Anticuerpos, estructura y propiedades

Con la colaboración del Lic. Juan Barrolleta

Los microorganismos extracelulares y los antígenos solubles que han superado los obstáculos desplegados por la inmunidad innata, inducen la activación de los mecanismos efectores de la inmunidad adaptativa de tipo humoral. Para ello es necesario que sus componentes celulares y moleculares (linfocitos B y anticuerpos, respectivamente) reconozcan determinantes antigénicos presentes en los microbios y demás sustancias extrañas y generar células plasmáticas productoras de anticuerpos o inmunoglobulinas.

Durante el desarrollo de una respuesta inmunitaria, los anticuerpos participan en dos de sus fases. En la fase de reconocimiento, al formar parte del receptor de las células B localizado en su membrana plasmática, donde participan en el reconocimiento del antígeno y confieren especificidad antigénica a la célula linfoide. Los anticuerpos, también se encuentran en el suero, en diversos  líquidos tisulares, y en la superficie de las mucosas donde sirven como efectores de la inmunidad humoral, al neutralizan toxinas e impedir la entrada y/o la propagación de microorganismos infecciosos. 

Además de la unión al antígeno, las inmunoglobulinas participan en una serie de actividades biológicas secundarias que son fundamentales para la defensa del anfitrión; entre ellas puede mencionarse la opsonización, la activación del complemento o la inmunidad del recién nacido al cruzar la barrera placentaria. Es por ello que los anticuerpos son considerados moléculas bifuncionales. En este “post” describiré la estructura y propiedades biológicas de los anticuerpos.

Los anticuerpos son gammaglobulinas

Los anticuerpos son glucoproteínas producidas por los vertebrados en respuesta a la exposición a estructuras ajenas o extrañas llamadas antígenos. También son llamadas inmunoglobulinas refiriéndose a la fracción de proteínas séricas que confiere la inmunidad. Tiselius y Kabat en 1939, sometieron a electroforesis dos alícuotas de una muestra de suero de conejos previamente inmunizados con ovoalbúmina. En una de las alícuotas identificaron cuatro picos, uno correspondiente a la albúmina y tres a las globulinas (α, β y γ) (Figura 1). La otra alícuota fue mezclada previamente con ovoalbúmina y centrifugada para eliminar los precipitados observados; los resultados de la electroforesis mostraron una disminución de la fracción γ. Los hallazgos de estos investigadores permitieron ubicar a los anticuerpos en la fracción γ de las globulinas; aunque en la actualidad se ha demostrado que algunos anticuerpos también pueden encontrarse en las otras fracciones de las globulinas. 

Figura 1: Electroforesis de las proteínas séricas. La figura describe el procedimiento básico que permite separar las proteínas del suero en sus diferentes fracciones. Las inmunoglobulinas (o globulinas inmunes) se ubican predominantemente en la fracción gamma (γ) de las globulinas 

Todos los anticuerpos comparten características en su estructura básica

Los anticuerpos son glucoproteínas y desde el punto de vista estructural, son heterodímeros pues están constituidos por dos tipos de polipéptidos: a) cadena ligera (L) de aproximadamente 220 aminoácido y con un peso molecular de 25 kD y b) cadena pesada (H) con un peso molecular de 50 kD y de aproximadamente 440 aminoácidos. Cada anticuerpo tiene dos cadenas ligeras idénticas y dos cadenas pesadas también idénticas; de modo que la fórmula de cualquier anticuerpo sería H2L2. Las cadenas pesadas están unidas entre sí por puentes disulfuro intercatenarios y una cadena pesada está unida a una cadena ligera por un puente disulfuro intercatenario. 

Las cadenas pesadas y ligeras de anticuerpos diferentes varían mucho en su secuencia de aminoácidos, dicha variabilidad se concentra en la porción amino terminal de cada cadena; está región se conoce como región variable (V) y es responsable del reconocimiento del antígeno (Figura 2). Las regiones variables contienen tres regiones formadas por unos pocos aminoácido (aproximadamente diez) que muestran un altísimo grado de variabilidad y se denominan regiones hipervariables, los aminoácidos de la región hipervariable de ambas cadenas de la inmunoglobulina establecen “contacto” (enlaces no covalentes) con el antígeno. En vista de la complementariedad observada entre el epítope y la región hipervariable también se le conoce como regiones determinantes de complementariedad (CDR, del inglés complementarity-determining region) (Figura 2). El resto de ambos tipos de cadena muestra una variación mucho menor en la secuencia aminoácido entre anticuerpos diferentes y por ello se describe como región constante (C).

Figura 2. Representación esquemática de un anticuerpo. Los anticuerpos están compuestos por una unidad básica de cuatro cadenas polipeptídicas: dos cadenas ligeras idénticas (en verde) y dos cadenas pesadas (más largas) idénticas (en azul). El hidrato de carbono (en rojo) está unido a las cadenas pesadas. La figura muestra la ubicación de las regiones variable, la región hipervariable y la región constante de las cadenas pesadas y ligeras de un anticuerpo

Ambas cadenas (pesadas y ligeras) están plegadas en una serie lineal de dominios de proteína compactos y estabilizados por puentes disulfuro intracatenarios, de 100 a 110 aminoácidos de longitud denominados dominios Ig (Figura 3). Es importante aclarar que los dominios Ig no son exclusivos de los anticuerpos, están presentes en otras proteínas, con particular frecuencia se han descrito en varias proteínas de membrana y secretadas del sistema inmunitario. Estas proteínas forman en conjunto la superfamilia de las Igs. Las cadenas ligeras están formadas por dos dominios, el primero ocupa toda la región variable y corresponde al dominio VL y el segundo es el dominio constante de la cadena ligera o CL que se corresponde con la región constante de la cadena ligera. En forma similar a lo descrito para la cadena ligera, la región variable de la cadena pesada se corresponde con el dominio variable de la cadena pesada (VH) y la región constante de la cadena pesada contiene tres o cuatro dominios constantes (CH1, CH2 y CH3).

Figura 3. Las cadenas ligeras y pesadas de los anticuerpos están formadas por una serie de dominios de proteína similares (dominios Ig). Las cadenas ligeras tienen un dominio variable (VL) y un dominio constante (CL), las cadenas pesadas tienen un dominio variable (VH) y tres o cuatro dominios constantes (CH1, CH2 y CH3). La región bisagra confiere en gran medida, la flexibilidad de la molécula y se localiza entre los dominios CH1 y CH2 

Cada dominio VH siempre está ubicado adyacente a un dominio VL, juntos forman el sitio de unión al antígeno y se llama zona combinante o paratope; cada inmunoglobulina tiene dos lugares de unión al antígeno separados pero idénticos, por lo que cada anticuerpo es bivalente (o divalente) con respecto al enlace de antígeno. La especificidad al antígeno de una determinada inmunoglobulina está determinada por las secuencias combinadas de sus dominios VH y VL. 

Cada dominio CH1 interactúa de cerca con el dominio CL y casi siempre están enlazado covalentemente por uno o más puentes disulfuros intercatenarios. Cada uno de los dominios de cadena pesada restantes se alinea con su contraparte de cadena pesada opuesta y pueden estar unidos por uno o más puentes disulfuro intercatenarios. En términos generales, la inmunoglobulina puede adoptar una configuración de “Y” o de “T”; el cuello de la “Y” o de la “T”, localizado entre los dominios CH1 y CH2 se llama región bisagra (Figura 3), la estructura secundaria de esta región es laxa lo que le confiere gran flexibilidad a la estructura y permite que los “brazos de la Y o de la T” se muevan con relativa libertad. 

Como ya se mencionó, las regiones variables de las cadenas ligeras y pesadas de las inmunoglobulinas determinan la especificidad antigénica de una inmunoglobulina. En comparación, la variabilidad en la secuencia de aminoácidos de las regiones constante de las cadenas pesadas y ligeras es mucho menor. Cada persona produce cinco tipos alternativos (o isotipos) de cadena pesada designados con las letras griegas: gamma, alfa, mu, delta y épsilon (γ, α, µ, δ y ε); estos tipos alternativos se distinguen por sus propiedades serológicas. Las variaciones de las regiones constantes de cadena pesada influyen en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de las inmunoglobulinas y de hecho, las diferencias estructurales observadas en la región constante de la cadena pesada de una molécula de anticuerpo han permitido dividir a las inmunoglobulinas en cinco clases denominadas IgG, IgA, IgM, IgD e IgE (Cuadro 1). 

Cuadro 1. Propiedades fisicoquímicas y biológicas de las diferentes clases de anticuerpo

En los seres humanos, los anticuerpos de clase IgG e IgA presentan pequeñas diferencias en la secuencia de aminoácidos de la cadena pesada, en el tamaño de la región bisagra y en el número y posición de los puentes disulfuro intercatenarios que unen las cadenas pesadas y las cadenas pesadas y ligeras; estas diferencias estructurales han permitido subclasificar a los anticuerpos de clase IgG en cuatro subclases y a los de clase IgA en dos. Las diferentes subclases de IgG en el humano presentan diferencias significativas en sus propiedades fisicoquímicas y biológicas (Cuadro 2). 

Cuadro 2. Propiedades biológicas de las subclases de IgG

Por su parte, las cadenas ligeras han sido clasificadas en dos isotipos: lambda (λ) y kappa (κ) de acuerdo a las diferencias en la secuencia de aminoácidos de su región constante. Cada molécula de anticuerpo presenta cadenas ligeras idénticas; es decir, de tipo κ o de tipo λ, pero nunca una combinación de ambas. Cabe destacar que la secuencia de la región constante de la cadena ligera de un mismo isotipo (Ej.,κ) es idéntica independientemente de la clase de inmunoglobulina a la que pertenezca el anticuerpo. Normalmente, en el ser humano las cadenas ligeras tipo κ se presentan en 60-65% de las inmunoglobulinas; mientras que 35-40% de los anticuerpos posee cadenas ligeras tipo λ (la relación κ/λ es de 1,5) sin embargo, la relación κ/λ puede variar en los casos en que existan tumores de células plasmáticas debido a que el clon neoplásico sintetiza anticuerpos con la misma cadena ligera, modificando la relación κ/λ. Por tal motivo, la cuantificación de los isotipos de cadenas ligeras es utilizada para el diagnóstico de linfomas de células B. 

Los anticuerpos son moléculas bifuncionales

El conocimiento de la capacidad bifuncional de las inmunoglobulinas surge de los estudios de Rodney Porter publicados en 1973. Porter estudió el efecto de la actividad enzimática sobre las moléculas de anticuerpos utilizando papaína y pepsina. Cuando una inmunoglobulina de clase IgG se somete a la acción enzimática de la papaína en condiciones de proteólisis limitada, la enzima escinde al anticuerpo en tres fragmentos, dos de los cuales son idénticos y con actividad de unión al antígeno y por ello se denominan fragmentos de unión al antígeno (o fragmento Fab del inglés, fragment antigen binding); estos fragmentos conservan la cadena ligera completa (dominios VL y CL) asociada a los dominios VH y CH1 de la cadena pesada. El otro fragmento carece por completo de actividad de unión al antígeno y debido a que cristaliza durante el almacenamiento en frío se llama fragmento cristalizable (o fragmento Fc del inglés, fragment crystallizable). El fragmento Fc está formado por dos péptidos idénticos que corresponden a los dominios CH2 y CH3 de la cadena pesada que permanecen unidos por los puentes disulfuros (Figura 4). 

Figura 4. Fragmentos proteolíticos de la digestión de la IgG. En las moléculas de IgG, la región bisagra es el segmento más sensible a la escisión proteolítica. La papaína genera dos fragmentos que se unen al antígeno (o fragmentos Fab) y un fragmento que se une al complemento y a ciertos receptores para Fc presentes en los leucocitos (fragmento Fc) mientras que la pepsina genera un único fragmento bivalente de unión al antígeno (Fab2)

En el fragmento Fab se encuentra localizada la función de reconocimiento e interacción con los determinantes antigénicos (o epítopes) y se comporta como univalente. Aunque el fragmento Fc carece de esta actividad, está relacionado con otras funciones o propiedades inherentes a la estructura global de la inmunoglobulina entre ellas puede mencionarse la fijación del complemento, la capacidad de la inmunoglobulina para atravesar la placenta y la opsonización. 

Cuando la papaína se sustituye por la pepsina se obtiene un único fragmento compuesto por dos unidades similares a Fab denominado Fab2 que posee dos sitios de unión al antígeno, idénticos. El fragmento Fc no se recupera de la digestión con pepsina puesto que es escindido en pequeños fragmentos peptídicos sin ninguna función biológica (Figura 4). 

Los anticuerpos se localizan en los líquidos tisulares y en la membrana de los linfocitos B 

El término anticuerpos secretados se utiliza para hacer referencia a los anticuerpos que se localizan en la sangre y otros líquidos extracelulares mientras que los anticuerpos localizados en la membrana plasmática de las células B se describen como anticuerpos de membrana, estos últimos forman parte del complejo receptor de los linfocitos B. Los anticuerpos secretados y de membrana difieren en la secuencia de aminoácidos del extremo carboxilo terminal de la región constante de cadena pesada (Figura 5). En los anticuerpos secretados la porción carboxilo terminal de las cadenas pesadas es hidrófila. Los anticuerpos de membrana contiene un tramo carboxilo terminal que incluye dos segmentos: una región transmembrana formada por aminoácidos hidrófobos que ayuda a anclar el anticuerpo a la membrana plasmática ya que los aminoácidos con carga positiva interactúan con los fosfolípidos de membrana cargados negativamente; la porción transmembrana se continúa con la cola citoplasmática o región citoplasmática cuya longitud varía según la clase de anticuerpo. 

Figura 5. Los anticuerpos existen en forma secretada o de membrana. Los anticuerpos de membrana tienen cadenas pesadas que contienen regiones transmembrana compuestas por aminoácidos hidrófobos y colas citoplasmáticas cuya longitud difiere de acuerdo con el isotipos de inmunoglobulina. Los anticuerpos secretados poseen cadenas pesadas que contienen aminoácidos hidrófilos

Todas las inmunoglobulinas de membrana y las formas secretadas de IgG, IgE e IgD son monoméricas; es decir están formadas por una unidad básica estructural de cuatro cadenas (dos cadenas ligeras y dos pesadas); sin embargo, las formas secretadas de IgM e IgA son multiméricas o poliméricas y están formadas por dos o más unidades básicas de cuatro cadenas unidas por enlaces covalentes. La IgM puede secretarse en forma de pentámeros y hexámeros formada por cinco o seis unidades básicas estructurales de cuatro cadenas, mientras que la IgA se secreta frecuentemente, como un dímero (Figura 6). Las moléculas multiméricas de IgM e IgA están estabilizadas por un polipéptido adicional de 15 kDa llamado cadena de unión (o cadena J, del inglés joining), que se une mediante un enlace disulfuro al extremo carboxilo terminal de la cadenas pesadas μ o α. Aunque la cadena J no se relaciona estructuralmente con las cadenas pesadas y ligeras del anticuerpo es sintetizada por la célula plasmática secretora de IgM o IgA. 

En las secreciones externas los anticuerpos de clase IgA poseen un componente “extra” llamado componente secretorio. El componente secretorio es una glicoproteína de 70 kD que facilita el pasaje de IgA a través del epitelio y la protege de la acción enzimática. Cabe destacar que esta glicoproteína está vinculada, únicamente con la IgA de las secreciones y a diferencia de la cadena J no es sintetizada por las células plasmáticas secretoras de IgA sino que deriva del receptor que tiene a su cargo el transporte de IgA. El transporte de IgA a través de los epitelios y su papel en la inmunidad de las mucosas lo describiré más adelante.

Figura 6. Las formas secretadas de IgM e IgA son multiméricas o poliméricas. Los anticuerpos de clase IgM e IgA presentes en el suero y en otros líquidos tisulares existen como polímeros formados por dos o más unidades básicas de inmunoglobulina, estabilizadas por puentes disulfuros y cadena J. Sólo la IgA presente en las secreciones externas posee componente secretorio, esta estructura protege y favorece el transporte IgA 

Los anticuerpos de diferentes especies difieren entre sí en las regiones constantes y variables, aunque las mayores diferencias se observan en la región constante. Por lo tanto, cuando se introducen moléculas de inmunoglobulina de una especie en otra (Ej., anticuerpos séricos equinos en humanos), el sistema inmunitario de la especie receptora los reconoce como extraños, monta una respuesta inmunitaria y sintetiza anticuerpos que reaccionan con las regiones constantes de la inmunoglobulina introducida. Los anticuerpos anti-inmunoglobulina pueden ser utilizados en ensayos clínicos con el fin de llevar a cabo el diagnóstico de diferentes patologías o incluso, para llevar a cabo inmunización pasiva; no obstante, en algunos casos, la respuesta puede provocar una enfermedad llamada enfermedad del suero, esto limita la capacidad de tratar sujetos con anticuerpos producidos en otras especies.

También se han descrito pequeñas diferencias en las regiones constantes de cadena pesada y ligera de los anticuerpos entre individuos que pertenecen a la misma especie, estas diferencias se denominan alotipos. Los anticuerpos anti-alotipo son aquellos que reaccionan con los determinantes alotípicos. Por otra parte, las diferencias existentes en las regiones variables del anticuerpo se concentran en los CDR y constituyen los idiotipos de los anticuerpos. Un anticuerpo que reconoce CDR de otro anticuerpo se llama, por tanto, anticuerpo anti-idiotípico.