Система комплемента. Состав и функции

Оглавление

Введение

Система комплемента — комплекс сложных белков, постоянно присутствующих в крови. Это каскадная система  протеолитических ферментов, предназначенная для  гуморальной защиты организма от действия чужеродных агентов, она участвует в реализации иммунного ответа организма. Является важным компонентом как врождённого, так и приобретённого иммунитета.

Компоненты комплемента обозначают буквами латинского алфавита С, В и D с добавлением арабской цифры (номер компонента) и дополнительных строчных букв. Компоненты классического пути обозначают латинской буквой «С» и арабскими цифрами (C1, С2...С9), для субкомпонентов комплемента и продуктов расщепления к соответствующему обозначению добавляют строчные латинские буквы (Clq, СЗb и т.д.). Активированные компоненты выделяют чертой над литерой, инактивированные компоненты — буквой «i» (например, iC3b).

Компоненты системы комплемента

Комплемент — система белков, включающая около 20 взаимодействующих компонентов: С1 (комплекс из трех белков), С2, СЗ, …, С9, фактор В, фактор D и ряд регуляторных белков. Все эти компоненты — растворимые белки с молекулярной массой от 24 000 до 400 000 Д, циркулирующие в крови и тканевой жидкости. Белки комплемента синтезируются в основном в печени и составляют приблизительно 5 % от всей глобулиновой фракции плазмы крови. Большинство из них неактивны до тех пор, пока не будут приведены в действие или в результате иммунного ответа (с участием антител), или непосредственно внедрившимся микроорганизмом. Один из возможных результатов активации комплемента — последовательное объединение так называемых поздних компонентов (С5, С6, С7, С8 и С9) в большой белковый комплекс, вызывающий лизис клеток (литический, или мембраноатакующий, комплекс).

Агрегация поздних компонентов происходит в результате ряда последовательных реакций протеолитической активации с участием ранних компонентов (С1, С2, С3, С4, фактора В и фактора D). Большинство этих ранних компонентов — проферменты, последовательно активируемые путем протеолиза. Когда какой-либо из этих проферментов специфическим образом расщепляется, он становится активным протеолитическим ферментом и расщепляет следующий профермент, и т. д. Поскольку многие из активированных компонентов прочно связываются с мембранами, большинство этих событий происходит на поверхностях клеток. Центральный компонент этого протеолитического каскада — С3. Его активация путем расщепления представляет собой главную реакцию всей цепи активации комплемента. С3 может быть активирован двумя основными путями — классическим и альтернативным. В обоих случаях С3 расщепляется ферментным комплексом, называемым С3-конвертазой. Два разных пути приводят к образованию разных С3-конвертаз, однако обе они образуются в результате спонтанного объединения двух компонентов комплемента, активированных ранее в цепи протеолитического каскада. С3-конвертаза расщепляет С3 на два фрагмента, больший из которых (С3b) связывается с мембраной клетки-мишени рядом с С3-конвертазой; в результате образуется ферментный комплекс еще больших размеров с измененной специфичностью — С5-конвертаза. Затем С5-конвертаза расщепляет С5 и тем самым инициирует спонтанную сборку литического комплекса из поздних компонентов — от С5 до С9. Поскольку каждый активированный фермент расщепляет много молекул следующего профермента, каскад активации ранних компонентов действует как усилитель: каждая молекула, активированная в начале всей цепи, приводит к образованию множества литических комплексов.

Из всех белков системы комплемента в сыворотке крови больше всего СЗ: его концентрация в норме составляет 1,2 мг/мл. При этом всегда имеется небольшой, но значимый уровень спонтанного расщепления СЗ с образованием СЗb и СЗа. Компонент СЗb является опсонином, т.е. он способен ковалентно связываться одним «концом» с поверхностными молекулами некоторых микроорганизмов, а другим — с рецептором на фагоцитах. Кроме того, «осев» на поверхности микробных клеток, СЗb связывает фактор В. Тот, в свою очередь, становитсясубстратом для сывороточной сериновой протеазы — фактора D, который расщепляет его на фрагменты Ва и ВЬ. СЗЬ и ВЬ образуют на поверхности микроба активный комплекс, стабилизируемый пропердином, или фактором Р.

Комплекс СЗb/Вb является СЗ-конвертазой и значительно повышает уровень расщепления СЗ по сравнению со спонтанным. Кроме того, он расщепляет С5 до фрагментов С5а и С5b. Малые фрагменты С5а (самый сильный) и СЗа — анафилатоксины комплемента, т.е. медиаторы воспалительной реакции. Они создают условия для миграции фагоцитов в очаг воспаления, вызывают дегрануляцию тучных клеток,сокращение гладких мышц. С5а также вызывает повышение экспрессии на фагоцитах CR1 и CR3.

С С5b начинается формирование «мембраноатакующего комплекса», вызывающего перфорацию мембраны микробных клеток и их лизис. Вначале образуется комплекс С5b/С6/С7, который встраивается в мембрану микробной клетки. Одна из субъединиц компонента С8 — С8B — присоединяется к С5b, а С8ау тоже встраивается в мембрану и катализирует полимеризацию 10—16 молекул С9. Этот полимер и формирует неспадающуюся пору в мембране диаметром около 10 нм.

Белки системы комплемента содержат домены (модули), относящиеся к различным семействам.

К семейству СЗ/а2-макроглобулина, относят СЗ, С4 и С5. Для всех этих белков характерна тиоэфирная связь между СООН-группой остатка глутаминовой кислоты и SH-группой цистеина (в молекуле С5 она утрачена в ходе филогенеза. Эта связь играет ключевую роль в активации альтернативного пути и в фиксации компонентов комплемента на клеточных мембранах. В присутствии воды происходит гидролиз этой связи с восстановлением групп SH и СООН.Карбоксил при этом может формировать связь с 1МН2-группами различных молекул, в том числе мембранных белков клеток. Обычно эта тиоэфирная связь экранирована, и окружающие молекулы, в том числе вода, не имеют к ней доступа. Экранирование тиоэфирной связи исчезает только при определенной конформации молекулы, которую компоненты СЗ и С4 могут приобретать спонтанно или при частичном расщеплении (активации). Как уже отмечалось, с неэкранированной тиоэфирной связью реагируют молекулы воды или мембранных белков.

Второй тип доменов, распространенных в белках системы комплемента, — 
короткие согласительные (consensus) повторы. Они характерны для белков, 
регулирующих активацию комплемента (фактор Н, C4bp, DAF, CR1, CR2) и 
поэтому их называют также доменами контроля комплемента (доменами ССР — от Complement control proteins). Такие домены входят в состав мозаичных (т.е. содержащих домены различных типов) белков — фактора В, С2, С1г, Cls, С6, С7, MASP-1, MASP-2, MASP-3.

Третий тип доменов, распространенных в системе комплемента — модуль сериновых протеаз. присутствующий в С2, а также факторах В, D, I, MASP-I, MASP-2, MASP-3, С1г, Cls.

Основная молекула системы комплемента — СЗ. Она представляет собой 
а-глобулин, состоящий из двух полипептилных пеней, скрепленных дисульфидной связью: а (120 кДа) и р (75 кДа). Тиоэфирная связь располагается в a-цепи; ее экранирование обеспечивается конформацией а-цепи, закрепленной дисульфилной связью.

Пусковые молекулы классического и лектинового путей — соответственно Clq и MBL— принадлежат к семейству коллективов. Они имеют большие размеры и комплексное строение. Clq и MBL образованы тремя типами цепей (А, В и С), скрученных в жгуты. Молекула Clq содержит 6, а молекула MBL— от 2 до 6 таких жгутов (т.е. всего Clq содержит 18, a MBL — от 6 до 18 полипептидных цепей), что и обусловливает их большую молекулярную массу. В собранном виде молекула Clq и тяжелый вариант молекулы MBL имеют вид «букета тюльпанов»: N-концевые домены молекул, имеющие коллагенонодобную структуру, спирально переплетаясь, формируют ствол «букета», тогда как глобулярные С-конпевые части цепей образуют расходящиеся «ветви букета» (в каждой из этих ветвей присутствуют все три типа цепей — А, В и С). Бутонообразные завершения этих «ветвей» участвуют во взаимодействии с естественными лигандами — комплементсвязывающими участками молекул иммуноглобулинов-антител (в случае Clq) и лсктинами (в случае MBL). Несмотря на значительное сходство четвертичной структуры Clq и MBL, они обладают низкой гомологией.

Структурное сходство характерно для некоторых белков, относящихся к 
разным путям активации, но выполняющим сходные функции: факторов В 
и С2, а также С1г, Cls, MASP-1, MASP-2 и MASP-3. Еще одну группу сход- 
ных белков образуют белки литического комплекса — С6, С7, С8 и С9; к 
ней относят также порообразуюшнй белок цитотоксических лимфоцитов — 
перфорин. Этоамфифнльныс белки, обладающие как гидрофильными, так и липофильными свойствами, что обеспечивает им возможность встраиваться в клеточные мембраны. Эти молекулы состоят их различных доменов — тромбоспондинового, рецептора липопротеинов низкой плотности, эпидермального фактора роста.

Рецепторы компонентов комплемента

• Известно 5 типов рецепторов для компонентов комплемента (CR — Complement Receptors) на различных клетках организма — фагоцитах, лимфоцитах, ФДК (Фолликулярные дендритные клетки - клетки иммунной системы, находящиеся в первичных и вторичных фолликулах лимфатической ткани.)
• CR1 экспрессирован на макрофагах, нейтрофилах и эритроцитах. Он связывает СЗb и С4b и при наличии других стимулов к фагоцитозу (связывания комплексов антиген-антитело через FcyR (рецепторы эффекторных клеток FcyRI (CD 64) FcyRII (CD 32)  FcyRIII (CD 16), посредством которых они взаимодействуют с Fc –фрагментами антител класса G) или стимуляции интерферона  — продукта иммунных Т-лимфоцитов) оказывает пермиссивное действие на фагоциты. CR1 эритроцитов через С4b и СЗb связывает растворимые иммунные комплексы и доставляет их к макрофагам селезёнки и печени, обеспечивая тем самым клиренс крови от иммунных комплексов. При нарушении этого механизма иммунные комплексы выпадают в осадок — прежде всего в базальных мембранах сосудов клубочков почек (CR1 есть и на подоцитах клубочков почек), приводя к развитию гломерулонефрита.
• CR2 В-лимфоцитов связывает продукты деградации СЗb — C3dg и СЗbi. Это в 10—100 тысяч раз увеличивает восприимчивость В-лимфоцита к своему антигену. К сожалению, эту же мембранную молекулу — CR2 — «выбрал» в качестве своего рецептора вирус Эпштейна—Барр (EBV) — возбудитель инфекционного мононуклеоза.
• CR3 и CR4 также связывают СЗbi, который, как и активная форма СЗb, является опсонином. Однако связывание СЗbi с CR3 само по себе достаточно для стимуляции фагоцитоза.
• C5aR состоит из 7 доменов, пенетрирующих мембрану клетки. Такая структура рецептора характерна для рецепторов, связанных с G-белками (белки, способные связывать гуаниновые нуклеотиды).

Биологические функции

В настоящее время выделяют следующие функции системы комплемента:

1. Опсонизирующая функция. Сразу вслед за активацией системы комплемента образуются опсонизирующие компоненты, которые покрывают патогенные организмы или иммунные комплексы, привлекая фагоцитов. Наличие на поверхности фагоцитирующих клеток рецептора к С3b усиливает их прикрепление к опсонизированным бактериям и активирует процесс поглощения. Такое более тесное прикрепление С3b-связанных клеток или иммунных комплексов к фагоцитирующим клеткам получило название феномена иммунного прикрепления.

2. Солюбилизация (т.е. растворение) иммунных комплексов (молекулой C3b). При недостаточности комплемента развивается иммунокомплексная патология (СКВ (системная красная волчанка)-подобные состояния).

3. Участие в воспалительных реакциях. Активация системы комплемента приводит к выделению из тканевых базофилов (тучных клеток) и базофильных гранулоцитов крови биологически активных веществ (гистамина, серотонина, брадикинина), которые стимулируют воспалительную реакцию (медиаторы воспаления). Биологически активные компоненты, которые образуются при расщеплении С3 и С5, приводят к высвобождению вазоактивных аминов, таких как гистамин, из тканевых базофилов (тучных клеток) и базофильных гранулоцитов крови. В свою очередь это сопровождается расслаблением гладкой мускулатуры и сокращением клеток эндотелия капилляров, усилением сосудистой проницаемости. Фрагмент С5а и другие продукты активации комплемента содействуют хемотаксису, агрегации и дегрануляции нейтрофилов и образованию свободных радикалов кислорода. Введение С5а животным приводило к артериальной гипотонии, сужению легочных сосудов и повышению проницаемости сосудов из-за повреждения эндотелия.

Функции С3а:

• выступает в роли хемотаксического фактора, вызывая миграцию нейтрофилов по направлению к месту его высвобождения;

• индуцироует прикрепление нейтрофилов к эндотелию сосудов и друг к другу;

• активирует нейтрофилы, вызывая в них развитие кислородного взрыва и дегрануляцию;

• стимулирует продукцию нейтрофилами лейкотриенов.

4. Цитотоксическая, или литическая функция. В конечной стадии активации системы комплемента образуется мембраноатакующий комплекс (МАК) из поздних компонентов комплемента, который атакует мембрану бактериальной или любой другой клетки и разрушает ее.

5. Фактор С3е, образующийся при расщеплении фактора С3b, обладает способностью вызывать миграцию нейтрофилов из костного мозга, и в таком случае быть причиной лейкоцитоза.

Пути активации системы комплемента

Классический путь

Классический путь запускается активацией комплекса С1 (он включает одну молекулу С1q и по две молекулы С1r и С1s). Комплекс С1 связывается с помощью С1q с иммуноглобулинами  классов М и G, связанными с антигенами. Гексамерный C1q по форме напоминает букет нераскрытых тюльпанов, «бутоны» которого могут связываться с Fc участком антител. Для инициации этого пути достаточно единственной молекулы IgM, активация молекулами  IgG менее эффективна и требует больше молекул IgG.

С1q связывается прямо с поверхностью патогена, это ведет к конформационным изменениям молекулы С1q, и вызывает активацию двух молекул сериновых протеаз С1r. Они расщепляют С1s (тоже сериновую протеазу). Потом комплекс С1 связывается с С4 и С2 и затем расщепляет их, образуя С2а и С4b. С4b и С2а связываются друг с другом на поверхности патогена, и образуют С3-конвертазу классического пути, С4b2а. Появление С3-конвертазы приводит к расщеплению С3 на С3а и С3b. С3b образует вместе с С2а и С4b С5-конвертазу классического пути. С5 расщепляется на C5a и C5b. C5b остается на мембране и соединяется с комплексом C4b2a3b. Потом соединяются С6, С7, С8 и С9, которая полимеризуется и возникает трубочка внутри мембраны. Тем самым нарушается осмотический баланс и в результате тургора бактерия лопается. Классический путь действует более точно, поскольку так уничтожается любая чужеродная клетка.

Альтернативный путь

Альтернативный путь запускается гидролизом C3 прямо на поверхности патогена. В альтернативном пути участвуют факторы В и D. С их помощью происходит образование фермента СЗbВb. Стабилизирует его и обеспечивает его длительное функционирование белок P. Далее РС3bВb активирует С3, в результате образуется С5-конвертаза и запускается образование мембраноатакующего комплекса. Дальнейшая активация терминальных компонентов комплемента происходит так же, как и по классическому пути активации комплемента. В жидкости в комплексе СЗbВb В заменяется Н-фактором и под воздействием дезактивирующего соединения (Н) превращается в С3bi. Когда микробы попадают в организм комплекс СЗbВb начинает накапливаться на мембране. Он соединяется с С5, который расщепляется на C5a и C5b. C5b остается на мембране. Потом соединяются С6, С7, С8 и С9. После соединения С9 с С8, происходит полимеризация С9 (до 18 молекул сшиваются друг с другом) и образуется трубочка, которая пронизывает мембрану бактерии, начинается закачка воды и бактерия лопается.