ANTIBODI(FUNGSI, STRUKTUR, GENETIK)

Disulfide bond

Carbohydrate

VL

CL

CH1

VH

CH2 CH3

Hinge Region

Dr. Tetty Aman Nasution,MMedScDepartemen Mikrobiologi

VH

Departemen Mikrobiologi FK-USU

The Immune Response - Overview

Humoral and cellular immunity(antibody mediated or cellular)(antibody mediated or cellular)

The big picture…Integration of innate and adaptive immunity

ANTIBODIANTIBODI

• Protein yang mengandung bahan

ANTIBODIANTIBODI

• Protein yang mengandung bahan larut tanpa sel, disebut “globulin”– Immunoglobulin (Ig)– Pemisahan secara elektroforesis, Ig

terbanyak gamma, juga ada alfa & beta– Ciri-ciri yang penting ada 2 yaitu: C c ya g pe t g ada ya tu

spesifisitas dan aktivitas biologik

Immunoglobulins

• Molekul Glycoprotein yang diproduksi olehMolekul Glycoprotein yang diproduksi oleh sel plasma akibat respon terhadap imunogen dan berfungsi sebagai Antibodi

+ -albumin

globulins

nt o

f pro

tein

Immune serumAg adsorbed serum

ά1 ά2

2

β γAm

ou

Mobility

Produksi AntibodiProduksi Antibodi

Immunoglobulin (Ig) dibentuk oleh sel plasma,Immunoglobulin (Ig) dibentuk oleh sel plasma,

berasal dari proliferasi sel B, akibat kontak

d A tidengan Antigen

A tib di t b t k ifik i i kAntibodi terbentuk secara spesifik ini akan

mengikat antigen baru lainnya yang sejenis

Specificity and Biological Activity

• Spesifisitas (Specificity)– Struktur antibodi memiliki hypervariable region atau yp g

complementary-determining region (CDR)– Berikatan secara khusus & terbatas pada struktur antigen

tertentutertentu

•• Aktivitas Biologik (Biological Activity)Aktivitas Biologik (Biological Activity)– Neutralization toxin dan aktivitas virus– Immobilisasi dari mikroorganisme– Agglutination (clumping) dari microorganismeAgglutination (clumping) dari microorganisme – Berikatan dengan Ag terlarut menuju peristiwa precipitation

(phagocytosis)A ti ti l t t f ilit i l i d– Activating complement system : memfasilitasi lysis, dan fagositosis

Constant and Variable RegionsConstant and Variable Regions

Antibody Structure

CHVHCCLVLVL

Struktur Light & Heavy Chains• Analisis Struktur

– Papain digestion (Porter,1959)– Enzim papain memecah pd hinge region

• 3 fragments (MW = 150,000 Da), 45,000 Da/each• Fab fragments (Fragmen antigen binding)

– Tetap memiliki sifat Antibodi, mengikat Ag– Bereaksi dengan determinan Antigen dan hapteng g p– Univalent– 2 fragmen yang identik

• Fc fragment (fragment crystallizable)• Fc fragment (fragment crystallizable)– Dapat dikristalkan dari larutan– Tidak dapat mengikat Ag– Menunjukkan fungsi biologis sesudah Ag diikat oleh Fab

Struktur Light & Heavy Chains• Pemecahan oleh enzim Pepsin

– Memecah pada asam amino sebelum ikatan disulfidMemecah pada asam amino sebelum ikatan disulfid

– Divalent fragment disebut sebagai F(ab’)2

– Terbentuk beberapa Fc subfragmentsTerbentuk beberapa Fc subfragments

• INTRA-chain disulfide bond membentuk

immunoglobulin-fold domains (loops in the chains)

• Loops ini membentuk antiparallel b-pleated sheets yg• Loops ini membentuk antiparallel b-pleated sheets yg

merupakan karakteristik molekul Ab dan anggota dari

immunoglobulin superfamilyimmunoglobulin superfamily

Struktur Light & Heavy Chains• 2 jenis rantai ringan (Light chain) tdd 230 aa

Κ and λ chains (kappa dan lambda)

– Setiap orang akan memproduksi kedua type L chainSetiap orang akan memproduksi kedua type L chain

– Rasio Κ dan λ chains bervariasi antar species

• (mouse: 95% Κ; human: 60% Κ)

– Pada tiap orang, L chains Ig molecule selaluPada tiap orang, L chains Ig molecule selalu

kedua2nya Κ atau λ, ttp TIDAK PERNAH salah satu

Struktur Light & Heavy Chains• 5 klas yang berbeda (isotypes) dari Heavy chain

– Berbeda secara serologis dalam jumlah CHO dan– Berbeda secara serologis, dalam jumlah CHO dan dari ukuran

– Berhubungan dengan perbedaan fungsi biologikBerhubungan dengan perbedaan fungsi biologik

Ig Class (isotype) H Chain

I M (M )IgM (Mu) μ

IgD (Delta) δ

IgG (Gamma) γ IgG (Gamma) γ

IgA (Alpha) α

IgE (Epsilon) ε

Fungsi AntibodiFungsi AntibodiBerikatan dengan reseptor permukaan dari virus dan mencegah masuk ke dalam sel (inactivation).( )

Berikatan dengan toxin yg larut dan menyebabkan presipitasi (neutralization)menyebabkan presipitasi (neutralization).

Merangsang (induksi) fagositosis

Aktivasi Complement System menyebabkan sel lisis setelah serangan mikroorganismesel lisis setelah serangan mikroorganisme

Types of adaptive immunity: Extracellular pathogens

MICROBE FUNCTIONSEFFECTOR

MECHANISMSRESPONDING

LYMPHOCYTESMICROBE FUNCTIONS

Block invasion,

MECHANISMS

YLYMPHOCYTES

Binfection and

eliminate pathogens.

YY

ThExtra cellular

Neutralise toxins

SecretedB lymphocytes

Thpathogen antibody

B lymphocytes helped by T helper cells

T helper cells are activated by antigens presented by MHC class II molecules

Effector Mechanisms vs. Extracellular Pathogens & Toxins

NEUTRALISATIONNEUTRALISATION

Bacterium

Toxin

` `

Toxin releaseblocked

Adhesion tohost cells blocked

Preventstoxicity

Preventsin asion toxicity

NEUTRALISING ANTIBODIES

invasion

Effector Mechanisms Against Extracellular Pathogens

OPSONISATION

Bacteria in extracellular spaceBacteria in extracellular space

+Ab

Antibody receptorbinding

OPSONISATION Phagocytosisbinding

Effector Mechanisms Against Extracellular Pathogens

COMPLEMENT Activation

Bacteria in plasma Lysis

&

+

y

Ab & COMPLEMENT

PhagocytosisComplement &Fc receptor

Opsonisation

bindingFc receptor

Types of adaptive immunity: Extracellular pathogens

FUNCTIONSRESPONDING

LYMPHOCYTESEFFECTOR

MECHANISMSMICROBE FUNCTIONS

Cytokines that activate

LYMPHOCYTES

Th

MECHANISMSMICROBE

activate macrophages

to kill phagocytosed

Thp g y

pathogens T helper lymphocytes activated by ti t d

Phagocytosedantigen presented by MHC class II

molecules

Cytokinespathogenin macrophage

Types of adaptive immunity:Intracellular pathogensIntracellular pathogens

C O SC OEFFECTOR

C S SRESPONDING

OC S FUNCTIONS

Kill infected cells and

MICROBE MECHANISMSLYMPHOCYTES

cells and remove

reservoirs of pathogen

CTLpathogen. Exposes

pathogens to Abs and Intracellularinnate

immunity

Intracellularreplication

(e.g. Leishmania,viruses)

ApoptosisCytotoxic Tlymphocyte

)

Cytotoxic T cells are activated by antigens presented by MHC class I

Fragment Immunoglobulin : Hubungan Struktur & Fungsi

Ag Binding

Complement Binding SiteComplement Binding Site

Placental Transfer

Binding to Fc Receptors

Placental Transfer

Antigen PresentationAntigen PresentationAntigen yg masuk melalui usus akan

dihancurkan oleh gut-associated lymphoid

tissues (GALT)( )

Antigen yg masuk melalui kulit atau

respiratory tract akan dihancurkan secara

local atau ditransport ke local lymph nodes.

Antigen yg memasuki darah akan disaring di

d l ldalam spleen.

Antigenic Determinant / Epitopeg p p

Tempat spesifik dari antigen yang berikatanp p g y gdengan antibodi disebut antigenicdeterminant atau epitopedeterminant atau epitope.

Kebanyakan antigen memiliki berbagai jenisepitopes yang merangsang antibodi yangberbeda disebut sebagai polyclonal.

Immune response tunggal terhadap suatuantigen disebut sebagai monoclonalantigen disebut sebagai monoclonal.

Three-Dimensional StructureEach domain folds into a very similar three-

dimensional structure

In the variable domain there are three

hypervariable loops that form the antigen

bi di itbinding site

Changing the length and amino acid sequence

of the hypervariable loops does not disturb the

three dimensional structurethree-dimensional structure

IgG molecule

Used with permission from: Dr. Mike Clark, Immunology Division, Department of Pathology Cambridge University, Cambridge, England

Immunological MemoryPrimary immune response adalah paparan 1x

d i ti t h d i tdari antigen terhadap immune system.

Secondary immune response terjadi pada saaty p j p

paparan berikut terhadap antigen yang sama.

Secondary response disebabkan oleh adanya

memory cells yg terbentuk pada paparan yangmemory cells yg terbentuk pada paparan yang

pertama.

Dasar genetik dari heterogenitas Antibodi• Isotypic variation

–– Dimiliki oleh semua individu yang sehat Dimiliki oleh semua individu yang sehat

–– 5 subklas dari Ig terdapat dlm gen manusia5 subklas dari Ig terdapat dlm gen manusia

• Allotypic variation

–– Perbedaan genetik antara individuPerbedaan genetik antara individu

–– Tdk semua individu sehat memiliki allotype yang khususTdk semua individu sehat memiliki allotype yang khusus

–– Perbedaan allotypic dr locus yg diketahui biasanya melibatkan Perbedaan allotypic dr locus yg diketahui biasanya melibatkan perubahan pada 1 atau 2 aa di constant region dari heavy chainperubahan pada 1 atau 2 aa di constant region dari heavy chain

• Idiotypic variantion

–– Variasi pd variable domain, khususnya pd hypervariable region Variasi pd variable domain, khususnya pd hypervariable region

–– Biasanya spesifik pada individual klon antibodyBiasanya spesifik pada individual klon antibody

–– Dasar genetik dari idiotypic variability belum sepenuhnya diketahuiDasar genetik dari idiotypic variability belum sepenuhnya diketahui

Classes of Antibodies

Lima kelas antibodi (IgA, IgD, IgE, IgG, and

IgM) dapat dibedakan dari komposisi Heavy

chain

Perbedaan dari Heavy chains (pada tailPerbedaan dari Heavy chains (pada tail

regions) menyebabkan perbedaan fungsi dari

masing2 kelas antibodi

IgG• Structure

– Monomer (7S)

IgG1, IgG2 and IgG4 IgG3

Biological Properties of IgG

– Komponen utama Ig serum, BM : 160.000 Da

– 75% serum Ig & 15% total protein dalam serum

– Tersebar merata antara ruang intra & g

extravascular

– 4 subclasses : IgG1, IgG2, IgG3, IgG4

– IgG1, IgG2 and IgG 4 half life lbh kurang 23 hari g , g g g

terpanjang dari semua Ig isotypes (IgG3 sekitar 7 hr)

– Paling sesuai untuk Immunisasi Pasif

Biological Properties of IgG• Agglutinasi dan pembentukan presipitat• Agglutinasi dan pembentukan presipitat

• Opsonisasi, krn sel2 fagosit, monosit & makrofag mempunyai reseptor utk Fc dari IgG shg mempereratmempunyai reseptor utk Fc dari IgG shg mempererat hubungan fagosit dan sel sasaran

Ab d d t C ll M di t d C t t i it (ADCC)• Ab-dependent, Cell-Mediated Cytotoxicity (ADCC)

– Bagian Fab berikatan dgn target cell dan bagian Fc berikatan dgn Fc receptor pd NK cells utk menuju killer cell di target

• Aktivasi dari Complement, netralisasi Toxin (dgn cara menghambat active site), Immobilisasi dari Bacteria

• Netralisasi Virus (menghambat attachment, penetrasi dan viral coat shedding)

Biological Properties of IgGI l b li d t b l tI l b li d t b l t•• Imunoglobulin yang dapat menembus plasenta Imunoglobulin yang dapat menembus plasenta

diperantarai oleh Fcdiperantarai oleh Fc

•• Kehamilan 3Kehamilan 3--4 bln, tjd peningkatan yg cepat dari IgG ibu4 bln, tjd peningkatan yg cepat dari IgG ibu

•• Setelah umur 5 bln, fetus mulai menghasilkan IgM & IgA Setelah umur 5 bln, fetus mulai menghasilkan IgM & IgA Se e a u u 5 b , e us u a e g as a g & gSe e a u u 5 b , e us u a e g as a g & g

dlm jumlah yang kecildlm jumlah yang kecil

33 4 bl t l h k l hi l l I G ib l i &4 bl t l h k l hi l l I G ib l i &•• 33--4 bln setelah kelahiran, level IgG ibu mulai menurun & 4 bln setelah kelahiran, level IgG ibu mulai menurun &

infant mulai menghasilkan Ig G sendiriinfant mulai menghasilkan Ig G sendiri

•• Penyerapan IgG ibu dlm colostrum diperoleh akibat Penyerapan IgG ibu dlm colostrum diperoleh akibat

berikatan IgG dgn Fc receptors dlm jaringan intestinal berikatan IgG dgn Fc receptors dlm jaringan intestinal g g p j gg g p j g

•• Berkaitan dgn Berkaitan dgn erythroblastosis fetaliserythroblastosis fetalis (Rh incompatibility)(Rh incompatibility)

IgM• StructureStructure

– Pentamer (19S)– Extra domain (CH4)

J h i (j i i h i ) J Chain– J chain (joining chain) J Chain

CH4

Biological Properties of IgM• Ig pertama yang terbentuk setelah immunisasi

• Macroglobulin (M), dengan BM = 900,000 Da

• Memiliki extra CH domain

• Pentamer molecule (tdd 5 rantai polipeptida)• Pentamer molecule (tdd 5 rantai polipeptida)

• Memiliki ikatan disulfid tambahan antara Fc portions dengan

t i li tid J h irantai polipeptida J chain

• 5 Ag combining sites

• Ditemukan lebih banyak pada ruang intravascular

• Half life dalam 5 hariHalf life dalam 5 hari

Biological Properties of IgM• Tidak menembus placenta

• Hanya kelas Ig yang disintesis oleh fetus (5 bulan kehamilan)

• Peningkatan level IgM pd fetus menunjukkan g g p jcongenital atau perinatal infeksi

• Isotype pertama yang disintesis setelah imunisasiIsotype pertama yang disintesis setelah imunisasi terhadap T-dependent Ag

• Kadar IgM yang meninggi biasanya menunjukkanKadar IgM yang meninggi biasanya menunjukkan infeksi yang baru terjadi atau paparan thd Ag

Biological Properties of IgM

• IgM molecule bersifat efisien thd agglutinasi

• Natural antibodi, isohemagglutinins terhadap Red Blood Cell (RBC) Ag dari golongan darah A,B,O

• Aktivasi dari complement

• Bentuk pertahanan pertama yang paling penting• Bentuk pertahanan pertama yang paling penting terhadap infeksi bakteri

• Tidak sensitif thd neutralisasi toxin dan neutralisasi terhadap virusp

IgAS• Structure– Serum - monomer– Secretions (sIgA)Secretions (sIgA)

• Dimer (11S)• J chain• Secretory componentSecretory component

J ChainSecretory Piece

Biological Properties of IgA

Jumlah sedikit dlm serum, tp lbh tinggi dlm btk IgA sekretori (sIgA) dlm cairan sekresi sal. Napas, sal. Cerna, sal. Kemih, air mata, keringat, ludah, dan air susu, BM= 165.000 Da

I t b k d k kIg terbanyak pada permukaan mukosa

IgA dibentuk sel plasma dlm sel epitel lamina propria selaput lendir (bukan sel B) ke lumen sal cerna jg melepas secretorylendir (bukan sel B), ke lumen sal cerna, jg melepas secretory piece utk membtk sIgA yg terlindung dr pencernaan enzim

Penting pada imunitas neonatusPenting pada imunitas neonatus

Kadar IgA yg tinggi dlm serum, pd infeksi kronik sal. Napas dan cerna spt TB, sirosis alkoholik, peny. Coeliac, kolitis ulseratif dancerna spt TB, sirosis alkoholik, peny. Coeliac, kolitis ulseratif dan peny. Crone

Fungsi : agglutinasi, memudahkan fagositosis, opsonisasig gg g

Mengaktifkan komplemen melalui jalur alternatif

Origin of Secretory Component of sIgAsIgA

IgD• StructureS uc u e– Monomer– Tail piece

Tail Piece

Biological Properties of IgD

• Kadar sangat rendah dalam sirkulasi

• Peka terhadap degradasi oleh proses proteolitik

• Komponen permukaan utama dari sel B dan petanda diferensiasi sel B yang matang

• Tidak mengikat komplemen

• IgD ditemukan bersama IgM pd permukaan• IgD ditemukan bersama IgM pd permukaan sel B sebagai reseptor antigen

IgE• StructureS uc u e– Monomer– Extra domain (CH4)

CH4CH4

Biological Properties of IgE

– Ig dengan jumlah paling sedikit dalam serum

• Berikatan dgn basophil dan mast cells (tidakBerikatan dgn basophil dan mast cells (tidak

memerlukan ikatan Ag)

– Berperan pada Reaksi Alergi

– Berperan pada Infeksi Parasit (Helminths)Berperan pada Infeksi Parasit (Helminths)

• Berikatan dengan Fc receptor pd eosinophils

– Tidak berikatan dengan complement

Reaksi AlergiBerikatan dan cross-linking dr Antigen pada

IgE molecule yang terikat pd mast cells atauIgE molecule yang terikat pd mast cells atau

basophil kemudian memicu sekresi amines

(khususnya histamine) melalui exocytosis.

Menyebabkan dilatasi dan peningkatanMenyebabkan dilatasi dan peningkatan

permeabilitas pembuluh darah

Pd keadaan normal, membantu lymphocyte

dan antibodi msk ke tempat peradanganp p g

AN ALLERGIC REACTION

MASTCELL

EARLYORACUTEIL-5

VASOACTIVE MEDIATORS

CELL

EOS

IL-4

IgE

B CELL

IL-5IL-4

ALLERGEN

MASTCELL

Th2LATE

DENDRITIC CELLDENDRITIC CELL

ANTIBODY FUNCTIONS

ANTIBODY FUNCTIONS