2.5 抗原與抗體的相互作用

抗原與抗體的相互作用是所有免疫化學技術的基礎。抗體作為一種有效的研究工具，需要知道抗體怎樣與相應抗原結合。用蛋白質化學方法來確定抗體和抗原相互作用的連接部位，對抗原抗體反應的動力學與抗體和抗原表位結合的親和力及抗原抗體反應的親和性的研究豐富了抗體分子結構的研究。

抗體的N端與抗原以非共價鍵形式結合，結合后并不改變抗原的共價結構，但這種結合具有高度的專一性，而且會引發免疫系統產生一系列的生理效應。

抗原-抗體共結晶的X射線晶體衍射研究證明，抗原結合位點是由重鏈和輕鏈的可變區構成。這兩個可變區緊密相連并通過非共價鍵相互作用而結合。重鏈和輕鏈的剩余部分不參與抗原結合的其他功能區，但該區與抗體介導的免疫效應有關。形成抗原結合位點的氨基酸源于重鏈和輕鏈，并與決定蛋白質序列的超變區氨基酸一致，稱為互補決定區（CDR）。有六個互補決定區，其中三個在重鏈，三個在輕鏈，互補決定區形成抗原抗體作用的結合位點。

某些抗原-抗體復合物中抗體或抗原的結構未發生改變，而另一些則出現巨大變化。在溶菌酶-抗體復合物結晶的結構中，抗原或抗體都沒有發生改變，而42在神經氨酸酶-抗體復合物結晶的結構中則顯示出抗原和抗體兩者都發生了結構的改變。

抗原抗體的結合完全依靠非共價鍵的相互作用，并且抗原-抗體復合物和游離成分保持動態平衡。免疫復合物依靠抗原和抗體之間精確排列的弱相互作用的結合從而維持穩定。

非共價鍵的相互作用包括氫鍵、范德華力、電荷作用和疏水性作用。這些相互作用可以發生在側鏈或者多肽鏈的主干之間。

抗原與抗體相互作用的特點有：

1．特異性

抗原決定簇和抗體的抗原結合位點之間以非共價鍵方式相互作用，二者在空間上必須處于緊密接觸狀態才能產生足夠的結合力，分子間的互補結構決定了抗原抗體結合的特異性。抗原結構的微小改變能夠顯著影響抗體抗原相互作用的強度。在接觸面失去單個氫鍵可以使相互作用的強度減低1000倍。所有的相互作用都是在接觸面吸引和排斥作用的平衡之間進行的。結合位點氨基酸殘基的改變也能改變抗原抗體相互作用的強度。

2．抗原和抗體結合的可逆性

親和力（avidity）用于測定表位和抗體結合的強度。抗原和抗體以非共價鍵結合是可逆的，相互作用的強度可以描述為平衡反應。如果[Ab]=游離的抗體結合位點的物質的量濃度，[Ag]=游離的抗原結合位點的物質的量濃度，[Ab-Ag]=抗原-抗體復合物的物質的量濃度，則親和常數Kaff=[Ab-Ag]/[Ab][Ag]。達到平衡的時間取決于擴散率，高親和力的抗體在較短時間內比低親和力抗體能結合較大量的抗原。高親和力抗體在所有免疫化學技術中使用效果較好，這與其有較高的活性，而且和復合物的穩定性有關。例如，高親和力的抗體與小分子蛋白抗原結合的解離半衰期為30min或更長時間，而低親和力抗體的解離時間只有幾分鐘或更短。抗體抗原相互作用的親和力有很大的差異，抗體抗原相互作用的親和常數受溫度、pH和溶劑的影響，這些條件的改變，在達到反應平衡時可以發現抗原-抗體復合物的數量增加或減少，促使反應向完全結合方向發展或者使結合的抗原發生解離。可以根據此性質，利用親和層析法分離純化抗原或抗體。

3．抗原和抗體反應中量的關系

親和性（affinity）是指抗原-抗體復合物的整體穩定性。抗體抗原相互作用的整體強度受三個因素的控制：抗體對表位的內在親和力、抗體和抗原的結合價以及參與反應成分的立體結構。所有天然抗體都是多價的，IgG和多數IgA是2價，IgM為10價。抗原可以是多價的，也可以是單價的。多價相互作用可以顯著地穩定免疫復合物（圖2.24）。如果多價抗原在試管中與特異性抗體混合，可以形成免疫復合物。在抗原和抗體的濃度合適的情況下，即等價帶（zone of equivalence）時，抗原和抗體分子間通過非共價鍵廣泛交聯形成大的免疫復合物。如果抗原過剩，由于抗原和抗體結合的可逆性，自由的抗原會置換已經結合的抗原，使已經結合抗原的抗體解離，不能形成大的免疫復合物；同樣，如果抗體過剩，自由的抗體會置換已經結合的抗體，使已經結合抗體的抗原解離，也不能形成大的免疫復合物（圖2.25）。