항원-항체 결합

항체는 중간대사산물, 당, 지방, 자극성 약물, 호르몬뿐만 아니라, 복합 탄수화물, 인지질, 핵산, 단백질 등 거대분자를 포함한 모든 종류의 생물학적 분자들을 항원으로 인식한다. 일반적으로 단백질, 탄수화물, 핵산과 같은 거대분자는 항체의 항원 결합 부위보다 크기 때문에 거대분자의 일부분이 항체에 결합하는데 이를 항원 결정기(determinant)또는 에피토프(epitope)라 한다. 거대분자는 다수의 항원결정기를 포함하고 이들 중 어떤 것들은 반복되어 있으며, 다수의 동일한 결정기가 반복된 형태의 항원을 다가(multivalency) 항원이라 한다. 탄수화물 및 핵산은 여러 개의 동일한 에피토프가 일정한 간격으로 반복되어 있는 다가 항원이다.세포 표면에 있는 단백질과 탄수화물 또한 대부분 다가 항원이다. B 세포 수용체의 clustering을 유도할 수 있다.

단일 단백질 분자에서 항원 결정기가 배치된 위치에 따라 항체와의 결합에 영향을 미친다. 항원결정기가 서로 멀리 떨어져 있을 경우 둘 이상의 항체 분자가 서로 영향을 주지 않고 항원에 잘 결합될 수 있으며 이러한 항원 결정기를 nonoverlapping 결정기라 한다. 두 항원 결정기가 서로 가깝게 위치할 경우 한쪽 항원 결정기에 결합한 항체가 다른 항원 결정기에 결합한 항체를 공간적으로 방해할 수 있고, 이러한 항원결정기를 overlapping 결정기라 한다. 또한 첫 번째 항체의 항원 결합이 항원의 구조를 변화시켜 두 번째 항체의 항원 결합에 영향을 미치는 경우 allosteric 효과라 한다.

단백질의 경우 항원 결정기가 일차 구조에 의해 형성되기도 하지만, 삼차구조 또는 입체구조에 항원 결정기가 존재하기도 한다. 인접한 몇 개의 아미노산에 의해 형성되는 항원결정기를 선형 결정기(linear determinant)라 한다. 선형 결정기가 단백질 외부에 노출되어 있으면 항체의 접근이 쉽지만, 자연 단백질의 경우 대부분 선형 결정기가 항체의 접근이 어려운 위치에 존재하고 있어 단백질이 변성되어야 항체의 접근이 쉬워진다. 항원결정기가 인접한 아미노산에 의해 형성되는 선형 결정기와 달리 꼬여진 단백질 구조가 공간적으로 접근되어 만들어지는 항원 결정 기를 구조형 결정기(conformational determinant)라 한다. 또한, 당화, 인산화, 유비퀴틴화, 아세틸화 또는 가수분해 등을 통해 단백질 구조의 변화가 발생해 새로운 항원 결정기가 형성되는데, 이를 신항원결정기(neoantigenic determinant)라 한다.

단당류 또는 약물 등과 같은 작은 크기의 항원에 특이적인 항체의 경우 인접한 VL 및 VH에 존재하는 CDR에 의해 형성된 틈새에 항원이 결합한다. 항원-항체 결합은 정전기력, 수소결합, 반 데르 발스 힘 및 소수성 결합과 같은 여러 형태의 결합에 의한 비공유성 상호작용이다. 항체의 항원 결합 부위 한 곳과 항원 결정기 사이의 결합력을 항체의 친화력(affinity)이라 한다. 친화력은 일반적으로 용액 상태에서 항체의 항원 결합 부위의 절반을 점유하는 데 필요한 항원의 농도를 의미하며 해리상수(Kd)로 나타낸다. Kd 값이 작을수록 보다 높은 친화력을 의미하고 항체와의 복합체 형성에서 적은 양의 항원이 필요함을 의미한다. 보통 체액 면역반응에서 생성되는 Kd 값은 1e-7 내지 1e-11 M 사이이다. 친화력은 주로 CDR의 아미노산 서열에 의해 결정된다. 다가항원은 동일한 항원 결정기를 한 개 이상 포함하므로, 항체의 한 개의 항원 결합 부위 친화력과 다가 항원의 각 항원 결정기에 대한 친화력이 같다 하더라도 항원에 대한 항체의 결합 강도는 결합 가능한 모든 항원 결정기에 결합하는 총체적인 부착력에 의해 결정되며, 이를 결합력(avidity)이라 한다. 결합력은 항원 결합 부위의 친화력보다 훨씬 강하다. 오량체인 IgM은 하나의 항체 분자당 10개의 항원 결합 부위를 갖기 때문에 친화력은 낮지만 낮은 친화력을 갖는 다수의 반응이 모여 높은 결합력이 발생하여 다가 항원에 매우 강하게 결합할 수 있다. 또한, 친화력 성숙 과정을 통해 항체의 항원에 대한 친화력이 증가하게 된다. 항원에 자극된 B 림프구에서 체세포 돌연변이가 발생하여 새로운 가변부 구조가 형성되고, 일부 변이된 가변부에서 항원에 대한 훨씬 강력한 친화력이 나타나게 되고 강한 친화력을 가진 항체를 생산하는 B 세포는 항원에 우선적으로 결합하고 항원 노출이 계속되어 우세한 B 세포가 된다. 이러한 과정을 친화력 성숙이라 한다.

시험관 내에서 다가 항원과 특이 항원을 혼합하였을 때 면역 복합체(항원-항체 복합체)가 형성된다. 면역 복합체의 크기는 항원 및 항체의 상대적 농도에 의해 결정된다. 항원과 항체의 농도가 적정한 등가역(zone of equivalence)에서는 거의 모든 항원 및 항체가 커다란 복합체를 형성하고 항원과 항체의 교차결합에 의한 분자 결합 그물이 형성된다. 적정 이상으로 항원의 양을 증가시킨 항원 과잉 영역(zone of antigen excess)에서는 자유 항원이 면역 복합체로부터 항원을 해리시키고, 저적 이상의 항체의 양을 증가시킨 항체 과잉 영역(zone of antibody excess)에서는 자유 항체가 면역 복합체로부터 항체를 해리시켜 상대적으로 적은 양의 면역 복합체가 형성된다.