Caratteristiche generali della struttura molecolare degli anticorpi

Un opportunità molto rilevante per ottenere anticorpi di cui studiare la struttura fu la scoperta che i pazienti affetti da mieloma multiplo, un tumore monoclonale delle plasmacellule, spesso hanno nel sangue e nelle urine grandi quantità di anticorpi identici da un punto di vista biochimico. Gli immunologi osservarono che questi anticorpi potevano essere purificati come proteine omogenee e successivamente analizzati. Inoltre si sviluppò un metodo per rendere immortali le singole cellule che producono anticorpi da un animale immunizzato, mediante la generazione di “ibridomi”, ognuno dei quali produce anticorpi monoclonali con una predeterminata specificità. La disponibilità di popolazioni omogenee di cellule secernenti anticorpi e di plasmacellule immortalizzate (ibridomi) ha permesso la determinazione della sequenza amminoacidica e il clonaggio dei singoli anticorpi. La disponibilità di immunoglobuline monoclonali ha portato infine alla determinazione della struttura tridimensionale dei diversi tipi di anticorpi e dei complessi antigene-anticorpo.
Le glicoproteine plasmatiche vengono tradizionalmente classificate, in base alla loro solubilità, in albumine e globuline, e possono essere ulteriormente distinte in seguito ad una elettroforesi, ossia in base alla loro capacità di migrare in un campo elettrico. A seconda della diversa velocità di migrazione le globuline si separano in gruppi; la maggior parte degli anticorpi migra nelle globuline che costituiscono il terzo gruppo chiamate gammaglobuline (dalla terza lettera dell'alfabeto greco). Un altro termine utilizzato spesso per indicare gli anticorpi è immunoglobuline (Ig), poiché gli anticorpi sono la frazione delle gammaglobuline che conferiscono l'immunità.
Tutti gli anticorpi condividono le stesse caratteristiche strutturali di base, ma mostrano una notevole variabilità nella regione che legano l'antigene. Infatti ogni individuo possiede un milione o anche più di molecole anticorporali diverse, ognuna delle quali con una diversa sequenza amminoacidica unica a livello dei siti di riconoscimento dell'antigene. Le proprietà chimico-fisiche degli anticorpi, invece, dipendono dalle porzioni che non legano l'antigene e sono relativamente costanti. Per questo possiamo dire che una molecola anticorporale ha una struttura simmetrica, composta da due catene pesanti e da due catene leggere identiche. Sia le prime che le seconde contengono una serie di unità omologhe ripetute, ciascuna delle quali di circa 110 amminoacidi, che si ripetono a formare una struttura globulare definita dominio Ig. Quest'ultimo è formato da due foglietti β-planare, ciascuno composto da tre- cinque nastri polipeptidici ad andamento antiparallelo. I due foglietti sono tenuti insieme da un ponte disolfuro e i nastri adiacenti ad ogni foglietto β sono connessi da brevi anse. La struttura amminoacidica di queste anse può essere critica per il riconoscimento dell'antigene.
Sia le catene pesanti sia le catene leggere presentano regioni variabili (V) amino-terminali, che partecipano al riconoscimento dell'antigene, e regioni costanti (C) carbossi-terminali; le regioni C delle catene pesanti sono responsabili delle funzioni effettrici degli anticorpi. Nelle catene pesanti, la regione V è composta da un dominio Ig e la regione C è composta da tre o quattro domini Ig. Ciascuna catena leggera, invece, è costituita da una regione V con un singolo dominio Ig e da una regione C con un singolo dominio Ig. Le regioni variabili sono così chiamate perché contengono dei tratti nella sequenza amminoacidica che distinguono gli anticorpi prodotti da un determinato clone di linfocita B da quelli prodotti dagli altri cloni. La regione V di una catena pesante (VH) si associa alla regione V di una catena leggera (VL) a formare il sito di legame per l'antigene. Le regioni C sono, invece, responsabili della maggior parte delle funzioni biologiche svolte dagli anticorpi. L'estremità carbossi-terminale delle catene pesanti servono inoltre ad ancorare gli anticorpi sulla membrana plasmatica lei linfociti B. Contrariamente, le regioni C delle catene leggere non partecipano alle funzioni effettrici degli anticorpi e non partecipano al loro ancoraggio sulla membrana cellulare.
Ogni catena leggera ha un peso molecolare di circa 24 kD mentre ogni catena pesante pesa 55-70 kD. Le catene leggere e pesanti sono legate tra di loro covalentemente da ponti disolfuro, formati tra i residui di cisteina della parte carbossi-terminale della catena leggera e il dominio CH1 della catena pesante. Inoltre anche le interazioni non covalenti tra i domini VH e VL e tra i domini CL e CH1 contribuiscono all'associazione delle catene pesanti e leggere. In modo analogo, le due catene pesanti di ogni molecola anticorpale sono legate covalentemente da ponti disolfuro (negli anticorpi IgG i legami covalenti sono vicini alla regione chiamata “hinge”, cerniera). Esperimenti fatti da Rodney Porter sono serviti a capire le associazioni tra le catene delle molecole anticorpali e le funzioni delle diverse regioni degli anticorpi. Quando le IgG di coniglio vengono trattate con l'enzima papaina in condizioni di proteolisi limitata, l'enzima agisce a livello della regione a cerniera e taglia le IgG in tre pezzi separati. Due di questi pezzi sono identici tra loro e sono costituiti dalle catene leggere interne (VL e CL) associate al frammento VH-CH1 della catena pesante. Questi frammenti mantengono la capacità di legare l'antigene perché contengono i domini VL e VH appaiati e vengono chiamati Fab (fragment, antigen binding/frammento con il sito di legame per l'antigene). Il terzo pezzo è composto da due polipeptidi identici legati da ponti disolfuro, contenenti i domini CH2 e CH3 della catena pesante. Questi frammenti di IgG tendono ad aggregarsi tra loro e a cristallizzare formando un reticolo. Sono perciò chiamati Fc (fragment, cristallizable/frammento cristallizzabile).