Краткая характеристика системы комплемента
Система комплемента представляет собой большую группу белков плазмы крови (около 20 белков)
Ø часть из которых (9 белков, обозначаемых буквой С и имеющих определенный порядковый номер соответственно последовательности их открытия (но не активации): С1, С2, С3 и т.д. вплоть до С9) являются неактивными ферментами и активируются в определенной последовательности путем ограниченного протеолиза,
Ø тогда как другие белки системы комплемента выступают в роли регуляторных факторов.
В результате последовательной активации компонентов системы комплемента образуются:
ü факторы, обладающие хемотаксическим действием,
ü медиаторы воспаления,
ü факторы, оказывающие опсонизирующее действие в отношении бактерий и вирусов,
ü литические комплексы, способные убивать антигены, связанные с антителами.
Начало познанию механизмов функционирования системы комплемента было положено французом Жюлем Борде, работавшим в лаборатории И. Мечникова в Париже, в конце XIX века. Окончательное название этой системы (комплемент) дано Паулем Эрлихом. Некоторые из белков системы комплемента синтезируются гепатоцитами печени, другие – клетками эпителия кишечника и макрофагами. Большинство факторов системы комплемента представляют собой неактивные ферменты (проферменты или зимогены), находящиеся в плазме крови в неактивной форме и активирующиеся в результате ограниченного протеолиза (отщепления от них ингибиторного фрагмента). Причем активация компонентов системы комплемента осуществляются по типу цепного каскадного ферментативного процесса, при котором один активировавшийся фактор этой системы (активный фермент) путем ограниченного протеолиза другого фактора приводит к его активации, в результате которой этот другой фактор превращается в активный фермент и катализирует активацию следующего компонента системы комплемента. Каскадный механизм активации системы комплемента обеспечивает формирование быстрого многократно усиленного ответа на первичный сигнал, поскольку каждый фактор этой системы, становясь активным, катализирует активацию большого количества молекул другого фактора, а те, в свою очередь, активируют еще большее количество молекул следующего фактора и т.д.
В результате ограниченного протеолиза всех компонентов системы комплемента образуется по 2 фрагмента каждого компонента (т.е. каждый компонент расщепляется на две части), один из которых является более мелким и обозначается буквой а, а другой – более крупным (обозначается буквой b). Например, при активации фактора С3, предполагающей его ограниченный протеолиз, образуется два его фрагмента: С3а (более короткий и низкомолекулярный) и С3b (более длинный и высокомолекулярный).
Например,
Мелкие фрагменты компонентов комплемента (обозначаемые буквой а), как правило, ферментативной активностью не обладают и поэтому не принимают участия в активации следующего компонента системы комплемента, но зато эти фрагменты
Ø являются хемоаттрактантами (т.е. оказывают хемотаксическое действие в отношении лейкоцитов),
Ø способны повышать проницаемость сосудистой стенки и плазматических мембран клеток,
Ø кроме того, они активируют нейтрофилы и макрофаги
Ø являются медиаторами воспаления (т.е. вызывают некоторые проявления воспалительных реакций).
Крупные фрагменты компонентов системы комплемента проявляют ферментативную активность. Причем в большинстве своем они являются сериновыми протеазами и гидролизуют пептидные связи между сериновыми аминокислотными остатками в молекулах других компонентов системы комплемента. В результате такого гидролиза компонент комплемента расщепляется на два фрагмента: один из которых, более мелкий, не проявляет ферментативной активности, а другой – является активной протеазой, расщепляющей следующий компонент и таким образом активирующий его.
Результатом каскадного механизма последовательной активации компонентов системы комплемента является образование белковых комплексов С4b-С3b (связывается с мембранами чужеродных клеток и облегчает фагоцитоз этих клеток нейтрофилами и макрофагами), а также комплекса С5b-С9 (образует поры в мембранах чужеродных клеток, ассоциированных с антителами, вызывает повреждение и уничтожение этих клеток).
Различают два пути активации системы комплемента:
Ø классический путь (запускается под влиянием иммунных комплексов – комплексов "антиген-антитело")
Ø альтернативный путь (запускается только лишь каким-то патогеном без участия антител, происходит гораздо быстрее классического пути активации, поскольку не зависит от первоначальной продукции антител и связывания ими антигенов, а запускается сразу после проникновения патогена в организм).
Эти два пути активации системы комплемента отличаются не только характером запускающих их механизмов и быстротой реакции, но и начальными стадиями этого процесса. Вместе с тем, заключительные этапы и результат активации системы комплемента являются общими для классического и альтернативного путей.
Классический путь активации комплемента начинается с активации иммунными комплексами (комплексами "антиген-антитело") фактора С1. Этот фактор состоит из трех белков: С1q, C1r, C1s. Белок С1q, в свою очередь, состоит из 6 субъединиц, в каждой из которых имеется глобулярная часть (напоминающая булаву) и нитчатая часть. Нитчатые части этих 6 субъединиц в составе молекулы С1q расположены таким образом, что формируют единую фибриллярную рукоять (коллагеноподобную рукоять), от которой радиально отходит 6 глобулярных булав. Нитчатые компоненты субъединиц белка С1q ближе к своему основанию в присутствии ионов кальция взаимодействуют с белками C1r и C1s (имеют глобулярную форму), так что формируется единый компонент комплемента С1. Глобулярные части белка С1q обладают способностью связываться с иммуноглобулинами класса М и G (с Fс-фрагментами иммуноглобулинов, которые являются частями константных областей антител и способны специфически связываться с рецепторами для Fс-фрагментов, расположенными на поверхности некоторых клеток организма – гранулоцитов, лимфоцитов, макрофагов и некоторых других). Взаимодействие белка С1q с антителом происходит только после прикрепления этого антитела к антигену (в связи с тем, что под действием присоединившегося к антителу антигена изменятся пространственная структура антитела, и оно приобретает способность взаимодействовать с белком С1q компонента С1). Белок С1q со свободными антителами не взаимодействует. Причем, если белок С1q может прикрепляться к единичным молекулам иммуноглобулинов М, связанных с определенными антигенами, то для взаимодействия с антителами класса G необходимо несколько молекул этих антител, адсорбированных на поверхности корпускулярного антигена (контакт белка С1q только с одной молекулой иммуноглобулина G не обеспечивает активации компонента С1).
В результате взаимодействия ассоциированных с антигенами антител класса М и G с белковым компонентом С1q происходит некоторое изменение его пространственной структуры, сопровождающееся появлением у него ферментативной активности. Активированный белок С1q модифицирует белок С1s, придавая ему свойства сериновой протеазы. С приобретением ферментативных свойств белком С1s завершается первый этап классического пути активации системы комплемента.
Следующий этап предполагает активацию фактора С4 под действием образовавшейся на первом этапе сериновой протеазы (активного белка-фермента С1s). Причем С4 под действием активного белка С1s расщепляется на два фрагмента: С4а (мелкий, является медиатором воспаления) и С4b (более крупный, ковалентно связывается с мембраной патогена, после чего взаимодействует с фактором С2). После взаимодействия С4b с фактором С2, которое происходит с участием ионов Мg2+, изменятся пространственная структура фактора С2, в результате чего он становится чувствительным к сериновой протеазе (активированному фактору С1s). Под действием этой протеазы фактор С2 расщепляется на два фрагмента: С2а и С2b. Фрагмент С2b, подобно белку С1s, проявляет свойства сериновой протеазы и совместно с белком С4b представляет собой фермент С3/С5-конвертазу, прикрепленную к поверхности патогена. Образовавшийся фермент С3/С5-конвертаза взаимодействует с фактором С3 и катализирует расщепление этого фактора на два фрагмента С3а (более мелкий фрагмент, является медиатором воспалительной реакции) и С3b (остается прикрепленным к поверхности патогена). Фрагмент С3b взаимодействует с определенными рецепторами на фагоцитах, тем самым способствуя прикреплению патогена, с которым он связан, к мембране фагоцита (т.е. фагоцит соединяется с патогенном через посредство компонента С3b). Такое прикрепление патогена к поверхности фагоцита, осуществляющееся с участием компонента С3b, в свою очередь, сопровождается фагоцитозом этого патогена (т.е. компонент С3b оказывает опсонизирующее действие в отношении многих бактерий и вирусов, облегчая их фагоцитоз нейтрофилами и макрофагами). Кроме опсонизирующего действия, компонент С3b, фиксированный на мембране патогена, взаимодействует с фактором С5, делая его доступным для действия С3/С5-конвертазы, которая расщепляет С5 на два фрагмента: С5а (выступает в качестве воспалительного фактора и хемоаттрактанта, привлекая в зону проникновения патогена фагоцитирующие клетки) и С5b (остается связанным с мембраной патогена). Компонент С5b последовательно взаимодействует с факторами С6, С7 и С8. Образующийся комплекс С5b678, зафиксированный на мембране патогена, взаимодействует с несколькими молекулами (2 или более) фактора С9, которые под воздействием этого комплекса изменяет свою пространственную структуру так, что как бы развертываются и становятся способными проникать внутрь билипидного слоя мембраны патогена. Внутри билипидного слоя мембраны патогена проникшие молекулы фактора С9 полимеризуются в кольцеобразный мембраноатакующий комплекс, который формирует трансмембранный канал полностью проницаемый для электролитов и воды. Таким образом, комплекс С5b678 способствует проникновению в толщу мембраны патогена молекул фактора С9, которые соединяясь друг с другом, образуют поры в мембране. Количество таких пор в мембране патогена будет тем большим, чем больше проникло молекул фактора С9 в толщу билипидного слоя. За счет высокого коллоидно-осмотического давления внутри чужеродной клетки в нее через поры, образовавшиеся из молекул фактора С9, поступают ионы натрия и вода, что приводит к набуханию клетки и последующему ее лизису.
Таким образом, активация факторов системы комплемента по классическом пути осуществляется в следующей последовательности:
СХЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И АКТИВАЦИИ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ КОМПЛЕМЕНТА ПО КЛАССИЧЕСКОМУ ПУТИ
Альтернативный путь активации системы комплемента запускается сразу же после проникновения антигена в организм и, в отличие от классического пути, не требует накопления специфических антител по отношению к антигену (т.е. этот путь запускается не комплексом "антиген-антитело", а самим антигеном). Активация факторов системы комплемента по альтернативному пути начинается с взаимодействия С3b с мембраной патогена. Наличие компонента С3b в плазме крови обусловлено постоянным его спонтанным образованием в результате распада внутренней тиоэфирной связи в молекуле С3 на С3b и С3а под действием следовых количеств плазменных протеиназ, а также в результате очень медленной реакции тиоэфирной связи с водой. Фактор С3 отличается среди других компонентов системы комплемента самой высокой концентрацией в плазме крови, составляющей 1,2 мг/мл. Хотя большая часть компонентов С3b и С3а расщепляется плазменными ферментами, все же взаимодействие даже небольших количеств спонтанно образующегося С3b с мембраной патогена играет важную роль для активации системы комплемента по альтернативному пути.
Компонент С3b обладает способностью ковалентно связываться как с рецепторами мембран собственных клеток организма, так и проникших в организм корпускулярных антигенных структур. После взаимодействия компонента С3b с рецепторами мембраны какой-то клетки он изменят свою конформацию, в результате чего резко повышает сродство к фактору В, присутствующему в плазме крови. Между компонентом С3b, фиксированным на мембране какой-то клетки, и фактором В в присутствии ионов Мg2+ возникает нековалентная связь. Фактор В под воздействием связанного с ним компонента С3b изменяет свою пространственную структуру, в результате чего становится доступным действию сывороточной протеиназы (фактора D), расщепляющей фактор В на Ва и Вb. С этого момента каскад реакций, развертывающихся на мембране клеток хозяина и патогена, принципиально отличается. В частности, на мембране собственных клеток организма имеются два белка: DAF (decay accelerating factor) – фактор, усиливающий расщепление, и MCP (membrane cofactor proteolysis) – мембранный кофактор протеолиза, а в плазме крови – факторы Н.DAF и Н. Факторы MCP, DAF и Н взаимодействуют с комплексом С3bВb и вытесняют Вb из комплекса. Фактор Н обладает способностью связываться с С3b, делая его доступным для действия фактора I, находящегося в плазме крови и инактивирующего С3b. Инактивированный фактором I компонент С3b в дальнейшем расщепляется трипсиноподобными ферментами, присутствующими в плазме крови. Все эти факторы являются протекторными, поскольку защищают собственные клетки организма от разрушающего действия активированных компонентов системы комплемента.
В мембранах микробных клеток факторы DAF и MCP отсутствуют, а фактор Н плазмы крови хозяина взаимодействует только с клетками хозяина, в результате чего образовавшийся на поверхности этих клеток комплекс С3bВb не разрушается, более того, он стабилизируется присоединяющимся к нему регуляторным компонентом, присутствующим в плазме и называемым пропердином или фактором Р. Стабилизированный комплекс С3bВb действует подобно ферменту С3/С5-конвертазе, образующейся при активации комплемента по классическому пути. В частности, этот комплекс расщепляет новые молекулы С3 на С3а и С3b. Образовавшиеся новые молекулы С3b проявляют очень высокую реакционную способность и ковалентно связываются со свободными участками мембраны патогена. Таким образом, один активный комплекс С3bВb катализирует образование большого количества новых молекул С3b, которые продолжают связываться с мембраной патогена. Фиксированный на мембране патогена компонент С3b обладает способностью связываться с фактором С5, делая его доступным действию активного комплекса С3bВb, который катализирует расщепление молекул С5 на С5а (высвобождается в окружающее патоген пространство) и С5b (остается связанным с фактором С3b, зафиксированным на поверхности патогена). Образующиеся С5а вместе С3а являются хемоаттрактантами, привлекая в очаг воспаления фагоциты. Кроме участия активного компонента С3b в активации фактора С5, он оказывает и опсонизирующее действие, облегчая фагоцитоз антигенов нейтрофилами и макрофагами. Наконец С5b, связанный с мембраной патогена, присоединяет к себе последовательно факторы С6, С7, С8, в результате чего образуется комплекс С5b678, аналогичный таковому при активации системы комплемента по классическому пути и способствующий проникновению молекул фактора С9 в толщу мембраны патогена, формированию из молекул С9 пор, пропускающих воду и ионы натрия, что приводит к набуханию и лизису чужеродных клеток.
Таким образом, заключительные этапы активации системы комплемента по классическому и альтернативному пути идентичны и заканчиваются лизисом антигенных клеток.
СХЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И АКТИВАЦИИ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ КОМПЛЕМЕНТА ПО АЛЬТЕРНАТИВНОМУ ПУТИ
Подытоживая роль системы комплемента в защите организма от различных чужеродных структур, необходимо отметить следующие ее функции:
Ø опсонизирующее действие компонентов системы комплемента по отношению к бактериям и вирусам (облегчение адгезии компонентами комплемента антигенов на поверхности фагоцитирующих клеток и последующего фагоцитоза). В частности, возникающий в результате активации фактора С3 компонент С3b, фиксированный на поверхности патогена, способен связываться и с определенными рецепторами на мембране фагоцитирующих клеток (макрофагов и нейтрофилов), что облегчает адгезию антигенных структур на поверхности фагоцитов (антиген и фагоцит взаимодействуют через своеобразный мостик, образованный компонентом С3b) и последующий фагоцитоз
Ø образование биологически активных фрагментов, которые могут выступать в качестве медиаторов воспаления и хемоаттрактантов. Так, возникающие при активации факторов С3 и С5 короткие фрагменты С3а и С5а оказывают активирующее влияние на фагоциты (особенно на нейтрофилы), усиливая потребление ими кислорода и образование метаболитов кислорода (пероксида водорода, синглетного кислорода, надперокисдного аниона и некоторых других), которые обладают выраженным противовирусным и противобактериальным действием. Благодаря такому активирующему действию факторов С3а и С5а на фагоциты, в них после фагоцитоза антигенов, происходящего с участием опсонизирующего фактора С3b, происходит кислородный взрыв, сопровождающийся образованием больших количеств пероксида и других кислородных метаболитов, которые оказывают бактерицидное действие. Компонент С5а служит мощным хемотаксическим агентом для нейтрофилов, способен расширять артериолы, увеличивая тем самым кровенаполнение капилляров, и повышать проницаемость капилляров. Такой эффект компонента С5 значительно пролонгируется лейкотриеном В4, который высвобождается при дегрануляции тучных клеток и активации нейтрофилов. Кроме того, компоненты С3а и С5а могут стимулировать дегрануляцию тучных клеток и базофилов, что сопровождается выбросом в кровь и ткани содержимого их гранул, включающих:
ü гистамин (вызывает местное расширение артериол и соответственно увеличение кровенаполнения капилляров, повышает проницаемость стенок капилляров, стимулирует хемокинез – спонтанное увеличение подвижности лейкоцитов)
ü гепарин (является антикоагулянтом, препятствующим свертыванию крови в очаге воспаления)
ü триптаза (активирует компонент комплемента С3, способствуя дальнейшей активации системы комплемента по альтернативному пути)
ü b-глюкозаминидаза (расщепляет глюкозамины, уменьшая плотность контакта между клетками, в том числе эндотелиальными)
ü хемотаксический фактор для эозинофилов (ХФЭ, под хемотаксисом понимают прямую миграцию гранулоцитов по градиенту концентрации медиаторов)
ü хемотаксический фактор для нейтрофилов (ХФН)
ü фактор, активирующий тромбоциты, что сопровождается выбросом содержимого гранул тромбоцитов
Ø повреждение мембран чужеродных клетокилизис этих клеток (достигается благодаря образованию в мембране патогенов на заключительных этапах активации системы комплемента из молекул фактора С9 пор, пропускающих воду и ионы натрия, что и приводит к набуханию и лизису чужеродных клеток).