada de anticuerpo.
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RECUADRO 3-1
EXPERIMENTO CLÁSICO: La elucidación de la estructura de anticuerpo
Los experimentos en los que se identificó por vez primera a los anticuerpos como inmunoglobulinas séricas y después se caracterizó su estructura de cuatro cadenas familiar, representan algunas de las mejores adaptaciones de la química de proteína alguna vez usadas para resolver un problema biológico.
Primer grupo de Experimentos Arne Tiselius, Pers Pederson, Michael Heidelberger y Elvin Kabat Desde finales del siglo xix se ha sabido que los anticuerpos residen en el suero sanguíneo, es decir, en el componente de la sangre que queda una vez que se han eliminado células y proteínas de la coagulación. Empero, la naturaleza química de esos anticuerpos permaneció como un misterio hasta que Tiselius y Pederson de Suecia, y Heidelberger y Kabat, en Estados Unidos, hicieron sus experimentos, publicados en 1939. Hicieron uso del hecho de que, cuando los anticuerpos reaccionan con un antígeno proteínico multivalente, forman un complejo multimolecular con enlaces covalentes que salen de la solución. Este proceso se conoce como inmunoprecipitación (véanse en el capítulo 20 los usos modernos de esta técnica). Inmunizaron conejos con la proteína ovoalbúmina (el principal componente de las yemas de huevo), extrajeron sangre de los conejos para obtener un antisuero antiovoalbúmina, y después dividieron su antisuero en dos alícuotas. Sujetaron la primera alícuota a electroforesis y midieron la cantidad de proteína que avanzó distancias diferentes desde el origen en un campo eléctrico. El gráfico azul en la figura 1 describe las cuatro subpoblaciones de proteínas principales resueltas mediante su técnica. La primera —y la de mayor tamaño— es el pico de albúmina, la proteína más abundante en el suero, que se encarga de transportar lípidos en la sangre. Nombraron a los otros picos globulinas. Dos picos de menor tamaño están denotados como los picos de globulina α y β, y después un tercer pico de globulina, la globulina gamma, claramente representa un grupo de proteínas en concentración alta en el suero.
Con todo, la parte más notable del experimento ocurrió cuando los investigadores mezclaron su segunda alícuota del suero con ovoalbúmina, el antígeno. Los anticuerpos en el suero se unieron a la ovoalbúmina en un complejo multivalente, que salió de la solución y se precipitó. A continuación el precipitado se extrajo mediante centrifugación. Ahora que habían logrado eliminar los anticuerpos de un antisuero, la pregunta fue ¿qué pico de proteína quedaría afectado?
El gráfico de color negro en la figura 1 ilustra sus resultados. Se perdió muy poca proteína de los picos de albúmina o de globulina α o β. Aun así, la inmunoprecipitación dio lugar a un decremento notorio del tamaño del pico de globulina γ, lo que demostró que casi todos sus anticuerpos antiovoalbúmina podían clasificarse como globulinas γ.
Ahora se sabe que casi todos los anticuerpos de la clase IgG de hecho se encuentran en la clase de globulina γ. No obstante, se encuentran anticuerpos de otras clases en los picos de globulina α y β, lo cual puede explicar el decremento leve de la concentración de proteína que se encontró después de inmunoprecipitación en estos otros picos de proteína.
Segundo grupo de experimentos Sir Rodney Porter, Gerald Edelman y Alfred Nisonoff Conocer la clase de proteína sérica en la cual caen los anticuerpos fue un inicio, pero los inmunoquímicos a continuación necesitaron averiguar qué aspecto tenían los anticuerpos. El hecho de que podían formar complejos multivalentes precipitables sugirió que cada anticuerpo tenía la capacidad de unión a más de un sitio en un antígeno multivalente. Sin embargo, los científicos aún desconocían cómo muchas cadenas polipeptídicas constituyen una molécula de anticuerpo, y cómo muchos sitios de unión a antígeno estuvieron presentes en cada molécula.
Dos líneas de experimentación llevadas a cabo en un marco de tiempo similar en ambos lados del Atlántico se combinaron para proporcionar las respuestas a estas dos preguntas. Experimentos de ultracentrifugación habían colocado el peso molecular de las moléculas de anticuerpos IgG en aproximadamente 150 000 daltones. La digestión de IgG con la enzima papaína produjo tres fragmentos, dos de los cuales fueron idénticos, y un tercero que fue claramente distinto (figura 2). El tercer fragmento, de aproximadamente 50 000 daltones, formó de manera espontánea cristales y, por ende, se nombró el fragmento cristalizable, o Fc. Al demostrar que podían inhibir de manera competitiva la unión de anticuerpos a su antígeno, se mostró que los otros dos fragmentos retienen la capacidad de unión a antígeno del anticuerpo original. Por ende, estos fragmentos se nombraron Fab, o fragmento de unión a antígeno (Fragment antigen binding). Este experimento indicó que una molécula de anticuerpo única contenía dos sitios de unión a antígeno y una tercera parte de la molécula que no participaba en la reacción de unión.
El uso de otra enzima proteolítica, la pepsina, dio lugar a la formación de un fragmento único de 100 000 daltones, que contuvo dos sitios de unión a antígeno que aún fueron mantenidos juntos en una molécula bivalente. Puesto que la molécula actuó como si contuviera dos fragmentos Fab, pero claramente tuvo un componente adicional que facilitó la combinación de los dos fragmentos hacia una molécula, se nombró F(ab’)2. La digestión con pepsina no da lugar a un fragmento Fc recuperable, puesto que al parecer lo digiere hacia fragmentos más pequeños. Empero, F(ab’)2 derivados de anticuerpos se usan a menudo en experimentos en los cuales los científicos desean evitar artefactos originados por la unión de anticuerpos a receptores Fc sobre superficies celulares.
En el segundo grupo de experimentos, los investigadores redujeron la molécula de IgG entera usando β-mercaptoetanol, a fin de romper enlaces disulfuro, y produjeron alquilación del producto reducido de modo que los enlaces disulfuro no podían volver a formarse de manera espontánea. A continuación usaron una técnica llamada filtración en gel para separar y medir el tamaño de los fragmentos de proteína generados mediante esta reducción y alquilación. (En la actualidad se usarían geles sds page para hacer este experimento.) De esta manera, se demostró que cada molécula de IgG contenía dos cadenas pesadas, con peso molecular (mw) de 50 000 y dos cadenas ligeras, con mw de 22 000.
Ahora el desafío fue combinar los resultados de estos experimentos para crear un modelo consistente de la molécula de anticuerpo. Para hacer esto, los científicos tuvieron que determinar cuál de las cadenas estaba implicada en la unión a antígeno, y cuál cadena contribuía a los fragmentos cristalizables. Los inmunólogos a menudo usan medios inmunológicos para responder sus preguntas y ésta no fue la excepción. Eligieron usar fragmentos Fab y Fc purificados a partir de anticuerpos IgG de conejo para inmunizar dos cabras. A partir de estas cabras, generaron anticuerpos anti-Fab y anti-Fc, que hicieron reaccionar, en experimentos separados, con las cadenas pesada y ligera provenientes de los experimentos de reducción y alquilación. La respuesta fue inmediatamente clara.
Los anticuerpos anti-Fab se unieron a cadenas tanto pesadas como ligeras y, por ende, el sitio de unión a antígeno de la IgG original de conejo estuvo formado de componentes de cadenas tanto pesada como ligera. Con todo, los anticuerpos anti-Fc sólo se unieron a las cadenas pesadas, pero no a las cadenas ligeras de la molécula de IgG, lo que demostró que la parte Fc de la molécula sólo estaba constituida de cadenas pesadas. Por último, experimentos de química de proteína cuidadosos demostraron que los aminos terminales de las dos cadenas residían en la porción Fab de la molécula. De esta manera, la estructura de cuatro cadenas familiar, con los sitios de unión en los aminos terminales de los pares de cadenas pesadas y ligeras, se dedujo a partir de algunos experimentos clásicos muy bien realizados.
En 1972 se otorgó el Premio Nobel en Fisiología y Medicina a sir Rodney Porter y Gerald Edelman por su trabajo en el descubrimiento de la estructura de las inmunoglobulinas.
Edelman, G.M., B.A. Cunningham, W.E. Gall, P.D. Gottlieb, U. Rutishauser, y M.J. Waxdal. 1969. The covalent structure of an entire gammaG immunoglobulin molecule. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 63:78-85.
Fleishman, J., B., R.H. Pain, y R.R. Porter. 1962 Sep. Reduction of gamma-globulins. Archives of Biochemistry and Biophysics Suppl 1:174-80.
Heidelberger, M., y K. O. Pedersen. 1937. The molecular weight of antibodies. The Journal of Experimental Medicine 65:393-414.
Nisonoff, A., F.C. Wissler, y L.N. Lipman. 1960. Properties of the major component of a peptic digest of rabbit antibody. Science 132:1770-1771.
Porter, R.R. (1972). Lecture for the Nobel Prize for physiology or medicine 1972: Structural studies of immunoglobulins. Scandinavian Journal of Immunology 34(4):381-389.
Tiselius, A., y E.A. Kabat. 1939. An electrophoretic study of immune sera and purified antibody preparations. The Journal of Experimental Medicine 69:119-131.
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La figura 3-21 muestra que la estructura general de la molécula de anticuerpo consta de tres regiones relativamente compactas unidas por una región bisagra más flexible. La región bisagra es en particular susceptible a división proteolítica por la enzima papaína. La división con papaína resuelve la molécula de anticuerpo hacia dos fragmentos idénticos que retienen la especificidad de unión a antígeno (antigen-binding) del anticuerpo original (que se muestra como las regiones Fab en la figura 3-21), y la región restante de la molécula, que consta de la porción no de unión a antígeno. Esta última región, que es idéntica para todos los anticuerpos de una clase dada, se cristaliza fácilmente y, así, se llama la región Fc (fragmento cristalizable).
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Cada región Fab y región Fc de los anticuerpos media sus propias funciones particulares durante una respuesta de anticuerpos a un antígeno. Las regiones Fab se unen al antígeno, y la región Fc del anticuerpo unido a antígeno se une a los receptores Fc sobre células fagocíticas o citolíticas, o a moléculas efectoras inmunitarias. De esta manera, los anticuerpos sirven como puentes fisiológicos entre un antígeno presente en un agente patógeno, y las células o moléculas que finalmente lo destruirán. Hay una familia de receptores Fc; cada receptor Fc se expresa sobre una gama distinta de células, y se une a una clase diferente de anticuerpos.
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Hay dos clases principales de cadenas ligeras de anticuerpo
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La secuenciación de aminoácidos de cadenas ligeras de anticuerpos reveló que la mitad amino terminal (alrededor de 110 aminoácidos) de la cadena ligera era en extremo variable, mientras que la secuencia de la mitad carboxilo terminal podía clasificarse en una de dos tipos de secuencias principales. Así, la mitad N terminal de cadenas ligeras se denomina región variable, o VL, de la cadena ligera, y la parte menos variable de la secuencia se llama región constante, o CL. Las dos secuencias principales de región constante de cadena ligera se denominan cadenas κ (kappa) o λ (lambda). Conforme se generaron más secuencias de cadena ligera, quedó de manifiesto que las secuencias de la región constante de la cadena λ podían subdividirse en cuatro subtipos —λ1, λ2, λ3 y λ4— con base en sustituciones de aminoácido en algunas posiciones. En seres humanos, las cadenas ligeras están divididas de manera bastante uniforme entre las dos clases de cadena ligera; 60% de las cadenas ligeras de ser humano es κ, mientras que sólo 40% es λ. En ratones, la situación es bastante distinta: sólo 5% de las cadenas ligeras de ratón es del tipo de cadena ligera λ. Todas las cadenas ligeras tienen un peso molecular de aproximadamente 22 kDa.
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El análisis adicional de secuencias de cadena ligera demostró que, incluso dentro de las regiones variables de la cadena ligera, hubo regiones de hipervariabilidad. Dado que pudo mostrarse que estas regiones hipervariables interactúan con el antígeno unido, se renombraron las regiones determinantes de la complementariedad o CDR.
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Los lectores con conocimiento en genética identificarán de inmediato un problema: ¿cómo es posible codificar una cadena proteínica única con algunas regiones que son en extremo diversas y otras regiones que son relativamente constantes, mientras se mantiene esa distinción a través de millones de años de deriva evolutiva? La solución a este enigma comprende la codificación de una región variable de anticuerpo única en múltiples segmentos genéticos que después se unen entre sí en diferentes combinaciones en cada célula productora de anticuerpos individual. Este mecanismo singular se describirá a fondo en el capítulo 7.
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Hay cinco clases principales de cadenas pesadas de anticuerpo
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Al usar anticuerpos dirigidos hacia la región constante de inmunoglobulinas, y la secuenciación de aminoácidos de inmunoglobulinas derivadas de células tumorales de plasmacitoma, ciertos investigadores descubrieron que las secuencias de las regiones constantes de cadena pesada caen dentro de cinco patrones básicos. Estas cinco secuencias básicas se han llamado con las letras griegas: μ (mu), δ (delta), γ (gamma), ϵ (épsilon) y α (alfa). Cada región constante de cadena pesada diferente se denomina isotipo, y el isotipo de las cadenas pesadas de una molécula de anticuerpo dada determina su clase. Así, los anticuerpos con una cadena pesada del isotipo μ son de la clase IgM; aquellos con una cadena pesada δ son IgD; aquellos con γ, IgG; aquellos con є, IgE, y aquellos con α, IgA. La longitud de la región constante de las cadenas pesadas es de 330 residuos de aminoácidos (para las cadenas γ, δ y α) o de 440 aminoácidos (para las cadenas μ y ε). De modo correspondiente, los pesos moleculares de las cadenas pesadas varían de acuerdo a su clase. Las cadenas pesadas de IgA, IgD e IgG pesan alrededor de 55 kDa, mientras que los anticuerpos IgM e IgE son aproximadamente 20% más pesados.
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Diferencias menores en las secuencias de aminoácidos de grupos de cadenas pesadas α y γ llevaron a subclasificación adicional de esas cadenas pesadas en subisotipos y, por ende, sus anticuerpos correspondientes, hacia subclases (cuadro 3-2). Hay dos subisotipos de la cadena pesada α, α1 y α2, y, así, dos clases de IgA, IgA1 e IgA2. De modo similar, hay cuatro subisotipos de las cadenas pesadas γ, γ1, γ2, γ3 y γ4, con la formación correspondiente de las cuatro subclases de IgG: IgG1, IgG2, IgG3 e IgG4. En ratones, los cuatro subisotipos de cadena γ son γ1, γ2α, γ2β y γ3, y las subclases correspondientes de anticuerpos IgG de ratón son IgG1, IgG2a, IgG2b e IgG3, respectivamente.
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El análisis adicional reveló que el número exacto de enlaces disulfuro entre las cadenas pesadas de anticuerpos, y las posiciones precisas de dichos enlaces, varían entre anticuerpos de distintas clases y subclases (figura 3-22).
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Los anticuerpos y los fragmentos de anticuerpos pueden servir como antígenos
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Los principios esenciales de la estructura de anticuerpos se establecieron antes del desarrollo de la tecnología requerida para generar artificialmente anticuerpos monoclonales y, de hecho, gran parte de la investigación básica de determinación de la estructura se completó antes de que hubiera técnicas disponibles para secuenciación rápida de dna. Por ende, como una fuente de anticuerpos homogéneos, los inmunólogos recurrieron a los productos proteínicos de tumores secretores de anticuerpos. Los plasmacitomas son tumores de células plasmáticas, la célula de etapa final de diferenciación de células B, y las células de ese tumor normalmente están situadas en la médula ósea. Cuando una clona única de células plasmáticas se hace cancerosa, se llama plasmacitoma en tanto permanece en un solo hueso. Sin embargo, una vez que metastatiza hacia múltiples sitios de la médula ósea, el tumor se llama mieloma múltiple. Los tumores plasmacitoma o mieloma secretan grandes cantidades de anticuerpos monoclonales hacia el suero y los líquidos tisulares de los pacientes, y estos anticuerpos pueden purificarse en grandes cantidades. En lugar de secretar el anticuerpo entero, algunos de estos tumores sólo secretarán las cadenas ligeras, o a veces tanto las cadenas ligeras como los anticuerpos enteros, hacia el suero. Las cadenas ligeras homogéneas secretadas por estos tumores mieloma se llaman proteínas de Bence-Jones.
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Entre mediados y finales del siglo xx se usaron anticuerpos derivados de tumor para generar mucha información respecto a la estructura de anticuerpos y la secuencia de los mismos. Cuando se creó un medio por el cual generar estos tumores artificialmente en ratones, los datos provenientes de tumores de seres humanos se complementaron con información derivada de líneas de células murinas generadas en el laboratorio, muchas de las cuales aún se usan.
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Los anticuerpos séricos tanto derivados de tumor como purificados también se usaron como antígenos, y los anticuerpos anti-inmunoglobulina así derivados resultaron ser extraordinariamente útiles en la elucidación de la estructura de anticuerpos. Los anticuerpos o los fragmentos de anticuerpo derivados de una especie de animal (por ejemplo, un conejo), pueden inyectarse en una segunda especie (p. ej., una cabra), o incluso en otro animal de la misma especie, en el cual el anticuerpo o el fragmento de anticuerpo servirá como un antígeno. En el recuadro 3-1 se describe la serie de experimentos en los cuales anticuerpos sintetizados contra fragmentos proteolíticos aislados de moléculas de inmunoglobulina se usaron para ayudar a determinar la estructura de la inmunoglobulina. Para entender estos experimentos, y muchos otros en los que también se usan anticuerpos dirigidos contra inmunoglobulinas enteras o contra fragmentos de inmunoglobulina, es importante comprender bien la naturaleza de los determinantes antigénicos sobre moléculas de inmunoglobulina. Un determinante antigénico se define como una región de un antígeno que hace contacto con la región de combinación a antígeno sobre un anticuerpo. En el cuadro 3-3 se describen los diferentes tipos de anticuerpos que reconocen determinantes de inmunoglobulina.
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Los anticuerpos anti-isotipo se dirigen contra determinantes antigénicos presentes en la región constante de una clase de anticuerpo de cadena pesada o de cadena ligera particular, pero no sobre cualquiera de las otras. Por ejemplo, un anticuerpo anti-isotipo sólo puede unirse a cadenas pesadas μ humanas, pero no a regiones constantes δ, γ, α o є humanas. De manera alternativa, puede unirse a cadenas ligeras κ, pero no a cadenas ligeras λ. Así, un anticuerpo anti-isotipo sólo se une a una clase o subclase de región constante de anticuerpo única. Los anticuerpos anti-isotipo por lo general son específicos para determinantes presentes sobre la región constante de anticuerpos provenientes de una especie de animal particular, aunque puede ocurrir algo de reactividad cruzada entre especies relacionadas —por ejemplo, ratones y ratas—.
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Algunos genes que codifican para cadena pesada o ligera existen en múltiples formas alélicas, y las formas alélicas alternativas del mismo isotipo se denominan alotipos. En general, dos anticuerpos con diferencias alotípicas variarán en sólo algunos residuos de una de las cadenas de inmunoglobulina, y estos residuos constituyen los determinantes alotípicos. Los anticuerpos antialotipo son generados al inmunizar a un individuo de una especie con anticuerpos derivados de un segundo animal de la misma especie que porta una forma alternativa (alelo) del gen que codifica para inmunoglobulina particular. Después de que ha ocurrido una respuesta inmunitaria, el investigador purifica o selecciona los anticuerpos que reconocen los determinantes alotípicos provenientes del individuo inmunizado. Los anticuerpos antialotipo se usan, por ejemplo, para rastrear poblaciones de células particulares en experimentos en los cuales células B que provienen de una cepa de animales que portan un alotipo particular son transferidas hacia una segunda cepa que difiere en el alotipo de inmunoglobulina.
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Por último, anticuerpos dirigidos contra el sitio de unión a antígeno de un anticuerpo particular se denominan anticuerpos anti-idiotípicos. Pueden generarse al inmunizar un animal con grandes cantidades de un anticuerpo monoclonal purificado que, por definición, porta un sitio único de unión a antígeno. Los anticuerpos provenientes del animal inmunizado que reconocen el sitio de unión a antígeno del anticuerpo original a continuación se pueden purificar. Los anticuerpos anti-idiotípicos se usaron en los experimentos iniciales que probaron que el receptor de célula B tenía el mismo sitio de unión a antígeno que el anticuerpo secretado por esa célula B, y ahora se usan para dar seguimiento al destino de células B que portan una especificidad de receptor única en experimentos de inmunolocalización.
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Como se describió, el tratamiento de moléculas de anticuerpos enteras con la enzima papaína divide la molécula de anticuerpo en la región bisagra, y libera dos fragmentos Fab de unión a antígeno y un fragmento Fc por cada molécula de anticuerpo. Los anticuerpos anti-Fab y anti-Fc se producen al inmunizar una especie distinta de animal de la que proporcionó los fragmentos de anticuerpo, con fragmentos Fab o Fc, respectivamente.
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Cada uno de los dominios de las cadenas pesada y ligera de anticuerpo media funciones específicas
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Los anticuerpos protegen al huésped contra infecciones, al unirse a agentes patógenos y facilitar su eliminación. Los anticuerpos de diferentes clases de cadena pesada están especializados para mediar funciones protectoras particulares, como activación de complemento (capítulo 6), aglutinación de agente patógeno, o fagocitosis (capítulo 13), y cada dominio diferente de la molécula de anticuerpo desempeña su propio papel en estos mecanismos de defensa del huésped. Aquí se examina brevemente la estructura de cada uno de los dominios de cadena pesada de anticuerpo a la vez, empezando con los dominios CH1 y CL, que son los proximales a los dominios VH y VL, respectivamente (figura 3-20).
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Como se comentó, la multivalencia del receptor aumenta mucho la fuerza (avidez) de la unión de receptor a antígeno. Los anticuerpos han evolucionado para aprovechar esta propiedad al emplear dos sitios de unión a antígeno, cada uno de los cuales puede unirse a determinantes individuales sobre antígenos multivalentes, como los que se encuentran sobre superficies bacterianas. Los dominios CH1 y CL sirven para extender los extremos de unión a antígeno de la molécula de anticuerpo, lo que facilita interacciones con antígenos multivalentes y maximiza la capacidad del anticuerpo para unirse a más de un sitio sobre un antígeno multivalente. Un enlace disulfuro intercadena entre estos dos dominios los mantiene juntos y puede facilitar la capacidad de algunos pares VH-VL para unirse entre sí y formar un sitio de combinación estable.
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Las cadenas pesadas γ, δ y α contienen una secuencia peptídica extendida entre los dominios CH1 y CH2, que no tiene homología con los otros dominios (figuras 3-20 y 3-22). Esta llamada región bisagra es rica en residuos de prolina, que la hacen en particular flexible y, como consecuencia, los dos extremos de unión a antígeno de anticuerpos IgG, IgD e IgA pueden adoptar una amplia variedad de ángulos uno respecto a otro, lo cual facilita la unión eficiente a antígeno. La naturaleza extendida de la cadena de aminoácidos en la región bisagra contribuye a la vulnerabilidad de esta parte de la molécula a la división por proteasa, una vulnerabilidad que se explotó ingeniosamente en los experimentos tempranos que caracterizaron la estructura de anticuerpos (recuadro 3-1).
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Además de estos residuos de prolina, la región bisagra también contiene varias cisteínas, que participan en la dimerización de cadena pesada. El número real de enlaces disulfuro intercadena en la región bisagra varía considerablemente entre diferentes clases y subclases de cadena pesada de anticuerpos (figura 3-23) así como entre especies. Al carecer de una región bisagra, las cadenas pesadas de IgE hacen sus enlaces disulfuro entre cadena pesada entre los dominios CH1 y CH3. En la IgM, los enlaces disulfuro forman puentes entre los pares de cadenas pesadas al nivel de CH3 y CH4. Aunque las cadenas μ y ε carecen de regiones bisagra, tienen un dominio de inmunoglobulina adicional que retiene algunas cualidades tipo bisagra.
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Cadenas de carbohidratos
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Los dos dominios CH2 de las cadenas α, δ y γ, y los dos dominios CH3 de las cadenas μ y ε están separados de sus dominios pareja de cadena pesada mediante cadenas laterales de oligosacárido que evitan que las dos cadenas pesadas se enclaven una cerca de la otra (figura 3-24). Como resultado, los dominios pares están significativamente más accesibles al ambiente acuoso que los otros dominios de región constante. Se cree que esta accesibilidad contribuye a la capacidad de los anticuerpos IgM e IgG para unirse a componentes del complemento. En general, las inmunoglobulinas están extensamente glucosiladas, y algunos anticuerpos incluso tienen carbohidratos fijos a sus cadenas ligeras.
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Los dominios carboxilo terminal
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Las cinco clases de anticuerpos pueden expresarse como inmunoglobulina de membrana o secretada. Los anticuerpos secretados tienen una secuencia de aminoácidos hidrofílica de diversas longitudes en el carboxilo terminal del dominio CH final. En receptores de inmunoglobulina unidos a membrana, esta región hidrofílica es reemplazada por tres regiones (figura 3-25):
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Una secuencia “espaciadora” hidrofílica, extracelular, de aproximadamente 26 aminoácidos
Un segmento transmembrana hidrofílico de alrededor de 25 aminoácidos
Una cola citoplasmática muy corta, de aproximadamente tres aminoácidos
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Las células B expresan diferentes clases de inmunoglobulina de membrana en etapas del desarrollo particulares, y bajo condiciones estimulatorias diferentes. Las células pre-B, inmaduras, sólo expresan IgM de membrana. La coexpresión de IgD de membrana, junto con IgM, es uno de los marcadores de diferenciación hacia una célula B por completo madura que todavía no ha encontrado antígeno. Después de la estimulación con antígeno, la IgD se pierde de la superficie celular, y la región constante de la membrana y la inmunoglobulina secretada pueden cambiar hacia cualquiera de los otros isotipos. La clase de anticuerpo secretado por células B estimuladas por antígeno está determinada por citocinas liberadas por células T y células presentadoras de antígeno en la vecindad de la célula B activada. Anticuerpos de diferentes clases de cadena pesada tienen afinidades selectivas por receptores Fc de superficie celular particulares, así como por componentes del sistema de complemento. Las funciones efectoras de clases de anticuerpos particulares se comentan más en los capítulos 6 y 13.
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La cristalografía de rayos X se ha usado para definir la base estructural de la unión antígeno-anticuerpo
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La cristalografía se ha usado para explorar la naturaleza de la unión antígeno-anticuerpo para un gran número de anticuerpos, y ha demostrado que una u otra cadena, o ambas cadenas, podrían proporcionar casi todos los residuos de contacto con cualquier antígeno. Así, algunos anticuerpos se unen al antígeno principalmente por medio de contactos con residuos de la región variable de cadena pesada; la cadena ligera meramente proporciona apoyo estructural para el sitio de unión; sucede lo contrario para otras interacciones antígeno-anticuerpo. Aun otros anticuerpos usan residuos provenientes de ambas cadenas para ponerse en contacto de manera directa con el antígeno. Aun así, casi siempre los contactos entre antígeno y anticuerpo ocurren en una amplia cara, y las protuberancias y depresiones en la superficie del anticuerpo probablemente coinciden con depresiones o abultamientos complementarios en el antígeno. En la figura 3-26 se ilustra la unión de un anticuerpo al extremo de la molécula de hemaglutinina del virus de la gripe. En otro caso bien estudiado de una unión de anticuerpo a la proteína lisozima, se mostró que el área de superficie de interacción es bastante grande; en diferentes pares de anticuerpo-lisozima varía de 650 a 900 Angstroms cuadrados. Dada la unión estrecha entre un anticuerpo y su antígeno complementario, no debe sorprender que, al menos en algunos casos, la unión de antígeno a anticuerpo induce un cambio conformacional en el anticuerpo, que puede visualizarse mediante cristalografía de rayos X (figura 3-27).
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