Le immunoglobuline, Ig, sono proteine coniugate, in particolare glicoproteine, normalmente presenti a livello plasmatico. Si tratta di speciali molecole capaci di reagire e quindi poi neutralizzare
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praticamente qualsiasi sostanza estranea con cui può venire a contatto un certo organismo animale. [136, 32]
Spesso vengono utilizzati come sinonimi di immunoglobuline i termini γ-globuline ed anticorpi. In realtà sono termini non completamente corretti. Infatti per γ-globuline effettivamente si intendono tutte le globuline presenti a livello sierico che nel tracciato elettroforetico migrano nella regione γ- globulinica, quindi quella più vicina al catodo e più lontana dall’anodo. [136] Per anticorpi invece si intendono quelle immunoglobuline la cui specificità è assolutamente nota, cioè quando è
perfettamente conosciuto l’antigene verso il quale sono state prodotte tali immunoglobuline. [136] Attualmente perciò con il termine di immunoglobuline vengono intese tutte quelle proteine che manifestano attività anticorpale o che risultano antigenicamente correlate alle molecole anticorpali. [136, 150]
Le immunoglobuline sono elementi conosciuti ormai da più di un secolo, però la comprensione della loro natura ci fu solo dopo che è stata dimostrata la perdita dell’efficacia dei sieri iper-immuni a seguito della precipitazione ed allontanamento delle globuline. [136]
Oggi è risaputo che questi elementi sono glicoproteine dotate di una particolare struttura globulare e nel tracciato elettroforetico migrano in parte nella regione γ-globulinica e in parte nella regione β2- globulinica. [112, 150, 85, 84]
Sono proteine che a pH ematico si caricano positivamente a causa del loro pI particolarmente elevato, perciò in certi metodi elettroforetici può accadere che migrino verso il catodo. [165]
Sono prodotti da una particolare classe di linfociti, i linfociti B, a seguito della loro differenziazione in plasmacellule. [136, 112, 85]
La sintesi e secrezione delle immunoglobuline si può dire che costituisca il cuore del sistema immunitario di un organismo animale ed è frutto di un così complicato ed architettato meccanismo che, nonostante sia soggetto di numerosi e prolungati studi, non tutti i suoi aspetti sono stati completamente compresi. [32] Nello sviluppo della risposta anticorpale partecipano una moltitudine di elementi figurati della linea bianca, che tramite la loro azione e/o liberazione di molecole
biologicamente attive, come ad esempio le citochine, si ha la stimolazione di specifici linfociti B e loro differenziazione in plasmacellule. [32, 137]
In generale, dal punto di vista strutturale, è possibile affermare che le immunoglobuline presenti all’interno dell’organismo animale sono costituite da uno o più elemento di base, che prendono nome di monomeri. [150]
Ognuno di questi elementi di base o monomeri è formato da quattro catene polipeptidiche, uguali a due a due, unite da forze non covalenti e da ponti disolfuro. [136, 150] In particolare è possibile distinguere due catene dotate di una massa molecolare di 50 kDa, dette catene pesanti (H) e due catene dotate di una massa molecolare di 25 kDa, dette catene leggere (L). [136, 150] Le catene pesanti sono costituite da una successione di circa 450-550 aminoacidi, mentre le catene leggere sono costituite da una successione di circa 215 aminoacidi. [136, 150]
Ciascuna catena è costituita da un segmento costante, indicato con C (CH e CL a seconda della catena), e da un segmento variabile, indicato con V (VH e VL a seconda della catena). [150]
Il segmento variabile V corrisponde al segmento aminoterminale delle catene leggere e pesanti ed è formato da una sequenza di 115 aminoacidi per quelle leggere e una sequenza di 107 aminoacidi per quelle pesanti. [136] Queste sequenze di aminoacidi sono altamente variabili, ecco perché segmento variabile, e formano il sito combinatorio dell’immunoglobuline, cioè il punto dove si verifica il legame specifico con l’antigene. [136, 150]
Il segmento costate C è dato invece dal tratto delle catene leggere e pesanti compreso tra il loro segmento variabile e il loro terminale carbossilico. [150] E’ formato da una sequenza di residui aminoacidici costanti, ecco perché segmento costante, e rappresenta la porzione
dell’immunoglobulina importante per la fissazione del complemento nonché per l’interazione con le cellule immunocompetenti. [136] Queste sequenze sono formate da 100-110 residui aminoacidici e sono costanti poiché molto simili, ma non perfettamente identiche. Prendono nome di domini o regioni. [136, 150]
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A livello del segmento costante della catena leggera si distingue un solo dominio, mentre a livello del segmento costante della catena pesante si distinguono tre o quattro domini, dipende dalla catena. [136, 150] Questi domini sono indicati con i numeri arabi: CH1, CH2, CH3 e CH4 (dove è il caso). [150] In ognuno di questi domini o regioni è possibile distinguere anse di 60 aminoacidi dovute alla presenzza di specifici ponti disolfuro. [136]
Tutte queste catene polipeptidiche così strutturate sono disposte nello spazio in modo tale da formare una figura simmetrica caratteristica, che ricorda una y. [136, 150]
Infatti le catene pesanti tra il primo e secondo dominio del segmento costante a partire dal suo terminale aminico si ripiegano formando un caratteristico angolo. [136] Questo sito prende nome di regione cardine, rappresenta la sede dove vi sono i ponti disolfuro che uniscono le due catene pesanti speculari e risulta importantissimo, come indicato più avanti, per distinguere le diverse
immunoglobuline. [136] La figura 3.4.xxxvii rappresenta schematicamente la struttura di una molecola di IgG. È tratta da [136]
Trattando le immunoglobuline con mercaptoetanolo si ha la separazione di queste quattro catene polipeptidiche, ma se si utilizzano sostanze differenti come la papaina o la pepsina si ottengono porzioni diverse. [136, 150]
Con la papaina le immunoglobuline si dividono in tre porzioni, due pari e una impari. Quelle pari, dette Fab, comprendono le catene leggere intere e parte delle catene pesanti. Sono capaci di legare un antigene in modo monovalente. Quella impari, detta Fc, comprende le parti rimanenti delle catene pesanti. È la porzione importante per la fissazione del complemento o per l’interazione con le cellule immunocompetenti. [136, 137, 150, 85]
Con la pepsina le immunoglobuline si dividono in due porzioni di differente grandezza. Quella più grande, detta F(ab)2, è in poche parole costituito dai due suddetti Fab, uniti tramite un piccolo tratto che apparteneva al suddetto Fc. La parte più piccola è quello che resta del suddetto Fc. [136, 150, 85] Ogni immunoglobulina, come sopra indicato, presenta uno specifico sito combinatorio a livello di questi Fab. Questi siti combinatori sono dati da porzioni della catena pesante e in minor misura da porzioni della catena leggera a livello dei loro segmenti variabili. In queste porzioni rientrano le zone iper-variabili. [136]
La grande diversità di questi siti risulta fondamentale perché le immunoglobuline possano unirsi a milioni di antigeni diversi. [150]
È chiaro quindi che le immunoglobuline presenti a livello di un organismo animale non possono essere tutte uguali. Ma oltre a variare il sito combinatorio si è visto che variano anche specifiche sequenze aminoacidiche a livello della suddetta regione cardine. [136]
Le sequenze che qui si ritrovano sono di differente tipologia, indicate con le lettere greche α, β, γ, ε e μ. [136] Poi tra le α a sua volta si distinguono α1 e α2 e tra le γ γ1, γ2, γ3 e γ4. [136]
Ne consegue che le catene pesanti stesse possono essere distinte in base a queste tipologie di sequenze. [150] Si parla in particolare di classi e sottoclassi immunoglobuliniche, indicati con le corrispondenti lettere latine: IgG (IgG1, IgG2, IgG3 e IgG4), IgA (IgA1 e IgA2), IgD, IgE e IgM. [150]
Figura 3.4.xxxvii, tratta da [136]
Si tratta di una rappresentazione schematica di una molecola di IgG, con le due catene leggere (L) e le due catene pesanti (H), unite da legami disolfuro (S- S). Sono inoltre indicati i domini presenti nei segmenti variabili delle catene leggere (VL) e delle catene pesanti (VH) e
nei segmenti costanti delle catene leggere (CL) e delle catene pesanti (CH1,
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Le IgE e le IgM presentano tra l’altro catene pesanti più lunghe rispetto alle altre classi immunoglobuliniche. [136] Ecco che a livello del loro segmento costante si distinguono quattro diversi domini anziché tre. [136]
Le classi IgA e IgM possiedono un ulteriore catena di 19 aminoacidi che continua la catena pesante dalla parte carbossiterminale. [136] Questo elemento consente l’aggancio dei monomeri da parte di uno specifico polipeptide denominato catena J, rendendo così possibile la formazione di
polimeri.[136]
Anche a livello del segmento costante della catena leggera è possibile distinguere due differenti tipologie di sequenze aminoacidiche. [150] Si parla così di catene leggere κ e λ. [136] Ogni classe e sottoclasse anticorpale presenta catene leggere di entrambe le tipologie. [136]
Tutte queste differenze strutturali e di composizione chiaramente comportano importanti diversità fisico-chimiche ed antigeniche tra le immunoglobuline. [150, 136]
Ecco che antigenicamente parlando le immunoglobuline possono essere distinte anche in base agli isotipi, allotipi e idiotipi. [136]
Gli isotipi corrispondono alle suddette classi anticorpali, presenti in tutti gli individui. Si parla così anche di classi isotipiche. [136]
Gli allotipi sono tutti quei disegni antigenici presenti nei segmenti costanti delle catene leggere e pesanti di un certo gruppo di soggetti appartenenti ad una determinata specie. [136]
Gli idiotipi sono tutti quei disegni antigenici presenti a livello delle zone iper-variabili in
corrispondenza dei segmenti variabili delle catene leggere e pesanti. [136] In altre parole sono quei disegni antigenici che caratterizzano il sito combinatorio di una immunoglobulina. [136] Gli idiotipi sono tutte le immunoglobuline che presentano lo stesso paratopo o sito combinatorio. [137]
A questo punto appare chiaro che ogni classe isotipica presenta una struttura differente. Quindi risulta opportuno descriverle brevemente per poter comprendere almeno in linea generale le proprietà e funzioni di ciascuna classe immunoglobulinica.
A Immunoglobuline di isotipo A
Le immunoglobuline di isotipo A sono quelle immunoglobuline che presentano una catena pesante di tipo α. [136] Poiché le catene pesanti di tipo α possono essere distinti in due sottotipi, α1 e α2, si distinguono all’interno della classe IgA due sottoclassi, A1 e A2. [136]
Hanno una massa molecola di 150-170 kDa e, come già indicato, presentano al termine elle catene pesanti una sequenza di 19 aminoacidi che rende possibile, da parte di un polipeptide specifico denominato catena J, l’unione di più monomeri. [136, 85, 84]
Le IgA possono essere distinte anche in sieriche o di secrezione a seconda del sito in cui si ritrovano. [150] Però tra le due tipologie non varia solo il luogo di azione, ma anche la struttura. [150] Infatti le IgA sieriche sono solitamente monomeriche, mentre le IgA secretorie sono solitamente dimeriche. [150, 136]
Le IgA secretorie presentano oltre che la suddetta catena J, la quale lega i due monomeri, anche il così detto pezzo secretorio o pezzo di trasporto. [136, 150] Si tratta di un polipeptide di 60 kDa aggiunto alla struttura nel momento in cui attraversa lo strato epiteliale di una certa mucosa. Sembra che da una parte faciliti questo passaggio e dall’altra protegga la struttura stessa dall’azione di sostanze proteolitiche. [150] Perciò si parla anche di IgA secretorie, IgAs. [136] Sono
immunoglobuline fondamentali per l’immunità locale e coinvolte in grandi e complicati processi, sia fisiologici che patologici, come le allergie alimentari. [32]
A livello mucosale è chiaro che sono molto abbondanti, invece a livello sierico sono piuttosto ridotte. [84, 85] Nell’uomo adulto costituiscono circa il 7-17% delle immunoglobuline del siero e hanno una emivita di circa 6 giorni. [150]
Sono le ultime immunoglobuline a raggiungere i livelli propri dell’adulto, infatti sono assenti di regola nel feto. [150]
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Possono interagire con le componenti della via alternativa del complemento, ma non possono fissarlo. [32] Complessandosi con gli antigeni presenti in circolo il tutto è eliminato per via biliare. [32, 150] Al contrario dell’uomo negli animali domestici non sono state rilevate differenti sottoclassi di IgA. [136] Forse solo nel coniglio sembrerebbe essercene più di una. [136]
B Immunoglobuline di isotipo D
Le immunoglobuline di isotipo D sono quelle immunoglobuline che presentano catene pesanti di tipo δ. [136] Nell’uomo sono presenti nel siero in bassa concentrazione: costituiscono appena lo 0,1-0,2% delle Ig totali. [150] Perciò tali immunoglobuline sono state poco studiate. [136] E’ risaputo che contengono molti carboidrati e le catene pesanti sono unite da un solo ponte disolfuro. [136] Hanno una massa molecolare di 160-185 kDa. [84, 136] Sono monomeriche e non sembra possibile attribuire loro significativa attività anticorpale. [136] Infatti più che una immunoglobulina sierica rappresenta uno dei principali recettori presenti, insieme alle IgM , sulla membrana dei linfociti B. [136, 150] Sembra infatti che rappresentino il recettore per il primo contatto con l’antigene, consentendo così la differenziazione B-linfocitaria, che è alla base della maturazione della risposta immunitaria. [32, 136]
L’interazione dell’antigene con la IgD di superficie provoca un segnale intracellulare che conduce alla proliferazione di tale classe B e successiva differenziazione in plasmacellule, che commutano la produzione immunoglobulinica dalla classe IgM alle altre classi Ig. [32, 136] Sembra inoltre che tali immunoglobuline di superficie siano importanti ai linfociti B per rispondere agli antigeni timo- dipendenti, nonché per modulare la risposta immunoglobulinica attraverso la produzione di anticorpi anti-idiotipo. [32, 136, 137]
Gli studi circa queste immunoglobuline sono piuttosto scarsi e sembrerebbe che siano espresse, ma raramente, solo nel cane, roditori e gallina. Gornan and Halliwell 1989. [136]
C Immunoglobuline di isotipo G
Le immunoglobuline di isotipo G sono quelle immunoglobuline che presentano catene pesanti di tipo γ. [136] Poiché le catene γ possono essere distinte in quattro sottotipi, γ1, γ2, γ3 e γ4, si distinguono all’interno di IgG quattro sottoclassi, G1, G2, G3 e G4. [136]
Hanno una massa molecolare di 150-160 kDa e costituiscono la classe di immunoglobuline più rappresentativa a livello ematico. [150, 136, 85, 84] Infatti nell’uomo adulto costituiscono circa il 70- 80% delle Ig sieriche, di cui ben il 70% è dato dalla sottoclasse IgG1. [136, 150]
Tutte le sottoclassi di IgG hanno la proprietà di attraversare la barriera placentale. [32, 136] Fatta eccezione per la sottoclasse di IgG4, tutte queste immunoglobuline sono capaci di fissare il
complemento. [32, 136] Sono prodotte a seguito delle IgM, secondo il processo di commutazione anticorpale. [32, 150]
Nel neonato le IgG materne costituiscono la maggior quota delle immunoglobuline presenti nel siero fino a quando non si ha la produzione endogena. [150] Nell’uomo hanno una emivita di 3-4
settimane. [150]
Tutte le sottoclassi partecipano alla risposta immunitaria, tuttavia con antigene proteico vengono prodotte più che altro le IgG1 e le IgG3, mentre con antigene glucidico vengono prodotte più che altro le IgG2. [32, 150]
Le IgG4 non possono fissare il complemento perché il sito per il fattore C1q è nascosto, tuttavia può attivare la via alternativa del complemento. [32]
Le IgG1 e le IgG3 avendo una maggiore affinità rispetto alle altre sottoclassi verso i recettori dei linfociti e macrofagi risultano importanti opsonine, attivano la chemiotassi e la fagocitosi e inducono il rilascio di mediatori dell’infiammazione. [32, 150]
Negli animali domestici alcune sottoclassi non sono presenti o sono indicate diversamente, oppure risultano ulteriormente suddivisi, dipende dalla specie. [136]
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Infine le IgG costituiscono le principali immunoglobuline colostrali nella maggior parte degli animali domestici. [137, 142]
D Immunoglobuline di isotipo E
Le immunoglobuline di isotipo E sono quelle immunoglobuline che presentano catene pesanti di tipo ε. [136] Nell’uomo sono le immunoglobuline meno concentrate a livello sierico ed hanno una emivita di 2-3 giorni. [150]
Hanno una massa molecolare di circa 185-200 kDa, infatti insieme alle IgM presentano catene pesanti più lunghe, dove è possibile distinguere ben quattro domini diversi. [136, 85, 84] Sono molecole termolabili e non attraversano la membrana placentale. [150, 136]
Le IgE, una volta liberate in circolo dalle plasmacellule, tramite specifici recettori si fissano alla superficie di mastociti e basofili. [32, 150, 136] Nel momento in cui tali IgE reagiscono con l’antigene specifico si evoca una risposta intracellulare che culmina con liberazione di istamina e altri
mediatori chimici dell’infiammazione, con conseguenti importanti effetti biologici. [32, 136, 150] E’ chiaro quindi che queste immunoglobuline intervengono nei fenomeni di ipersensibilità di tipo primo, come allergie ed anafilassi. Nel cane sembrano esistere due sottoclassi diverse di IgE. [136]
E Immunoglobuline di isotipo M
Le immunoglobuline di isotipo M sono quelle immunoglobuline che presentano catene pesanti di tipo µ. [136] Tali catene pesanti presentano oltre che una lunghezza maggiore, come nel caso delle IgE, una ulteriore sequenza di 19 aminoacidi che rende possibile da parte di un polipeptide specifico di 19-20 kDa, denominato catena J, l’unione di più monomeri. [136, 85, 150] In particolare a livello sierico tali immunoglobuline si trovano sotto forma di pentameri. [150, 136] Ecco che raggiungono una massa molecolare di circa 900 kDa. [85, 84, 150, 136] Si parla appunto di macroglobuline con simmetria radiale. [136, 150]
Tuttavia le IgM possono trovarsi anche in forma monomerica: nel siero e sulla superficie dei linfociti B, insieme alle IgD. [150]
In ogni specie animale queste immunoglobuline compaiono come risposta alla prima stimolazione antigenica e in misura molto modesta. [32, 136] Ben presto tramite il processo di commutazione verranno sostituite da quantità superiori di IgG specifiche. [32, 136]
Sono molecole che non possono attraversare la barriera placentale e nell’uomo adulto raggiungono una concentrazione sierica pari all’8-10% delle immunoglobuline totali. [150] Hanno una emivita di 5 gg. [136]
La loro sintesi e secrezione è particolarmente stimolata da antigeni polisaccaridici. [32, 150] Essendo pentamerica anche una sola molecola di IgM è capace di attivare la via classica del complemento. [32] Inoltre sono immunoglobuline capaci di opsonizzare ed agglutinare. [32, 136] L’attività agglutinante è tuttavia perduta, al contrario delle IgG, a seguito del trattamento con mercaptoetanolo. [136]
Nel bovino sembrano essere presenti due differenti classi di IgM. [136]
In generale è possibile affermare che la produzione immunoglobulinica è soggetta a sofisticati sistemi di regolazione che vedono l’intervento di moltissimi elementi figurati della linea bianca e non solo. [137] Sicuramente il primo, e forse ancora poco chiaro, sistema di regolazione è dato dalla formazione di anticorpi anti-idiotipo, secondo la teoria di Jerne. [137]
Concludendo, le funzioni generali che possono essere attribuite alle immunoglobuline sono:
Attività neutralizzante nei confronti di vari patogeni; [137, 32]
Attività agglutinante di elementi corpuscolati; [137, 32]
Attività opsonizzante, per via della stimolazione alla fagocitosi; [32, 137]
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Attività fissante il complemento. Possono attivare il complemento secondo il meccanismo classico e alternativo. [32, 138, 105, 106]