16. 항체의 분자 구조

항체의 분포

적응면역반응은 림프구에 의한 항원의 특이적 인식에 의해 시작됩니다. 우선 B 림프구의 항원 수용체이며 작동 분자인 항체의 구조와 이들의 항원 인식 방법에 관해 설명하려고 합니다. 항체는 생체 체액 전반에 걸쳐 분포하고 있으며 몇 가지 세포 표면에서도 발견됩니다. 항체분자를 생산하는 세포는 B 림프구뿐입니다. B 림프구에서 항체는 세포질 세망과 골지체, 세포막 표면에 존재하는 내재성 막단백질입니다. 분비형 항체는 주로 혈장과 점막 분비액에 존재합니다. B 림프구에 의해 합성되고 분비된 항체는 수용체를 가진 단핵구, 자연살해세포 그리고 비만세포와 같은 다른 면역 작동 세포들의 표면에도 결합되어 있습니다.

항체의 분자 구조

혈장 또는 혈청 당단백질은 용해도에 따라 알부민과 글로불린으로 나누어집니다. 대부분의 항체는 글로불린 중에서 이동도가 빠른 세 번째 감마글로불린 그룹에 포함되어 있음을 확인하였습니다. 항체를 뜻하는 또 다른 명칭은 면역글로불린(immunoglobulin, Ig)인데, 감마글로불린 분획 중에서 면역성이 부여되는 부분을 지칭하는 명칭입니다. 모든 항체분자는 기본적으로 같은 구조적 특징을 갖고 있으나 항원과 결합하는 부위에서 변화가 아주 심한 부분이 존재합니다. 이런 다양한 변화는 구조적으로 다양하고 수많은 종류의 항원과 결합할 수 있는 항체의 수용력을 나타냅니다. 반면에 항체의 작동 기능과 공통적인 물리화학적 성질은 항체 분자들 사이에 비교적 변화가 심하지 않은 부분, 즉 항원 결합과 관계가 없는 부분과 연관되어 있습니다.

항체는 두 개의 동일한 경쇄와 두 개의 동일한 중쇄로 구성되는 공통된 구조를 가지고 있습니다. 경쇄는 약 24 kD이며, 중쇄는 55~70 kD입니다. 경쇄와 중쇄 사이에는 이황화 결합에 의해 서로 결합되어 있으며, 두 가닥의 중쇄 사이에도 역시 이황화 결합에 의해 서로 결합되어 있습니다. 경쇄와 중쇄 모두 일련의 반복적이며 상동적인 단위 즉 각기 독립적인 형태로서 110개의 아미노산으로 구성된 면역글로불린 영역을 가지고 있습니다. 한 개의 면역글로불린 영역은 반대 방향으로 평행한 폴리펩타이드 사슬 3~5줄이 한 층을 이루면서 두 층의 β-병풍 구조를 가지고 있습니다. 면역계에서 중요한 많은 다른 단백질도 면역글로불린의 아미노산 서열과 일치하는 아미노산 서열 그리고 같은 병풍 구조를 가진 영역들을 가지고 있습니다. 두 중쇄와 경쇄는 항원을 인식하는 N-말단의 가변(V) 영역과 C-말단의 불변(C) 영역으로 구성되어 있습니다. 중쇄의 V 영역은 한 개 그리고 C 영역은 3개 내지 4개의 영역으로 구성되어 있습니다. 경쇄의 V 영역은 한 개 그리고 C 영역도 한 개의 영역으로 이루어져 있습니다. V 영역은 서로 다른 B 림프구 클론에서 생산된 항체들을 구분할 수 있는 아미노산 서열이 변화된 영역을 포함하고 있기 때문에 붙여진 이름입니다. 각 항체분자의 핵심 구조 단위가 두 가닥의 중쇄와 경쇄로 구성되어 있어서 두 개의 항원 결합 부위를 갖게 됩니다. 한 가닥의 중쇄 V 영역(VH)은 한 가닥의 경쇄 V 영역(VL)과 대면 구조를 이루며 항원 결합 부위를 형성하기 위해 삼차원 공간을 형성하고 있습니다. 항원과 결합하는 이 분절의 아미노산 서열이 항원의 아미노산 서열과 서로 상보적이기 때문에 상보성 결정 부위(complementarity-determining regions: CDRs)라고도 부릅니다. CDR들은 돌출된 고리 구조를 나타내어 항체 표면에 노출되어 있고 항원과 상호작용하는 데 이용되는 구조로 이루어져 있습니다. 항체분자에서 CDR 사이의 아미노산 서열의 차이는 독특한 화학구조를 이루면서 돌출된 고리 구조로 표면에 노출되어 각 항원에 대해서 다른 특이성을 나타내게 됩니다. Ig 영역을 형성하는 것은 V 영역의 CDR들과 보존된 아미노산 서열을 가지고 있는 바로 인접해 있는 골격 부위에 의해 결정됩니다. 많은 항체 사이에 변화성이 있음에도 불구하고 모든 항체분자들이 기본 구조를 유지하고 있는 것은 세 군데의 짧은 CDR에서만 아미노산 서열의 변화가 국한되어 있기 때문입니다. C 영역은 항원 결합 부위와 떨어져 있고 항원 인식에는 참여하지 않습니다. 항체분자는 중쇄 C 영역의 구조적 차이에 근거하여 종이 나눠집니다. 항체의 종은 동형(isotype)이라고도 하며, 여기에는 IgA, IgD, IgE, IgG 그리고 IgM이 있습니다. 어떤 한 종류의 동형은 모든 항체분자 중쇄의 불변 부위의 아미노산 서열은 같지만 다른 동형과는 다릅니다. 항체는 다른 숙주에 투여했을 때 항원으로 작용하여 항-항체를 생성합니다. 한 종의 동물에 다른 종의 Ig를 면역함으로써 어떤 Ig 종에 대한 특이 항-항체 생산이 가능하며, 이들 항-항체는 임상에서나 체액성 면역 실험에 일상적으로 사용됩니다. 중쇄의 C 영역은 다른 작동 분자, 면역계의 다른 세포 표면 수용체와 결합하여 항체의 많은 생물학적 기능을 담당합니다. 따라서 동형별로 다른 작동 기능을 갖고 있습니다. 중쇄 C-말단에 소수성 측쇄를 가진 아미노산과 염기성 아미노산을 포함하고 있으면 B 림프구의 세포막에 있는 막 결합 항체를 막에 고정할 수 있습니다. 반면에 분비형 항체는 중쇄 C-말단에 친수성 아미노산 잔기를 가지고 있습니다. 경쇄의 C 영역은 작동 기능에 참여하지 않고 세포막에도 부착하지 않습니다. 항체분자는 유연하여 다가항원에 있는 서로 다른 부위에 동시에 결합할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 모든 항체는 적어도 두 개의 항원 결합 부위를 가지고 있습니다. 두 개 이상의 항원 결합 부위가 한 세포의 두 항원 분자와 동시에 결합할 수 있는데, 이는 동형 항체 내의 불변 부위 사이의 경첩 부위에 의해 생기는 유연성 덕분입니다. 또한 이러한 유연성은 IgG를 더욱 세분화할 수 있게 만드는 요인입니다.

항체 분자의 합성, 조립 및 발현

항체의 중쇄와 경쇄는 대부분의 분비 또는 막단백질과 같이 세포질 세망 내의 막 결합 리보솜에서 합성됩니다. 합성된 항체는 세포질 세망에 존재하는 샤페론이라는 단백질에 의해 Ig의 중쇄의 꼬임과 경쇄와의 조립이 정확히 조절되어 이루어집니다. 칼네킨 그리고 BiP(결합단백질)라 불리는 이 단백질들은 새로 합성된 Ig에 결합하여 적절하게 Ig로 꼬이지 않았거나 조립되지 않았으면 그 상태를 유지하거나 파괴되도록 합니다. 중쇄와 경쇄의 공유결합은 이황화 결합에 의해 이루어지며, 탄수화물과의 복합체 형성(N-당화)도 역시 세포질의 세포질 세망 내에서 일어납니다. 조립 후 Ig 분자는 골지복합체로 들어가서, 당은 변화되고 항체는 세포막으로 이동됩니다. 여기서 항체분자는 세포막에 정착하거나, 세포 h이 유출되기도 합니다. 항체에 결합되는 다른 단백질도 함께 조절됩니다. 예를 들면 분비형 IgA와 IgM 항체는 J 사슬에 의해 다량체를 형성합니다. 이런 종류의 항체를 생산하는 세포에서 Ig 중쇄와 경쇄 유전자의 전사는 J 사슬 유전자 전사와 보조를 맞추어 이루어집니다. 골수 전구세포로부터 B 세포로의 B 림프구의 성숙과 분화는 Ig 유전자 발현 과정의 특이적인 변화에 의해 수행되어 결국 다양한 Ig 분자가 생성됩니다. B 림프구 계열의 초기 세포인 pre-B 림프구는 막형 중쇄를 생합성 하여 pre-B 림프구 세포 수용체를 형성합니다. 미성숙과 성숙 B 림프구는 경쇄를 생성하고 세포 내에서 분해되지 않도록 중쇄와 공유 결합하여 조립됩니다. 이 조립은 세포 내 분해로부터 중쇄를 보호하며 세포 표면으로 IgM이 발현되도록 합니다. 성숙한 B 세포는 막형의 IgD와 IgM을 발현합니다. 이러한 막형 Ig 수용체는 항원을 인식하는 세포 표면 수용체로 작용하며, B 세포 활성화를 시작하게 합니다. B 세포 항원 수용체는 두 개의 다른 막단백질인 Igα 그리고 Igβ와 비 공유적으로 결합되어 있는데, 이들은 신호전달 기능을 담당하며 IgM과 IgD의 세포 표면 발현에 필수적입니다. 성숙 B 세포가 항원이나 다른 자극에 의해 활성화되었을 때 이 세포는 분비형 Ig로 분화합니다. 또한 중쇄 동형전환이라고 하는 IgM이나 IgD와는 다른 동형 Ig 중쇄로 발현되는 변화도 일어납니다.

 

항체분자의 구조적 특징과 발현에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 항원-항체 결합에 대해 알아보도록 하겠습니다.