第十三章 抗原抗体反应
岳 华
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抗原与相应抗体的特异性结合反应称为抗
原抗体反应 (antigen-antibody reaction)。
抗原抗体反应既可在体内作为体液免疫应答的
效应机制自然发生,也可在体外作为免疫学实
验的结果出现。在体内,可表现为溶菌、杀菌、
促进吞噬或中和毒素等作用,有时亦可引起免
疫病理损伤,在体外,依相应抗原物理性状
(颗粒状或可溶性 )以及反应的条件 (电解质、
补体等 )不同,可出现凝集、沉淀、细胞溶解
和补体结合等反应。
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概述
本章叙述的抗原抗体反应, 主要是指抗原
和抗体在体外结合所表现的反应 。 由于抗体主
要存在于血清中, 并且临床上多用血清做试验,
所以体外实验中的抗原抗体反应曾称作血清学
反应 ( serological reaction)。 但是随着免
疫学的发展, 血清学的含义已不能概括目前的
研究内容, 现在多以抗原抗体反应代替血清学
反应一词 。
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第一节 抗原抗体反应原理
抗原抗体结合反应是抗原决定簇和抗体分子
超变区之间的相互作用,是一种分子表面的特
异的可逆的弱结合力。这些弱结合力只能在极
短距离内才能发生效应。因此抗原抗体结合反
应的最重要的先决条件是抗原与抗体间的特定
部位的空间结构必须相互吻合,具有互补性 ;其
次,抗原决定簇与抗体超变区必须紧密接触,
才能有足够的结合力,使抗原抗体分子结合在
一起。
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一、抗原抗体结合力
抗原和抗体的结合虽然是互补性的特异性结
合,但并不形成牢固的共价键,只是通 过非共
价键结合,结合方式类似蛋白质和细胞受体或
酶与底物之间的结合。抗原与抗体这种弱的结
合力涉及下列几种分子间的作用力。
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l,静电引力
抗原和抗体分子带有相反电荷的氨基和羧基
基团之间相互的引力,称为静电引力,又称库
伦引力 。例如,抗体分子上带电荷的碱性氨基
酸的游离氨基 (--NH3+和酸性氨基酸的游离羧基
(— COO--可与抗原分子上带相反电荷的对应基
团相互吸引。这种引力的大小与两个相互作用
基团间的距离的平方成反比。
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2.范德华引力
抗原和抗体相互接近时,由于分子的极化作
用而出现的引力,称范德华引力。结合力的大
小与两个相互作用基团的极化程度的乘积成正
比、与它们之间距离的 7 次方成反比,键能
约为 4.2---12·5kJ/mol 。这种引力的能量小
于静电引力。
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3.氢键结合力
供氢体上的氢原子与受氢体原子间的引力。
在抗原抗体反应中,羧基、氨基和羟基是主要
供氢体,而羧基氧、羧基碳和肽键氧等原子是
主要受氢体,能的大小取决于方向即氢键具有
高度的方向性,因此范德华力更具有特异性。
氢键结合力与供氢体和受氢体之间距离的 6次
方成反比,键能约 20·9kJ/mol 。
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4.疏水作用力
两个疏水基团在水溶液中相互接触时, 由
于对水分子排斥而趋向聚集的力称为疏水作用
力, 或称为疏水键 。 当抗原抗体反应时, 抗原
决定簇与抗体上的结合点靠近, 互相间正, 负
极性消失, 由静电作用形成的亲水层立即失去,
从而促进抗原与抗体的相互吸引而结合 。 疏水
作用力在抗原抗体反应中的结合是很重要的 。
提供的作用力最大, 约占总结合力的 50%。
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二、抗原抗体亲和性
抗原与抗体的结合受多种因素的影响, 为了
较妥当地表示抗原与抗体结合力的大小, 在免
疫化学中, 一般用亲和性 与亲和力两个术语表
示 。 亲和性是指抗体分子上一个抗原结合点与
对应的抗原决定簇之间的相适性而存在着的引
力, 这是抗原与抗体之间固有的结合力 。 亲和
力是指反应系统中复杂抗原与相应抗体之间的
结合能力 。
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亲和力与亲和性有关,也与抗体的结合价
和抗原的有效决定簇数目相关。例如,IgG为
两价,其亲和力为单价的 l03倍 ;而 IgM为 5~ 10
价 ;其亲和力为单价的 107倍。亲和力越大,抗
原抗体结合越牢固。而在单克隆抗体反应系统
中,只有某些决定簇起作用,因此,单克隆抗
体与相应抗原的亲和力相对较弱。
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抗体与抗原结合是可逆的反应, 在平衡对其
亲和常数
K= 抗原抗体复合物浓度
游离抗原浓度 × 游离抗体浓度
K代表抗体结合抗原的亲和力 。 K值大的抗
体与抗原牢固结合, 不易解离, 称该抗体有
高亲和力 。
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三、亲水胶体转化为疏水胶体
抗体和大多数抗原同属蛋白质 。 在通常的
血清学反应条件下均带有负电荷, 使极化的水
分子在其周围形成水化层, 成为亲水胶体, 因
此蛋白质不会自行凝集出现沉淀 。 当抗原与抗
体结合后, 表面电荷减少, 水化层变薄 ;而且
由于抗原抗体复合物形成后, 与水接触的表面
积减少, 由亲水胶体转化为疏水胶体 。 此时在
电解质 (如 NaCl,的作用下, 使各疏水胶体之
间进一步靠拢, 沉淀, 形成可见的抗原抗体复
合物 。
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第二节 抗原抗体反应的特点
一、特 异 性
特异性 (speecificity)是指任何一种抗原
分子,只能与由它刺激所产生的抗体结合而起
反应的专一性能。特异性是抗原抗体反应的最
重要特征之一,是由抗原决定簇和抗体分子超
变区之间空间结构的互补性决定的。抗体分子
N端可变区形成大小约为 3nm× 1.5nm× 0.7nm的
槽沟,其中超变区氨基酸残基的变异性使槽形
状千变万化,只有与其空间结构互补的抗原决
定簇才能如楔状嵌入,其关系如锁和钥匙,因
此,抗原抗体结合反应具有高度特异性。
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这种高度的反应特异性是一切抗原抗体反
应的主体, 所以在传染病的诊断, 防治等医学
和生物学领域都已得到了广泛的应用 。
多数的天然抗原物质的构成十分复杂,如
微生物抗原,常含有多个不同的抗原决定簇。
如果两种不同的抗原物质具有部分相同或类似
结构的抗原决定簇,则可与彼此相应的抗血清
出现交叉反应
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二,比 例 性
比例性是指抗原与抗体发生可见反应需遵循一
定的量比关系, 只有当二者浓度比例适当时, 才出现
可见反应 。 以沉淀反应为例, 在加入固定量抗体的一
排试管中再依次加入一定体积的递增浓度的抗原进行
反应时, 发现随着抗原浓度的增加, 沉淀很快大量出
现, 但超过一定范围之后, 沉淀速度和沉淀量随抗原
浓度增加反而迅速降低, 甚至到最后不出现沉淀 。 沉
淀反应的速度反映了参加反应的抗原和抗体浓度的适
合程度, 适合程度高反应快, 反之则慢 。 通常把最迅
速出现沉淀时的抗原抗体的浓度比或量比称为抗原抗
体反应的最适比 。
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实验证明,在同一抗原抗体反应系统中,
不管抗原和抗体浓度如何变化,其沉淀反应的
最适比始终恒定不变 (如表抗原与抗体浓度的
最适比始终是 1:4)。最适比亦称为抗原抗体反
应的等价点。
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在最适比反应条件下, 抗原抗体几乎全部
结合形成沉淀物, 上清液中基本无游离的抗原
和抗体 。 当抗原和抗体浓度比超过此范围时,
沉淀速度和沉淀最都会迅速降低, 甚至不出现
沉淀 。 抗原与抗体分子比例合适的范围称为抗
原抗体反应的等价带 ;因抗原抗体比例不合适
而不出现可见反应, 称抑制带 。 其中抗体过量
时, 称为前带 ;抗原过量时, 称为后带 。
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抗原抗体反应比例性的机制,可用网格学
说加以说明。因为天然抗原大多是多价的,抗
体至少为两价,当抗原与抗体在等价带结合时,
相互交叉连接成具有立体结构的网格状复合体,
形成肉眼可见的沉淀物。当抗原或抗体过剩时,
由于过剩方的结合价得不到饱和,只能形成小
网格复合物,并存在有较多游离的抗原或抗体。
该学说已得到电子显微镜观察的有力支持。但
是,当抗原或抗体为单价,不管抗原与抗体的
量比关系是否合适,均不能出现可见反应现象。
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三、可逆性
可逆是指抗原与抗体结合成复合物后, 在一
定条件下可解离为游离抗原与抗体的特性 。 由
于抗原抗体反应是分子表面的非共价键结合,
所形成的复合物并不牢固, 在一定条件下 (如低
pH,高浓度盐等 )可以解离 。 常用于解离抗原抗
体复合物的物质有 3mol/L硫氰化钾, 7mol/L尿
素, pH2· 4,0·lmol/L 甘氨酸等 。 解离后的抗
原或抗体分子, 仍保持原来的理化特性及生物
学性状 。
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四、敏感性
抗原抗体反应具有高度的敏感性,不仅可以
定性,而且可以定量。其敏感度大大超过目前
所有化学方法。其敏感度因反应种类不同而异。
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五、抗原抗体反应的二阶段性
第一阶段为抗原抗体特异性结合阶段,反应
速度快,几秒钟或几分钟即可完成,但不出现
肉眼可见反应。第二阶段为可见阶段,表现为
凝集、沉淀、补体结合等反应,本阶段有两个
特点,一是反应进行慢,需要几分钟、几十分
钟或更长。其二是受电解质、温度、酸碱度等
多种因素影响。
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第三节 抗原抗体反应影响因素
影响抗原抗体反应的因素较多, 主要有两方
面,一方面是受到抗原, 抗体的自身因素的影响 ;
另一方面是受到电解质, 酸碱度, 温度及时间
等实验环境因素的影响 。
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一、应物自身因素
1、抗原 抗原的理化性状、抗原决定簇的
数目和种类均可影响血清学反应结果
例如,可溶性抗原与相应抗体反应出现沉淀,
而颗粒性抗原与相应抗体反应则出现凝集 ;单价
抗原与抗体结合不出现可见反应 ;粗糙型细菌在
生理盐水中易出现自凝;红细胞与 IgG类抗体结
合不出现直接凝集等。
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抗体是血清学反应中的关键因素, 对反应的影响
表现在以下三个方面,
(1)来源,来自不同动物的免疫血清,其反应性有
差异。家兔等大多数动物的免疫血清具有较宽
的等价带,通常在抗原过量时才易出现可溶性
免疫复合物 ;马等大动物和人的免疫血清等价
带较窄,少量的抗原或抗体过剩,均可形成可
溶性免疫复合物 ;家禽免疫血清不能结合哺乳
动物的补体,并且在高盐浓度( 80g/L NaCl溶
液中沉淀现象明显。单克隆抗体一般不适用于
沉淀反应或凝集反应。
2、抗体
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(2)特异性与亲和力,
特异性和亲和力是影响血清学反应的两个关
键因素, 它们共同影响试验结果的准确程度 。
免疫动物早期获得的抗血清特异性较好, 但亲
和力低 ;后期获得的抗血清一般亲和力较高, 但
长期免疫易使免疫血清中抗体的类型和反应性
变得更为复杂 。 因此, 用于诊断的试剂必须尽
量选用特异性高, 亲和力强的抗体, 才能保证
和提高试验结果的可靠性 。
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( 3)浓度,
抗体的浓度往往是与抗原相对而言。合适
的浓度才出现明显的反应现象。因此许多试验
应进行抗体预滴定,找出最适反应浓度。
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二、环境条件
l.电解质 抗原抗体结合后由亲水性变为疏水性, 此
时易受电解质影响, 如有适当浓度电解质存在, 就
会使抗原抗体失去一部分电荷而相互凝集或沉淀,
出现可见反应 ;若无电解质存在, 则不出现可见反应 。
通常在血清学试验中, 以 8· 5g/LNaCl溶液作为抗原
抗体的稀释液及反应液, 其中 Na+和 Cl-可分别中和
胶体颗粒上的电荷, 使胶体颗粒的电势下降, 形成
可见的沉淀物或凝集物 。 但如果电解质浓度过高,
则会出现非特异性蛋白质沉淀, 即盐析 。 补体参与
的溶细胞反应, 除需要等渗的 NaCl溶液外, 还需适
虽的 Mg2+和 Ca2+离子参与 。
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2.酸碱度 合适的 pH是抗原抗体反应的必要条
件之一。血清学试验一般以 pH6--9为宜,超出
此范围可影响抗原和抗体的理化性质,导致假
阳性或假阴性结果。当 pH为 3左右时,接近细
菌抗原的等电点,可出现非特异性酸凝集,造
成假象。
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3.温度 抗原抗体反应一般在 15一 40℃ 范围内
均可进行, 最适温度为 37℃ 。 在此范围内温度
越高, 分子运动速度加快, 增加抗原抗体接触
机会, 反应速度越快, 但亦容易引起复合物解
离 ;温度越低, 反应速度缓慢, 但抗原抗体结合
牢固, 易于观察 。 某些特殊的抗原抗体反应需
要特定的温度, 如冷凝集素在 4℃ 时与红细胞结
合, 20℃ 以上反而解离 。
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4、作用时间
抗原抗体反应应有足够的时间,不同反应
时间不同。
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此外,抗原抗体反应在液相中反应时,适当
振荡与搅拌,也可促进抗原抗体分子的接触,
加速反应。
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第四节 抗原抗体反应类型
现代免疫学技术发展很快,在经典血清学试
验方法基础上,新的免疫学测定方法日益增多,
使方法的敏感性、特异性和稳定性都有不同程
度的提高,检测目的物也越来越多。根据抗原
抗体反应所产生的现象和结果的不同,把抗原
抗体
反应分为 5种类型,
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① 可溶性抗原与相应抗体结合所产生的沉淀反应
(precipitation);
②颗粒性抗原与相应抗体结合所发生的凝集反应
(aggluhnation);
③ 抗原抗体结合后激活补体所致的细胞溶解反应
(cytolyssis)
④ 细菌外毒素或病毒与相应抗体结合所致的中和反应
(neutralization);
⑤ 免疫标记的抗原抗体反应。每种反应类型都包括若
干实验技术。
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