第五章补体系统.docx

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第五章补体系统

第五章补体系统

补体（complement）系统包括30余种组分，广泛存在于血清、组织液和细胞膜表面，是一个具有精密调控机制的蛋白质反应系统。

一般情况下，血浆中多数补体成分仅在被激活后才具有生物学功能。

多种微生物成分、抗原-抗体复合物以及其他外源性或内源性物质可循三条既独立又交叉的途径，通过启动一系列丝氨酸蛋白酶的级联酶解反应而激活补体，所形成的活化产物具有调理吞噬、溶解细胞、介导炎症、调节免疫应答和清除免疫复合物等生物学功能。

补体不仅是机体固有免疫防御体系的重要组分，也是抗体发挥免疫效应的重要机制之一，并在不同环节参与适应性免疫应答及其调节。

补体缺陷、功能障碍或过度活化与多种疾病的发生和发展过程密切相关。

第一节补体概述

（一）补体系统的组成

构成补体系统的30余种组分按其生物学功能可以分为三类。

1.补体固有成分是指存在于血浆及体液中、参与补体激活的蛋白质，包括：

①经典途径的C1q、C1r、C1s、C2、C4;②旁路途径的B因子、D因子和备解素；③凝集素途径（MBL途径）的MBL、MBL相关丝氨酸蛋白酶；④补体活化的共同组分C3、C5、C6、C7、C8、C9。

2.补体调节蛋白是指存在于血浆中和细胞膜表面、通过调节补体激活途径中关键酶而控制补体活化程度和范围的蛋白分子。

3.补体受体是指存在于不同细胞膜表面、能与补体激活后所形成的活性片段相结合、介导多种生物效应的受体分子。

补体系统的命名原则为：

参与补体激活经典途径的固有成分按其被发现的先后分别命名为C1（q、r、s）C2、……C9;补体系统的其他成分以英文大写字母表示，如B因子、D因子、P因子、H因子；补体调节蛋白多以其功能命名，如C1抑制物、C4结合蛋白、衰变加速因子等；补体活化后的裂解片段以该成分的符号后面附加小写英文字母表示，如C3a、C3b等；灭活的补体片段在其符号前加英文字母i表示，如Ic3b。

（二）补体的理化性质

补体系统各成分均为糖蛋白，但有不同的肽链结构。

各成分分子量变动范围很大。

血清补体蛋白约占血清总蛋白的5%~6%，含量相对稳定，但在某些疾病情况下可有波动。

某些补体固有成分对热不稳定：

经56℃温育30分钟即灭活；在室温下很快失活；在0~10℃中活性仅能保持3~4天；故补体应保存在-20℃以下。

紫外线照射、机械震荡或某些添加剂均可能使补体破坏。

（三）补体的代谢

1.补体的来源体内许多不同组织细胞均能合成补体蛋白，包括肝细胞、单核/巨噬细胞、角质形成细胞、内皮细胞、肠道上皮细胞和肾小球细胞等。

其中肝细胞和巨噬细胞是补体的主要产生细胞。

血浆中大部分补体组分由肝细胞分泌，但在不同组织中，尤其在炎症灶中，巨噬细胞是补体的主要来源。

不同补体成分的主要合成部位可能各不相同。

2.补体生物合成的调节补体的生物合成具有两个特点：

①补体的基因表达存在组织特异性，不同细胞各自调节其补体的生物合成，例如家族性C3缺乏症患者肝细胞产生的C3明显减少，不足正常的1%,但巨噬细胞产生的C3可超过正常水平；②补体生物合成可受多种因素调节，其中既包括局部组织特异的因子，也包括多种全身激素。

例如：

某些补体组织属于“急性期反应物”，机体应激反应中所产生的细胞因子（如IL-1、IL-6、TNF-α、IFN-γ等）可调节其生物合成。

3.补体的分解代谢与其他血浆蛋白相比，补体代谢率极快，血浆补体每天约有一半被更新。

在疾病状态下，补体代谢可能发生更为复杂的变化。

第二节补体激活途径

补体固有成分以非活化形式存在于体液中，通过级联酶促反应被激活，产生具有生物学活性的产物。

已发现三条补体激活途径，它们有共同的终末反应过程。

（一）经典途径

经典途径指激活物与C1q结合，顺序活化C1r、C1s、C4、C2、C3，形成C3转化酶（C4b2a）与C5转化酶（C4b2a3b）的级联酶促反应过程。

C1通常以C1q（C1r）2（C1s）2复合大分子形式存在于血浆中。

C2血浆浓度很低，是补体活化级联酶促反应的限速成分。

C3是血浆中浓度最高的补体成分，是三条补体激活途径的共同组分。

1.激活物经典途径的激活物主要是与抗原结合的IgM、IgG分子。

另外，C反应蛋白、细菌脂多糖、髓鞘脂和某些病毒蛋白等也可作为激活物。

人类不同抗体活化C1q的能力各异（IgM＞IgG3＞IgG1＞IgG2），IgG4无激活经典途径的能力。

2.活化过程C1q与2个以上Fc段结合可发生构型改变，使与C1q结合的C1r活化，活化的C1r激活C1s的丝氨酸蛋白酶活性。

活化的C1s的第一个底物是C4。

在Mg2+存在下，C1s使C4裂解为C4a和C4b，其中部分C4b结合至紧邻抗原抗体结合处的细胞或颗粒表面。

C1s的第二个底物是C2分子。

在Mg2+存在下，C2与C4b形成复合物，被C1s裂解而形成C2b和C2a；C2a可与C4b结合成C4b2a复合物即C3转化酶，后者使C3裂解为C3a和C3b,此乃补体活化级联反应中的枢纽型步凑。

新生的C3b可与C4b2a中C4b结合，形成C4b2a3b即C5转化酶，进入补体激活的终末通路。

C3a游离于液相，是重要的炎症介质。

另外，C3b还可进一步裂解为C3c、C3dg、C3d等小片段，其中C3d可参与适应性免疫应答。

C5转化酶将C5裂解为C5a、C5b；C5a游离于液相，是重要的炎症介质，C5b可与C6稳定结合为C5b6、C5b6自发与C7结合成C5b67,暴露膜结合位点，与附近的细胞膜非特异性结合；结合于膜上的C5b67可与C8结合，所形成的C5b678可促进与多个C9分子聚合，形成C5b6789n复合物，此即攻膜复合物。

插入细胞膜的MAC通过破坏局部磷脂双层而形成“渗漏斑”，或形成穿膜的亲水性孔道，可容许水、离子及可溶性小分子等经此孔道自由流动。

由于胞内胶体渗透压较胞外高，故大量水分内流，导致胞内渗透压降低、细胞逐渐肿胀并最终破裂。

（二）旁路途径

旁路途径又称替代激活途径，其不依赖于抗体，而由微生物或外源异物直接激活C3，在B因子、D因子和备解素参与下，形成C3转化酶和C5转化酶，启动级联酶促反应过程。

在生物进化的种系发生上，旁路途径是最早出现的补体活化途径，是抵御微生物感染的非特异性防线。

1.激活物某些细菌、内毒素、酵母多糖、葡聚糖均可成为旁路途径的“激活物”，它们实际上是为补体激活提供保护性环境和接触的表面。

2.活化过程此途径从C3开始。

生理条件下，血清C3受蛋白酶等作用可发生缓慢而持久的水解，产生低水平C3b。

自发产生的C3b绝大多数在液相中快速失活，少数可与附近的膜表面结构共价结合，膜表面结构不同，产生不同的结果：

①结合于自身组织细胞表面的C3b，可被多种调节蛋白降解、灭活；②结合于“激活物”表面的C3b,可与B因子结合，在Mg2+存在下，结合的B因子被D因子裂解为Ba和Bb，Bb仍与C3b结合，形成C3bBb,即旁路途径C3转化酶。

旁路途径中，备解素与C3b、Bb结合可稳定C3转化酶，防止其被降解。

结合于激活物表面的C3bBb可裂解更多C3分子，部分新生的C3b又可与Bb结合为新的C3bBb，形成旁路激活的正反馈放大效应。

部分C3b可与C3bBb复合物结合为C3bBb3b,此即旁路途径C5转化酶。

其后的终末通路与经典途径完全相同。

（三）凝集素途径

凝集素途径又称MBL途径，指血浆中甘露糖结合凝集素或纤维胶原素等直接识别病原体表面糖结构，依次活化MBL相关丝氨酸蛋白酶、C4、C2、C3，形成与经典途径中相同的C3转化酶与C5转化酶的级联酶促反应过程。

1.激活物凝集素途径的激活物是病原体表面的糖结构。

MBL和FCN可选择性识别多种病原体表面以甘露糖、甘露糖胺等为末端糖基的糖结构。

含这些末端糖基的糖结构在哺乳动物细胞罕见，但却是细菌、真菌及寄生虫细胞表面的常见成分。

2.活化过程MBL-MASP或FCN-MASP复合物与病原体表面糖结构结合后，MBL或FCN发生构想改变，使之与结合的MASP1和MASP2被分别激活。

活化的MASP2发挥其丝氨酸蛋白酶活性，裂解C4，所产生的C4b片段共价结合于病原体表面，随后与C2结合，后者也被MASP2裂解，生成与经典途径相同的C3转化酶C4b2a,继之裂解C3产生C5转化酶C4b2a3b,最后进入补体激活的末端通路。

另外，活化的MASP1可直接裂解C3产生C3b，在D因子和P因子参与下，激活补体旁路途径。

因此，凝集素途径对经典途径和旁路途径的活化具有交叉促进作用。

（四）三条补体激活途径的特点

在生物种系进化中，三条补体激活途径出现的先后顺序是旁路途径→MBL途径→经典途径。

三条途径起点各异，但存在相互交叉，并具有共同的末端通路。

1.经典途径主要特点为：

①激活物主要是由IgG和IgM结合膜型抗原或游离抗原所形成的免疫复合物，C1q识别抗原-抗体复合物是该途径的起始步凑；②C3转化酶和C5转化酶分别是C4b2a和C4b2a3b;③其启动有赖于特异性抗体产生，故在感染后期才能发挥作用，并参与抵御相同病原体再次感染机体。

2.旁路途径主要特点：

①“激活物”是细菌、真菌或病毒感染细胞等，为自发产生的C3b提供反应表面；②C3转化酶和C5转化酶分别是C3bBb和C3bBb3b;③存在正反馈放大环；④无需抗体存在即可激活补体，故在抗体产生之前的感染早期或初次感染即可发挥作用。

3.凝集素途径主要特点为：

①激活物质非常广泛，主要是多种病原微生物表面的N氨基半乳糖或甘露糖，由MBL和FCN等识别；②除识别机制有别于经典途径外，后续过程基本相同；③对经典途径和旁路途径具有交叉促进作用；④无需抗体参与即可激活补体，可在感染早期或初次感染中发挥作用。

第三节补体激活的调节

机体对补体系统活化存在着精细的调控机制，主要包括：

①控制补体活化的启动；②补体活化片段发生自发性衰变；③血浆和细胞膜表面存在多种补体调节蛋白，通过控制级联酶促反应过程中酶活性和MAC组装等关键步凑而发挥调节作用。

本章主要介绍各类补体调节蛋白针对补体激活途径关键环节的调节机制。

（一）针对经典途径前端反应的调节机制

C4b2a是经典途径和凝集素途径的C3转化酶。

针对C4b2a的调节因子均发挥负调控作用，主要是阻断C4b2a形成，或分解已形成的C4b2a，使之灭活。

另外，C5转化酶C4b2a3b也受此机制调控。

在该环节起作用的补体调节蛋白C1、CR1、C4结合蛋白、膜辅蛋白、I因子、衰变加速因子等。

（二）针对旁路途径前端反应的调节机制

多种调节蛋白可调控旁路途径C3转化酶形成，或抑制已形成C3转化酶的活性。

旁路途径C5转化酶C3bBb3b也受此机制调控。

此外，P因子起正调节作用。

（三）针对MAC的调节机制

补体活化的共同末端通路中，多种补体调节蛋白可抑制MAC形成和活性，从而保护自身正常细胞免遭补体攻击。

这些因子包括膜反应性溶破抑制物、同源限制因子亦称C8结合蛋白、S蛋白、群集素等。

第四节补体的生物学意义

（一）补体的生物功能

补体活化的共同终末效应是在细胞膜上组装MAC，介导细胞溶解效应。

同时，补体活化过程中生成多种裂解片段，通过与细胞膜相应受体，如：

Ⅰ型补体受体（CR1、Cb3/C4b受体）、Ⅱ型补体受体（CR2、C3b受体，CD21）、Ⅲ型补体受体（CR3）、Ⅳ型补体受体（CR4）、C5aR、C3aR、C1qR等结合而介导多种生物功能。

1.细胞毒作用补体系统激活后，最终在靶细胞表面MAC，从而使细胞内外渗透压失衡，导致细胞溶破。

该效应的意义为：

参与宿主抗细菌（主要是G-细菌）、抗病毒及抗寄生虫等防御机制；参与集体抗肿瘤免疫效应机制；某些病理情况下引起机体自身细胞破坏，导致组织损伤与疾病（如血型不符输血后的溶血反应以及自身免疫病。

）

2.调理作用补体激活产生的C3b。

C4b、Ic3b等片段直接结合于细菌或其他颗粒物质表面，通过与吞噬细胞表面相应补体受体结合而促进吞噬细胞对其吞噬。

这种调理吞噬的作用可能是机体抵御全身性细菌感染和真菌感染的重要机制之一。

3.炎症介质作用补体活化过程中产生多种具有炎症介质作用的片段，如C5a、C3a和C4a等。

三者均可与肥大细胞或嗜碱性粒细胞表面相应受体结合，触发靶细胞脱颗粒，释放组胺和其他生物活性物质，引起血管扩张、毛细血管通透性增高、平滑肌收缩等，从而介导局部炎症反应。

C5a对中性粒细胞有很强的趋化活性，并可刺激中性粒细胞产生氧自由基、前列腺素和花生四烯酸等。

4.清除免疫复合物补体成分可参与清除循环IC，其机制为C3b与免疫复合物结合，同时黏附于CR1+红细胞、血小板，从而将运送至肝脏和脾脏被巨噬细胞吞噬、清除，此作用被称为免疫黏附。

（二）补体的病理生理学意义

1.机体抗感染防御的主要机制在抗感染防御机制中，补体是固有免疫和适应性免疫间的桥梁。

在生物进化过程中，补体作为相对独立的固有免疫防御机制，其出现远早于适应性免疫。

生物进化的种系发生学研究已证实，无脊椎动物和低等脊椎动物体内已能检出补体活性，且三条补体激活途径各具特点：

①旁路途径是最早出现的C3活化途径；②MBL途径将原始的、凝集素介导的防御功能与补体相联系，进一步显示补体作为固有免疫防御机制的重要性；③补体经典途径在生物进化的种系发生上出现最晚，它将非特异性的补体与特异的适应性免疫相联系，成为体液免疫应答的重要效应机制。

病原微生物侵入机体后，在特异性抗体出现前数天内，机体有赖于固有免疫机制发挥抗感染效应。

补体旁路途径或MBL途径通过识别微生物表面或其糖链组分而触发级联反应，所产生的裂解片段和复合物通过调理吞噬、炎症反应和溶解细菌而发挥抗感染作用。

在特异性抗体产生后，可通过经典途径触发C3活化，与旁路途径中C3正反馈环路协同作用，形成更为有效的抗感染防御机制。

2.参与适应性免疫应答补体活化产物、补体受体及补体调节蛋白可通过不同机制参与适应性免疫应答。

例如：

①补体介导的调理作用可促进抗原提呈细胞摄取和提呈抗原，启动适应性免疫应答；②与抗原结合的C3d可与B细胞表面的CD21/CD19/CD81复合物中的CD21交联，形成BCR-抗原-C3d-CR2复合物，为B细胞活化提供第一信号；③补体调节蛋白CD55、CD46和CD59能介导细胞活化信号，参与T细胞活化；④滤泡树突状细胞表面的CR1和CR2可将免疫复合物固定于生发中心，从而诱导和维持记忆B细胞；⑤感染灶的过敏毒素可招募炎症细胞，促进抗原的清除；⑥补体可抑制高分子量免疫复合物形成，并促进已沉淀的复合物溶解，从而在免疫复合物处理中发挥重要作用。

3.补体系统与血液中其他级联反应系统的相互作用补体系统与体内凝血系统、纤溶系统和激肽系统存在密切关系：

①四个系统的活化均依赖多种成分级联的蛋白酶裂解作用，且均借助丝氨酸蛋白酶结构域发挥效应；②一个系统的活化成分可对另一系统发挥效应，如C1INH不仅负调节活化的C1r、C1s，也可抑制激肽释放酶、血浆纤溶酶、凝血因子Ⅶ和Ⅵ。

某些疾病状态下（如弥散性血管内凝血、急性呼吸窘迫综合征等），四个系统的伴行活化具有重要病理生理意义。

综上所述：

补体的生物学意义远超出单纯非特异性防御的范畴，而涉及包括适应性免疫应答在内的广泛生理功能：

补体系统既是固有免疫防御的一部分，又是特异性体液免疫应答的重要效应机制；补体可调节适应性免疫应答，并与体内其他蛋白系统相互联系。

第五节补体与疾病的关系

补体遗传缺陷、功能障碍或过度活化，均可参与某些疾病的病理过程。

（一）遗传性补体缺损相关的疾病

几乎所有补体成分均可能发生遗传性缺损，其多为常染色体隐性遗传，少数为常染色体显性遗传，个别成分为X性联隐性遗传。

遗传性补体缺陷所致疾病约占原发性免疫缺陷病的2%，以参与经典途径补体组分的缺陷较常见。

由于补体成分缺损，致使补体系统不能被激活，导致患者对病原体易感，同时由于体内免疫复合物清除障碍而易患相关的自身免疫病。

（二）补体与感染性疾病

补体在机体抵御致病微生物感染中起重要作用。

某些情况下，病原微生物可借助补体受体入侵细胞，其机制为：

①微生物促进补体活化后，微生物与C3b、iC3b、C4b等补体片段结合，通过CR1、CR2而进入细胞，使感染播散；②某些微生物可以补体受体或补体调节蛋白作为其受体而入侵细胞。

例如：

EB病毒以CR2为受体；麻疹病毒以MCP为受体；柯萨奇病毒和大肠埃希菌以DAF为受体。

此外，微生物感染细胞后，可产生类似MCP、CD59、DAF样的补体调节蛋白，有效抑制补体的活化及溶解效应，从而对抗体的防御功能。

（三）不提遇炎症性疾病

补体激活是炎症反应中重要的早期事件。

创伤、烧伤、感染、缺血-再灌溉、体外循环、器官移植等均可激活补体系统，所产生的炎性因子或复合物（如C3a、C5a和非溶破效应的C5b~7、C5b~8、C5b~9等），可激活单核细胞、内皮细胞和血小板，使之释放炎症介质和细胞因子而参与炎症反应。

另一方面，补体系统通过与凝血系统、激肽系统和纤溶系统间的相互作用，并与TNF-α、PAF、IL-1、IL-6、IL-8等细胞因子彼此协同或制约，在体内形成极为复杂的炎性介质网络，扩大并加剧炎症反应，从而参与多种感染和非感染性炎症疾病的病理生理过程。

因此，适时恰当地抑制补体功能可能成为治疗某些疾病的有效策略。

思考题

1.补体激活有哪三条途径？

各自的生物学意义如何？

2.补体激活是如何调节的？

3.补体有哪些生物学功能？

4.补体系统相关的疾病有哪些？

简述其机制。