2.5 抗原与抗体的相互作用

抗原与抗体的相互作用是所有免疫化学技术的基础。抗体作为一种有效的研究工具，需要知道抗体怎样与相应抗原结合。用蛋白质化学方法来确定抗体和抗原相互作用的连接部位，对抗原抗体反应的动力学与抗体和抗原表位结合的亲和力及抗原抗体反应的亲和性的研究丰富了抗体分子结构的研究。

抗体的N端与抗原以非共价键形式结合，结合后并不改变抗原的共价结构，但这种结合具有高度的专一性，而且会引发免疫系统产生一系列的生理效应。

抗原-抗体共结晶的X射线晶体衍射研究证明，抗原结合位点是由重链和轻链的可变区构成。这两个可变区紧密相连并通过非共价键相互作用而结合。重链和轻链的剩余部分不参与抗原结合的其他功能区，但该区与抗体介导的免疫效应有关。形成抗原结合位点的氨基酸源于重链和轻链，并与决定蛋白质序列的超变区氨基酸一致，称为互补决定区（CDR）。有六个互补决定区，其中三个在重链，三个在轻链，互补决定区形成抗原抗体作用的结合位点。

某些抗原-抗体复合物中抗体或抗原的结构未发生改变，而另一些则出现巨大变化。在溶菌酶-抗体复合物结晶的结构中，抗原或抗体都没有发生改变，而42在神经氨酸酶-抗体复合物结晶的结构中则显示出抗原和抗体两者都发生了结构的改变。

抗原抗体的结合完全依靠非共价键的相互作用，并且抗原-抗体复合物和游离成分保持动态平衡。免疫复合物依靠抗原和抗体之间精确排列的弱相互作用的结合从而维持稳定。

非共价键的相互作用包括氢键、范德华力、电荷作用和疏水性作用。这些相互作用可以发生在侧链或者多肽链的主干之间。

抗原与抗体相互作用的特点有：

1．特异性

抗原决定簇和抗体的抗原结合位点之间以非共价键方式相互作用，二者在空间上必须处于紧密接触状态才能产生足够的结合力，分子间的互补结构决定了抗原抗体结合的特异性。抗原结构的微小改变能够显著影响抗体抗原相互作用的强度。在接触面失去单个氢键可以使相互作用的强度减低1000倍。所有的相互作用都是在接触面吸引和排斥作用的平衡之间进行的。结合位点氨基酸残基的改变也能改变抗原抗体相互作用的强度。

2．抗原和抗体结合的可逆性

亲和力（avidity）用于测定表位和抗体结合的强度。抗原和抗体以非共价键结合是可逆的，相互作用的强度可以描述为平衡反应。如果[Ab]=游离的抗体结合位点的物质的量浓度，[Ag]=游离的抗原结合位点的物质的量浓度，[Ab-Ag]=抗原-抗体复合物的物质的量浓度，则亲和常数Kaff=[Ab-Ag]/[Ab][Ag]。达到平衡的时间取决于扩散率，高亲和力的抗体在较短时间内比低亲和力抗体能结合较大量的抗原。高亲和力抗体在所有免疫化学技术中使用效果较好，这与其有较高的活性，而且和复合物的稳定性有关。例如，高亲和力的抗体与小分子蛋白抗原结合的解离半衰期为30min或更长时间，而低亲和力抗体的解离时间只有几分钟或更短。抗体抗原相互作用的亲和力有很大的差异，抗体抗原相互作用的亲和常数受温度、pH和溶剂的影响，这些条件的改变，在达到反应平衡时可以发现抗原-抗体复合物的数量增加或减少，促使反应向完全结合方向发展或者使结合的抗原发生解离。可以根据此性质，利用亲和层析法分离纯化抗原或抗体。

3．抗原和抗体反应中量的关系

亲和性（affinity）是指抗原-抗体复合物的整体稳定性。抗体抗原相互作用的整体强度受三个因素的控制：抗体对表位的内在亲和力、抗体和抗原的结合价以及参与反应成分的立体结构。所有天然抗体都是多价的，IgG和多数IgA是2价，IgM为10价。抗原可以是多价的，也可以是单价的。多价相互作用可以显著地稳定免疫复合物（图2.24）。如果多价抗原在试管中与特异性抗体混合，可以形成免疫复合物。在抗原和抗体的浓度合适的情况下，即等价带（zone of equivalence）时，抗原和抗体分子间通过非共价键广泛交联形成大的免疫复合物。如果抗原过剩，由于抗原和抗体结合的可逆性，自由的抗原会置换已经结合的抗原，使已经结合抗原的抗体解离，不能形成大的免疫复合物；同样，如果抗体过剩，自由的抗体会置换已经结合的抗体，使已经结合抗体的抗原解离，也不能形成大的免疫复合物（图2.25）。

图2.24 抗原抗体的结合价与抗原抗体的亲和力之间的关系

图2.25 抗原抗体的分子比对抗原抗体形成免疫复合物的影响

无论抗原过剩还是抗体过剩都不能形成大的免疫复合物，只有抗原抗体的分子比例合适即等价带时才能形成大的免疫复合物