Fiche explicative de la leçon: Structure et fonction des anticorps Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à faire la différence entre un antigène et un anticorps et à décrire la structure des anticorps et leur fonction dans la réponse immunitaire.

Saviez-vous que tous les tissus de votre corps sont en contact avec des cellules immunitaires pour inspecter tout signe d’une infection ? Le système immunitaire humain est capable de produire des réponses extrêmement rapides et efficaces aux infections. Ces réponses peuvent être non spécifiques, par exemple des barrières physiques telles que la peau, qui empêchent l’entrée de micro-organismes dangereux appelés pathogènes au sein de l’organisme. Ces réponses sont toujours présentes ou sont activées très rapidement. Parfois, ces agents pathogènes parviennent tout de même à passer à travers ces défenses, et c'est à ce moment-là que la réponse immunitaire spécifique sera activée.

La réponse immunitaire spécifique est beaucoup plus lente qu’une réponse non spécifique, et peut prendre jusqu’à 14 jours pour répondre efficacement. Toutefois, grâce à la présence de cellules mémoire, qui restent dans le système immunitaire après une infection initiale et reconnaissent l'agent pathogène qui l'a causée, la deuxième réponse peut être très rapide ! 

Une des réponses immunitaires spécifiques est appelée immunité humorale et implique des anticorps. Les anticorps ciblent des molécules spécifiques appelées antigènes qui se trouvent dans le plasma sanguin et d’autres liquides organiques. Dans cette fiche explicative, nous nous concentrerons sur la manière dont la structure et la fonction de ces anticorps nous protègent contre les infections et les maladies.

Tout d’abord, regardons ce que sont réellement les antigènes et les anticorps.

Toutes les cellules ont des molécules d’antigène à la surface de leur membrane cellulaire. Les antigènes se trouvent également sur l'enveloppe externe des virus et correspondent aussi simplement à toute molécule ou substance susceptible de déclencher une réponse immunitaire.

L’organisme humain peut faire la distinction entre ses propres antigènes, appelés du soi, et les antigènes du non-soi situés à la surface de la membrane cellulaire d’une cellule étrangère. L’organisme humain reconnaît les antigènes du non-soi et déclenche une réponse immunitaire contre les agents pathogènes potentiellement dangereux. Certaines toxines agissent également comme des antigènes, car elles déclenchent également une réponse immunitaire spécifique.

Vous pouvez voir des antigènes à la surface d’une bactérie et d’un virus dans la figure 1 ci-dessous.

Les anticorps, parfois appelés immunoglobulines, sont des protéines solubles produites et libérées par les globules blancs appelés lymphocytes B. Les anticorps peuvent aussi rester liés à la surface des lymphocytes B.

Des anticorps sont produits lorsque la réponse immunitaire est déclenchée par des antigènes du non-soi situés à la surface d’un agent pathogène ou d’une toxine. Ces lymphocytes B ont également des récepteurs d’immunoglobulines à la surface de leur membrane cellulaire, qui permettent aux anticorps de rester attachés à la cellule B. Vous pouvez voir une image d’anticorps liés à, et libérés de la surface d’un lymphocyte B dans la figure 2 ci-dessous.

Les anticorps ne se lient à des antigènes spécifiques d’un agent pathogène ou d’une toxine que par liaison complémentaire.

La forme du site de liaison d’un anticorps particulier est spécifique à la forme d’un antigène particulier, de sorte qu’une liaison complémentaire ne peut avoir lieu qu’entre ces molécules. C'est un peu comme des clés dont la forme ne peut entrer que dans une serrure de forme complémentaire. Il existe des anticorps spécifiques pour chaque antigène, tout comme il existe des clés pour chaque serrure.

Vous pouvez voir le modèle de liaison complémentaire utilisée dans la réponse immunitaire dans la figure 3 ci-dessous.

Lorsqu’un anticorps se lie à son antigène complémentaire comme le montre la figure 3, il forme un complexe antigène-anticorps. Lorsque le lymphocyte B attaché à l’anticorps rentre en contact avec un antigène à la surface d’un agent pathogène, il se divise par mitose. Cela produit un groupe de cellules chacune capable de produire et de sécréter des anticorps spécifiques et identiques qui sont complémentaires à cet antigène spécifique. Ces cellules circuleront ensuite dans l'organisme via le sang et la lymphe pour cibler tout autre agent pathogène possédant les mêmes antigènes à sa surface.

Regardons la structure d’une protéine anticorps avant de nous plonger dans les détails de ses fonctions.

Les anticorps sont des glycoprotéines en forme de Y, qui correspond à une protéine attachée à une chaîne glucidique. Les anticorps sont parfois appelés immunoglobulines, comme le montre la figure 4 ci-dessous.

Les anticorps sont des protéines globulaires, ce qui signifie qu’ils sont sphériques ou « en forme de globe ». Les protéines globulaires ont tendance à être solubles dans l’eau, comme les anticorps qui ne sont pas liés à la surface des lymphocytes B. C'est important car ils sont transportés par les fluides corporels pour accéder efficacement à tous les tissus de l'organisme et aider à combattre l'infection où qu'elle se produise. Ils peuvent également être liés à la membrane d’un lymphocyte B.

Chaque protéine de type anticorps se compose de deux longues chaînes polypeptidiques identiques appelées les chaînes lourdes et de deux autres chaînes plus petites appelées les chaînes légères, qui sont également identiques l’une à l’autre. Ces quatre sous-unités polypeptidiques sont reliées entre elles par des ponts disulfures, ce qui confère à la molécule d'anticorps sa structure quaternaire. La structure quaternaire d’une protéine est formée lorsque deux ou plusieurs sous-unités de protéine s’associent.

Les chaînes lourdes et légères d’un anticorps se chevauchent. Certaines parties des chaînes lourdes et légères forment une région variable au sommet de la molécule, et d’autres parties des chaînes lourdes et légères forment la région constante à la base de la molécule d’anticorps.

En haut des chaînes lourdes et légères de l'anticorps se trouve la région variable, représentée en bleu dans le schéma de la figure 4. On l’appelle la région variable car elle varie d'un anticorps à l'autre.

La région variable est constituée de 110 acides aminés au total, 55 sur chacun des deux bouts du « Y » qui forme la structure de l’anticorps. La région variable de chaque anticorps contient deux sites de liaison à l'antigène, spécifiques à un antigène complémentaire. Cette spécificité est assurée par la séquence spécifique et la disposition spatiale des acides aminés dans la région variable. Chacun des deux sites de liaison à un antigène d’un anticorps unique est identique. Cela signifie que deux antigènes peuvent se lier à un anticorps, même s’il n’y en a qu’un sur le point de se lier à l'anticorps de la figure 4 ci-dessus.

Comme le reste de la molécule est le même pour chaque anticorps, cette région de chaînes lourdes et légères est appelée la région constante et est représentée sur la figure 4 en vert. À la base d'un anticorps soluble se trouve un site de liaison à un récepteur qui lui permet de se lier à des récepteurs sur la membrane cellulaire de différentes cellules telles que les phagocytes qui peuvent engloutir et digérer l'agent pathogène.

Exemple 2: Décrire la structure d’un anticorps

Quelle est la meilleure description d’un anticorps ? 

1. Le site de liaison à l'antigène se trouve dans la chaîne légère et la région constante dans la chaîne lourde.
2. La séquence d’acides aminés et la forme 3D de tous les anticorps sont les mêmes.
3. Il est composé de deux sous-unités, une chaîne lourde et une chaîne légère.
4. La molécule est une protéine globulaire composée de quatre chaînes polypeptidiques différentes.
5. C’est une protéine globulaire à structure quaternaire qui comprend deux types de polypeptides.

Réponse

Les anticorps sont des protéines globulaires, ce qui signifie qu’ils sont sphériques ou « en forme de globe ». Les protéines globulaires ont tendance à être solubles dans l’eau, et les anticorps qui ne sont pas liés à la surface des lymphocytes B sont solubles. Ceci est important car ils sont transportés par les fluides corporels pour parvenir efficacement à tous les tissus corporels afin de combattre l’infection où qu’elle se produise.

Les anticorps participent à la réponse immunitaire en se liant à des antigènes de forme complémentaire qui sont soit des toxines, soit situés sur la membrane d'une cellule du non-soi, telle qu’un agent pathogène qui peut causer une maladie.

Regardons la structure d’un anticorps pour déterminer la bonne option.

Chaque protéine de type anticorps est constituée de deux longues chaînes polypeptidiques identiques appelées les chaînes lourdes et de deux chaînes identiques plus petites appelées les chaînes légères. Ces quatre sous-unités polypeptidiques sont réunies par des ponts disulfures, donnant à la molécule d’anticorps sa structure quaternaire comme vous pouvez le voir dans le schéma ci-dessous.

La forme de la région variable est différente selon l’anticorps ; elle dépend de la séquence, de l’arrangement et de la forme des acides aminés qui le composent. Comme le reste de la molécule est la même pour chaque anticorps, cette région est appelée région constante. À la base de chaque anticorps se trouve un site de liaison au récepteur. Ce site de liaison permet à l’anticorps de se lier aux récepteurs à la surface de la membrane de différentes cellules.

À l’aide des informations du schéma, éliminons les options incorrectes.

Nous pouvons voir que l’affirmation selon laquelle le site de liaison à l’antigène est dans la chaîne légère et la région constante est dans la chaîne lourde est incorrecte, car les chaînes lourdes et légères se chevauchent. Certaines parties des chaînes lourdes et légères forment les sites de liaison à l’antigène au sommet de la molécule, et d’autres parties des chaînes lourdes et légères forment la région constante à la base de la molécule d’anticorps.

L’option suggérant que la séquence des acides aminés et la forme 3D de tous les anticorps sont identiques est également fausse, car la région variable des différents anticorps varie, comme son nom l’indique. En effet, les différents acides aminés forment la région variable, de sorte que différents anticorps sont spécifiques à différents antigènes.

L’option indiquant qu’il est composé de deux sous-unités, une chaîne lourde et une chaîne légère, est également incorrecte. En effet, comme nous pouvons le voir dans la figure, un anticorps est constitué de quatre chaînes polypeptidiques : deux chaînes lourdes identiques et deux chaînes légères identiques.

L’option indiquant que la molécule est une protéine globulaire composée de quatre chaînes polypeptidiques différentes est donc également fausse, car même si les anticorps sont bien des protéines globulaires, les deux chaînes lourdes sont identiques, tout comme les deux chaînes légères. Cela signifie que les quatre polypeptides ne sont pas tous différents les uns des autres.

Par conséquent, la meilleure description d’un anticorps est qu’il s’agit d’une protéine globulaire à structure quaternaire qui comprend deux types de polypeptides.

Exemple 3: Identifier l’emplacement de la liaison antigénique

La figure représente la structure d’un anticorps. Où se lie l’antigène ? 

Réponse

Pour identifier où se lie un antigène sur l’anticorps, regardons d’abord les différentes parties de l’anticorps.

Une protéine anticorps, ou immunoglobuline, est constituée de quatre chaînes de polypeptides. Il y a deux longues chaînes lourdes identiques qui forment la partie centrale de la molécule et deux chaînes légères plus courtes qui forment l’extérieur de l’anticorps et qui sont également identiques. Ces chaînes sont reliées entre elles par des ponts disulfure, dont deux sont indiqués par « A » sur le schéma. Annotons le schéma avec les informations obtenues jusqu’à présent.

À la base des chaînes lourdes d’un anticorps se trouve un site de liaison, indiqué sur la figure par un « D ». Ce site de liaison permet aux antigènes de se fixer aux récepteurs à la surface des cellules hôtes du soi, en particulier celles impliquées dans le système immunitaire.

Il y a deux autres sites de liaison au sommet de chaque bras de la forme en « Y » de l’anticorps. Ces deux sites de liaison, marqués ici « B » et « C », sont identiques et ont une forme complémentaire à un antigène particulier en fonction de l’anticorps. Cela permet à un anticorps de se fixer à deux antigènes de façon complémentaire.

Par conséquent, les emplacements où les antigènes peuvent se lier à cet anticorps sont B et C.

Il existe cinq types différents d’anticorps solubles qui circulent dans le sang et la lymphe : les IgA, les IgD, les IgE, les IgG et les IgM. Le tableau 1 montre les principales différences entre chacun de ces types d’anticorps, y compris leur structure et leur fonction.

Vous pouvez voir que la région variable de chaque type d’anticorps soluble est différente, ce qui est indiqué par leur différente couleur et par la manière dont certains se regroupent en solution. Le tableau 1 décrit les différences dans leur fonction et leur structure et ceux qui peuvent se lier aux récepteurs d’anticorps à la surface de la membrane cellulaire des lymphocytes B.

Maintenant que nous en savons plus sur la structure des anticorps, regardons comment ils fonctionnent contre les agents pathogènes et les toxines.

Les anticorps ne détruisent pas directement eux-mêmes les agents pathogènes, mais facilitent d’autres processus immunitaires qui décomposent et éliminent les agents pathogènes et les toxines de l’organisme. Nous examinerons six principaux mécanismes : l’opsonisation, la neutralisation, l’agglutination, la précipitation, la lyse et l’action antitoxine.

Commençons par l’opsonisation, qui est résumée dans le schéma de la figure 5 ci-dessous.

L’étape 1 de la figure 5 montre que les antigènes et les anticorps sont séparés.

Une opsonine est une molécule, comme un anticorps, qui se lie aux antigènes présents à la surface de la membrane des cellules pathogènes, ce qui signale leur présence. Ce processus de marquage est appelé opsonisation, et vous pouvez voir son fonctionnement dans l’étape 2 de la figure 5. Ce complexe antigène-anticorps permet aux globules blancs appelés phagocytes de les reconnaître plus facilement. Les récepteurs à la surface cellulaire du phagocyte peuvent se lier aux sites de liaison du récepteur sur les anticorps une fois que ceux-ci ont formé des complexes antigène-anticorps avec le pathogène.

Le phagocyte engloutit ensuite l’agent pathogène, comme vous pouvez le voir dans l’étape 3 de la figure 5. Une fois que l’agent pathogène est englouti, le phagocyte le décompose en digérant l’agent pathogène avec des enzymes. Ce processus s’appelle la phagocytose, qui est grandement facilitée en présence d’anticorps.

De plus, une fois qu’ils font partie d’un complexe antigène-anticorps, la plupart des agents pathogènes ne peuvent pas envahir les cellules hôtes, ce qui réduit considérablement leur infectiosité et leurs effets néfastes sur les cellules hôtes. C’est le principe de la neutralisation, le prochain mécanisme dont nous discuterons.

Les anticorps neutralisants peuvent en particulier bloquer les effets néfastes des virus. Le mot neutre dans la neutralisation fait référence au fait que les anticorps rendent un virus inoffensif.

La neutralisation est une réaction entre un antigène situé sur l'enveloppe externe d'un virus et l'anticorps qui lui est complémentaire. Lorsque l’anticorps se lie à un virus, il le rend inactif ou inefficace.

La neutralisation peut également empêcher les virus de modifier leur structure et leur forme, appelés changements de conformation. Un anticorps se liant à l’antigène viral l’empêche d’effectuer ces changements de conformation. Par conséquent, le virus ne peut pas pénétrer aussi facilement dans les cellules hôtes et ne peut donc pas s’y répliquer. Cela signifie que la propagation de l’agent pathogène dans l’organisme de l’hôte est réduite.

Si le virus réussit tout de même à pénétrer dans la cellule hôte, les anticorps neutralisants maintiendront l’enveloppe protéique du virus fermée. Cela empêche les acides nucléiques (ADN ou ARN) du virus de sortir de leur enveloppe et de se répliquer. Une fois qu’un virus a été neutralisé par un anticorps, le pathogène est dégradé par les globules blancs, et les restes sont filtrés et excrétés.

Passons maintenant à l’agglutination, illustrée dans la figure 6 ci-dessous.

Les anticorps IgM sont un bon exemple d’anticorps qui agissent comme des agglutinines. Comme les anticorps IgM se composent de cinq molécules d’anticorps liées entre elles, il possède jusqu’à dix sites de liaison aux antigènes, de sorte qu’ils peuvent s’attacher à de nombreuses cellules pathogènes à la fois.

L’agglutination décrit la façon dont les agents pathogènes porteurs de complexes antigène-anticorps se regroupent. La formation d'amas empêche les agents pathogènes de se propager aussi facilement dans l’organisme. Cela permet également aux phagocytes d’engloutir plusieurs agents pathogènes à la fois. Il est important de noter que les molécules d’anticorps ont toutes au moins deux sites de liaison à l’antigène ; tous les anticorps, et pas seulement l’IgM, sont capables de réticuler et d’agglutiner plusieurs agents pathogènes.

Exemple 4: Décrire les processus anticorps facilitant la phagocytose

Quel processus décrit le mieux ce qui se passe sur la figure donnée ? 

Réponse

La question nous demande quel processus se déroule dans le schéma, alors identifions d’abord les différentes structures, afin de déterminer ce qu’elles font.

Les molécules en forme de Y sont des anticorps, ou des protéines immunoglobulines. Les anticorps ont des sites de liaison qui ont une forme complémentaire à des antigènes spécifiques présents à la surface des membranes cellulaires. Cela est utile pour le système immunitaire, puisque les anticorps sont alors capables de faire la distinction entre les cellules appartenant à l'hôte qui contiennent des antigènes du soi et les cellules qui pourraient être pathogènes et qui auront des antigènes du non-soi à leur surface.

Les grands cercles roses sur la figure représentent les cellules du non-soi d’un agent pathogène pouvant causer une maladie, et les formes à sa surface sont des antigènes du non-soi. Comme les antigènes triangulaires ont des anticorps qui y sont liés, ils forment des complexes antigène-anticorps. Légendons ces structures dans le schéma avant de regarder plus en détail ce qui se passe dans l’image.

Vous avez peut-être remarqué dans la figure que plusieurs cellules pathogènes ont été reliées entre elles par les anticorps. En effet, chaque anticorps possède deux sites de liaison pouvant se joindre à des antigènes complémentaires et triangulaires à la surface des agents pathogènes. Cela signifie que les anticorps sont capables de regrouper, ou de rassembler, plusieurs pathogènes à la fois.

Ce processus est appelé agglutination ; elle facilite la détection d’un complexe antigène-anticorps par les phagocytes. Cela signifie que la phagocytose, lors de laquelle les agents pathogènes sont engloutis et digérés par les phagocytes, est beaucoup plus efficace, car de nombreux agents pathogènes peuvent être décomposés simultanément.

Par conséquent, le processus qui se déroule sur cette figure, facilitant la phagocytose, est l’agglutination.

Voyons le rôle utile de la précipitation dans la réponse immunitaire.

Les antigènes et les anticorps sont deux molécules solubles, ce qui signifie qu’ils ne sont pas visibles en solution. Lorsqu’à une température et un pH optimaux il y a suffisamment de molécules d’antigènes avec leurs anticorps spécifiques qui réagissent, ils précipitent en solution. En effet, le complexe antigène-anticorps est insoluble, car un réseau se forme entre les antigènes et les anticorps lorsque plusieurs complexes sont réunis. La formation d’un réseau de nombreux complexes antigène-anticorps signifie qu’ils deviennent visibles sous forme de précipité.

Pour que le précipité se forme, l’antigène et l’anticorps doivent être complémentaires, et ils doivent se trouver dans une certaine concentration l’un par rapport à l’autre pour former une équivalence. Un excès d’anticorps ou d’antigènes empêche la formation efficace d’un réseau. Vous pouvez le voir dans la figure 7 ci-dessous.

Tout comme l’agglutination, la formation d’un précipité permet aux phagocytes d’engloutir et de digérer efficacement les agents pathogènes.

Les réactions de précipitation peuvent être utiles dans les études d’immunologie et les applications médicales. Elles peuvent servir à détecter un anticorps inconnu pour diagnostiquer des infections. Par exemple, le test du Laboratoire de recherche sur les maladies vénériennes (VDRL) utilise des anticorps pour tester la présence d’antigènes présents sur les bactéries responsables de la syphilis. Les anticorps du test VDRL ne se lieront qu’aux antigènes de ces bactéries spécifiques, et ainsi, seule la présence de ces bactéries entraînera la formation d’un précipité et donc donnera le diagnostic de l’infection.

Regardons ensuite la lyse.

La lyse est un terme qui se réfère à la décomposition d’une membrane de n’importe quelle sorte de cellule.

Vous avez peut-être déjà vu le mot lyse dans plusieurs termes biologiques différents. L'un de ces termes fait référence à un composant cellulaire appelé lysosome que l'on trouve dans la plupart des cellules, mais qui est surtout indispensable pour les globules blancs, comme les phagocytes. Les lysosomes à l'intérieur des phagocytes sont chargés de décomposer les agents pathogènes engloutis à l'aide d'enzymes digestives appelées lysozymes.

La lyse est souvent déclenchée par une infection virale. Les virus peuvent endommager les membranes cellulaires, provoquant leur dégradation et entraînant la mort de la cellule hôte. Les particules de virus qui se sont répliquées plusieurs fois sont ensuite libérées, avec le contenu cytoplasmique, et sont exposées à d’autres cellules non infectées dans l’hôte. La lyse peut même survenir à la suite d’une pression osmotique élevée des cellules animales qui contiennent trop d’eau ! La lyse est illustrée dans la figure 8 ci-dessous.

La lyse est facilitée par un groupe de protéines appelées compléments qui circulent dans le sang. Les compléments sont un autre type de protéine, en particulier des enzymes, qui sont activées par des anticorps. Les protéines du complément forment des pores dans une cellule du non-soi, ce qui permet à l’eau de pénétrer dans une cellule, la faisant lyser et éclater. Elles peuvent rompre les parois cellulaires ou les membranes cellulaires des agents pathogènes une fois qu'ils ont formé des complexes antigène-anticorps. Un phagocyte peut beaucoup plus facilement engloutir un agent pathogène une fois décomposé ! 

Enfin, examinons l'action des antitoxines pour voir comment elles aident les anticorps à nous défendre contre les effets dangereux des agents pathogènes.

Certains agents pathogènes produisent des toxines. Comme vous pouvez le voir dans la figure 9 ci-dessous, les toxines peuvent entrainer des dommages importants aux cellules hôtes et les détruire. Les anticorps peuvent agir comme des antitoxines pour prévenir ces dommages.

La partie supérieure de la figure 9 montre ce qui se passerait si les anticorps n’agissaient pas comme des antitoxines. Le schéma du bas montre que les anticorps évitent la destruction de la cellule hôte en détoxifiant les particules toxiques. Vous pouvez voir que les anticorps agissent comme des antitoxines en se liant aux toxines pour former des complexes entre les deux substances. Cela empêche les toxines de pénétrer dans une cellule hôte ce qui maintient la cellule hôte en bonne santé. Cela permet également aux toxines d’être facilement englouties et digérées par les phagocytes.

Les anticorps ne sont qu’une partie de la réponse immunitaire spécifique, ciblant les antigènes extracellulaires du plasma et des fluides corporels. Il y a plusieurs autres composants du système immunitaire qui surveillent et contrôlent la propagation de la maladie pour nous maintenir en aussi bonne santé que possible.

Récapitulons certains des points clés que nous avons couverts dans cette fiche explicative.