Działanie i znaczenie układu dopełniacza

przez Katarzyna Chojnacka Last updated maj 17, 2023

Wprowadzenie
Układ dopełniacza, inaczej komplement tworzy grupa około 30 białek konstytutywnie
występujących w osoczu i innych płynach ustrojowych. Białka te produkowane są
min. przez hepatocyty, monocyty, makrofagi, fibroblasty, nabłonek jelit. Komplement
stanowi istotny element nieswoistej odporności immunologicznej, ale także ściśle
wiąże się z mechanizmami odpowiedzi swoistej. Poprzez wspomaganie procesów
fagocytozy i nasilanie toczącej się reakcji zapalnej, uczestniczy w obronie organizmu
gospodarza przed różnorodnymi czynnikami, np. drobnoustrojami, wirusami,
grzybami, komórkami nowotworowymi.
Białka układu dopełniacza oznaczane są kolejno od C1 do C9, zostały nazwane
zgodnie z kolejnością ich odkrycia, co nie przekłada się do końca na kolejność ich
udziału w reakcjach dopełniacza. Ten rodzaj nazewnictwa odnosi się przede
wszystkim do drogi klasycznej aktywacji komplementu, natomiast odkryte białka
stymulujące drogę alternatywną to czynnik B i D, a białka uczestniczące w aktywacji
drogi lektynowej to kolektyny (zwłaszcza MBL) oraz proteazy MASP-1 i MASP-2.
Aktywacja układu dopełniacza zachodzi w sposób kaskadowy, czyli każdy kolejny
uaktywniony składnik aktywuje następny. Wyróżniamy trzy drogi aktywacji układu
dopełniacza: klasyczną, alternatywną oraz lektynową.
W przypadku każdej z trzech dróg aktywacji dochodzi do utworzenia dwóch istotnych
enzymów: konwertazy C3 i konwertazy C5, które bardzo silnie wzmacniają efekt
dopełniacza. Niezależnie jednak od sposobu aktywacji, końcowe etapy wszystkich
tych reakcji są identyczne i doprowadzają do utworzenia kompleksu atakującego
błonę (MAC), który składa się z C5b, C6, C7, C8 i polimerycznego C9 i śmierci
litycznej komórki docelowej.

Działanie tego systemu wyraża się poprzez:

opsonizację mikroorganizmów (ułatwienie fagocytozy),
chemotaksję komórek o właściwościach żernych do miejsca
toczącego się procesu zapalnego,
eliminację zmodyfikowanych lub uszkodzonych komórek gospodarza,
bezpośrednią lizę komórek bakteryjnych i wirusów,
inicjację reakcji zapalnej,
hamowanie precypitacji kompleksów immunologicznych antygen –
przeciwciało.

Drogi aktywacji dopełniacza

Klasyczna
cechą charakterystyczną klasycznej drogi aktywacji dopełniacza jest zależność od
przeciwciał, co stanowi element nabytej odporności immunologicznej.
Przeciwciała zdolne do aktywacji procesu to IgM oraz IgG (oprócz podklasy IgG4).

Przebieg aktywacji dopełniacza drogą klasyczną:

Fragmenty Fab przeciwciał rozpoznają epitopy na powierzchni drobnoustrojów.
Cząsteczki C1q dopełniacza przyłączają się do fragmentów Fc przeciwciał. Do
aktywacji dopełniacza konieczne jest połączenie przynajmniej dwóch (z sześciu)
domen C1q z dwoma fragmentami Fc.
Interakcje przeciwciało – C1q wywołują zmianę konformacyjną cząsteczki C1q, co
z kolei pobudza C1r oraz C1s – proteazy serynowe. C1r ulega autokatalizie,
następnie przecina i tym samym uaktywnia, proteazę C1s. Aktywne białko C1s ma
zdolność rozkładu czynników C4 i C2.
Aktywna proteaza C1s rozkłada C4 do C4a i C4b. C4a jest uwalniane do
środowiska reakcji (osocza lub płynu tkankowego).
Fragment C4b łączy się z błoną komórkową bakterii.
Białko C2 przyłącza się do C4b, w efekcie proteaza C1s rozkłada C2 do C2a i
C2b (uwalniany do środowiska reakcji). Powstaje kompleks C4b2a, nazwany
konwertazą C3 drogi klasycznej.
Konwertaza C3 rozkłada składnik C3 do C3a (uwalniany do środowiska reakcji)
oraz C3b, który może przyłączyć się do błony komórkowej patogenu i funkcjonować
jako opsonina lub przyłączyć się do konwertazy C3, tworząc konwertazę C5.
Konwertaza C5 rozkłada białko C5 do C5a (uwalniany do środowiska reakcji) oraz
C5b. Ten drugi fragment bierze udział w tworzeniu MAC.

Możliwe jest aktywowanie proteiny C1 bez udziału przeciwciał. Działać tak mogą
wirusy, białko C – reaktywne, MBL lub lipopolisacharydy (LPS). Zachodząca w ten
sposób aktywacja może być ważnym elementem początkowe fazy infekcji, zanim
pojawią się swoiste przeciwciała.

Alternatywna
Droga alternatywna rozpoczyna się spontanicznie (bez udziału przeciwciał),
aktywowana jest przez komórki bakterii Gram – dodatnich i Gram – ujemnych,
komórki grzybów, komórki chorobotwórczych Protista, komórki nowotworowe, wirusy
oraz kompleksy immunologiczne zawierające przeciwciała IgG, IgA, IgE i atakuje
każdą dostępną błonę biologiczną z wyjątkiem błon komórek własnych organizmu, na
których jest unieszkodliwiana.
Przebieg aktywacji dopełniacza drogą alternatywną:

W osoczu występuje białko C3(H 2 O), będące pobudzoną formą C3. Ta cząsteczka
może wiązać czynnik B, który w obecności jonów magnezu oraz czynnika D jest
rozbijany na fragmenty Ba (uwalniany do środowiska reakcji) oraz Bb.
Fragment Bb pozostaje związany z C3(H 2 O). Powstały kompleks jest aktywny
enzymatycznie i tworzy rozpuszczalną konwertazę C3 drogi alternatywnej.
Rozpuszczalna konwertaza rozbija białko C3 do C3a oraz C3b, który może się
przyłączać do błony komórkowej.
Związany z błoną C3b przyłącza czynnik B, który przy udziale czynnika D jest
rozbijany na Ba i Bb. Fragment Bb pozostaje związany z C3b, w ten sposób powstaje
związana z błoną konwertaza C3 drogi alternatywnej (C3bBb).
Konwertaza C3 rozkłada białko C3, dając w efekcie C3a i C3b. Czynnik C3b może
przyłączyć się do błony. Może również przyłączać się do kompleksu C3bBb
(konwertazy C3), tworząc konwertazę C5 drogi alternatywnej (C3b2Bb), która jest
dodatkowo stabilizowana czynnikiem P, czyli properdyną i chroni powstały kompleks
przed czynnikami regulatorowymi H i I. Z tego powodu droga alternatywna nazywana
bywa także properdynową.
Konwertaza C5 rozkłada C5 do anafilatoksyny C5a oraz fragmentu C5b, który
zapoczątkuje tworzenie MAC.

Działanie ścieżki alternatywnej może skutkować niekorzystnym wpływem na
organizm, kiedy konwertazy tej ścieżki zaczynają autoagresywnie oddziaływać na
własne tkanki. Aby temu zapobiec organizm wytwarza wiele białek regulatorowych
określanych nazwą RCA.

Lektynowa
Droga lektynowa jest w ogólnych zarysach podobna do drogi klasycznej. Różnią się
one tylko pierwszymi etapami. W przypadku drogi lektynowej obecność przeciwciał
nie jest potrzebna. Przeciwciała są zastąpione kolektynami, białkami nieswoiście
wiążącymi cukry na powierzchni drobnoustrojów. Do kolektyn należą m.in. białka
surfaktantu płucnego A i D oraz lektyna wiążąca mannozę (MBL), występująca w
osoczu.
Lektyna wiążąca mannozę jest głównym czynnikiem zapoczątkowującym drogę
lektynową. Podobnie jak C1q ma ona 6 domen globularnych umieszczonych na
długim styliku, który może wiązać proteazy serynowe MASP-1 i MASP-2. Gdy
nastąpi związanie MBL do powierzchni antygenu, MASP-1 zostaje aktywowana na
skutek zmiany konformacyjnej trzonka MBL. Aktywna MASP-1 może dokonać
proteolitycznego cięcia MASP-2 (analogia do aktywacji proteazy C1s przez C1r). Ten
enzym z kolei jest odpowiednikiem C1s i może rozkładać C2 i C4. Dalsze etapy są
identyczne jak w klasycznej drodze aktywacji dopełniacza.
Droga alternatywna i droga lektynowa mają duże znaczenie w walce z patogenami,
mogą bowiem zapoczątkować reakcję odpornościową bezpośrednio po wniknięciu
drobnoustroju do organizmu. Podczas gdy droga klasyczna może być rozpoczęta
dopiero na skutek wytworzenia przeciwciał, co następuje po upływie pewnego czasu
od pojawienia się antygenu w organizmie.
Tworzenie kompleksu atakującego błonę

Tworzenie kompleksu atakującego błonę (MAC) składa się wyłącznie z reakcji nie
wymagających aktywności enzymatycznych. Po wytworzeniu C5b przez konwertazę
C5, dochodzi do połączenia się C5b z C6, C7 i C8. Powstaje kompleks C5b-8, który
ma zdolność włączania się w błonę komórkową i przyłączania cząsteczek C9.
Przyłączenie 2-14 cząsteczek C9 powoduje utworzenie w błonie komórkowej kanału.
Powstanie kanałów powoduje wypływ z komórki jonów, ATP, substancji odżywczych.
Równocześnie do komórki napływa woda (ze względu na wyższe ciśnienie
osmotyczne w komórce). Mogą się do niej dostawać także czynniki bakteriobójcze i
bakteriostatyczne (np. lizozym) oraz antybiotyki.
Inne właściwości dopełniacza
Poza wyżej omówionymi właściwościami, dopełniacz pełni wiele innych funkcji w
organizmie.
Jak już wspomniano składniki komplementu działają także jako opsoniny (C3b), czyli
przyłączając się do powierzchni patogenu ułatwiają komórkom żernym fagocytozę.
Składniki C3a, C4a i C5a powodują chemotaksję fagocytów do miejsca zakażenia, są
również zwane anafilatoksynami, gdyż stymulują syntezę metabolitów kwasu
arachidonowego w wielu komórkach, np. leukotrienów w komórkach tucznych,
makrofagach i neutrofilach oraz wpływają obkurczająco na mięśniówkę naczyń.
Ponadto układ dopełniacza i układ krzepnięcia wzajemnie na siebie oddziałują. W
pewnych warunkach dopełniacz może aktywować układ krzepnięcia jak i fibrynolizy.
Z kolei trombina, kalikreina i plazmina są zdolne do aktywowania dopełniacza.
Trombina może bezpośrednio aktywować C5, kalikreina C1 i czynnik B, a plazmina
C1, C3 i C5.
Regulacja aktywności dopełniacza
Układ dopełniacza kontrolowany jest przez wiele regulatorów określanych skrótową
nazwą RCA. Regulatory te mogą występować w surowicy, bądź też ulegać ekspresji
na powierzchni komórek.
Funkcjonowanie regulatorów polega na:

hamowaniu gromadzenia się konwertazy C3,
inaktywacji zdeponowanych na powierzchni komórki cząsteczek C3b
(reakcja zachodzi przy współudziale czynnika I oraz kofaktorów: CFH i
FHL-1, oraz CR1 i MCP),
niszczeniu konwertazy C3bBb (reakcja zachodzi dzięki aktywności
czynników CFH i FHL-1 oraz CR1 i DAF).

Komplement jest aktywowany stale in vivo i potencjalnie mógłby uszkadzać własne
komórki. Uszkodzeniom tym zapobiegają białka błonowe, do których zalicza się:

DAF (CD55 – czynnik przyspieszający rozpad) – wybitnie przyspiesza
spontaniczny rozpad konwertaz C3 i C5. Działa przeciwnie do
properdyny. Występuje na krwinkach, komórkach śródbłonka naczyń i
wielu innych komórkach

MCP (CD46 – błonowy kofaktor białkowy) – wiąże składniki C3b i C4b
będące w stanie wolnym lub obecne w konwertazie. Jest kofaktorem dla
czynnika I. Podobnie jak DAF zapobiega formowaniu na powierzchni
błony konwertaz C3. MCP jest obecny prawie na wszystkich komórkach
jądrzastych,
CR1 (CD35 – receptor białek dopełniacza) – kofaktor dla czynnika I
rozkładającego C4b i C3b. Inaktywuje także konwertazy C3, chroniąc
komórki mające na powierzchni CR1 przed „przypadkową lizą”,
HRF (C8bp) – hamuje polimeryzację C9, formowanie się kompleksu
atakującego błonę MAC i tworzenie się kanałów. HRF występuje na
limfocytach T i B, neutrofilach i monocytach,
Protektyna (CD59/ MIRL) – blokuje przyłączenie C9 i tworzenie MAC,
występuje między innymi w błonie komórkowej wszystkich krwinek i
plemników.

Ponadto DAF, MCP i CR1 zapobiegają nadmiernemu rozwojowi stanu zapalnego
i ograniczają amplifikację w szlaku drogi alternatywnej na powierzchni komórek
i w macierzy pozakomórkowej.
Czynniki obecne w osoczu regulujące aktywność dopełniacza:

Inhibitor C1 – wiąże aktywny C1r i C1s blokując dalszą aktywację oraz
obniża aktywność proteinaz serynowych MASP1 i MASP2.
Zabezpiecza organizm przed konsekwencjami spontanicznej aktywacji,
Czynnik I – inaktywator C3b/C4b – jest proteazą osocza rozkładającą
C3b i C4b zarówno wolne jak i związane w konwertazach. Do
aktywności wymaga kofaktorów. Kofaktorem czynnika I w błonach są
CR1, CR2 oraz MCP, a w płynach tkankowych czynnik H oraz białko
wiążące C4,
C4bp (białko wiążące C4) – wiążąc C4b, przyspiesza rozpad
konwertazy C3 drogi klasycznej (zarówno rozpad spontaniczny jak
również wywołany przez czynnik I),
Czynnik H – przekształca białko C3b w postać nieaktywną ,
Witronektyna (białko S) – wiąże się z kompleksem C5b-7 i
uniemożliwia polimeryzację C9. Hamuje łączenie się C5b-7 z błoną
komórkową,
karboksypeptydazy N i R inaktywują anafilatoksyny C3a, C4a, C5a,
antytrombina III w obecności heparyny hamuje aktywność kompleksu
MBL/MASP oraz działa hamująco na MASP1 MASP2.

Receptory składowych dopełniacza
Dotychczas opisano osiem rodzajów receptorów (CR) składowych dopełniacza,
występujących na rożnych komórkach ustroju i są to: cC1qR, C1qRp, CR1, CR2,
CR3, CR4, C3aR oraz C5aR. Do najważniejszych funkcji pełnionych przez te
struktury zalicza się: regulację aktywności komplementu, ułatwianie fagocytozy przez
komórki żerne, usuwanie kompleksów immunologicznych. Receptory CR wiążą
składowe powstające w wyniku aktywacji białek dopełniacza, przez co mają
modulujący wpływ na reakcje immunologiczne. Występują licznie na komórkach
układu immunologicznego, erytrocytach, trombocytach, fibroblastach, plemnikach.
Niektóre komórki mają jeden typ receptora (np. krwinki czerwone – CR1), u innych
zaś w błonach komórkowych znajduje się kilka rodzajów cząsteczek należących do
grupy CR (np. neutrofile – m.in. CR1, CR3, CR4, C5aR). Najlepiej charakteryzowana
jest grupa receptorów wiążących fragmenty powstałe w wyniku rozpadu białek C3.
Molekuły CR1 są obecne głównie na erytrocytach i leukocytach i oddziałują ze
składowymi C3b, C4b. Receptory typu CR2 wiążą fragmenty pochodzące z proteolizy
C3b z udziałem czynnika I. Znajdują się głównie w błonach limfocytów B i
grudkowych komórek limfatycznych. CR3 i CR4 ulegają ekspresji na większości
leukocytów, wiążąc fragmenty iC3b, który jest produktem proteolizy C3b. Receptory
C3aR i C5aR są swoiste względem anafilatoksyn, odpowiednio C3a i C5a.
Występują najliczniej na komórkach tucznych, neutrofilach i monocytach. Receptory
C1q obecne są najczęściej na komórkach żernych, komórkach tucznych i płytkach
krwi. cC1qR przyłącza się do kolagenowego „ogonka“ polimerycznej formy C1q,
natomiast C1qRp swoiście rozpoznaje globularne „główki“ tej komponenty.
Zaburzenie aktywności układu dopełniacza
Wrodzone mechanizmy immunologiczne stanowią pierwszą linię obrony gospodarza
przed wnikającymi ze środowiska zewnętrznego czynnikami infekcyjnymi.
Niekontrolowana aktywacja białek układu dopełniacza może doprowadzić do
pojawiania się rożnych stanów patologicznych w organizmie, takich jak:
stwardnienie rozsiane, choroba Creutzfeldta – Jakoba, choroba Huntingtona, zespół
Downa, choroba naczyniowa mózgu, zapalenie opon mózgowo – rdzeniowych,
astma, schizofrenia, napadowa nocna hemoglobinuria, alergie i ogólnoustrojowe
zapalenie związane z objawami towarzyszącymi sepsie. Komplement może utrudniać
przyjęcie i tolerowanie przez organizm przeszczepów ksenogenicznych i
allogenicznych.
Niedobory niektórych składników komplementu uczestniczących w ścieżce
klasycznej (np. C1, C4) są najczęstszą przyczyną chorób autoimmunologicznych,
np. tocznia rumieniowatego układowego. Niedobory lektyny MBL (lektyna wiążąca
mannozę), składowych C3, C5, C6, C7, C8, C9, czynników H, I oraz
properdyny (P) predysponują do zwiększonej zapadalności na infekcje bakteryjne. Z
kolei brak inhibitora C1-INH ma ścisły związek z objawami towarzyszącymi
napadowemu obrzękowi naczynioruchowemu (HAE).
Nadmierna aktywacja komplementu powodowana przez wzrost stężenia CRP w
osoczu podczas zawału serca czy udaru mózgu może spowodować zwiększenie
strefy zawału poprzez odkładanie obfitych złogów drogi końcowej, czyli MAC.

Autorzy: mgr Aleksandra Maguza, diagnosta laboratoryjny oraz mgr Katarzyna Chojnacka, diagnosta laboratoryjny

Piśmiennictwo

Klaska I., Nowak J. Z.; Rola układu dopełniacza w fizjologii i patologii; Postępy
Hig Med. Dosw. (online), 2007;61:167-177.
Głąb J., Jakóbisiak M., Lasek W., Stokłosa T.: Immunologia, rozdz. 13 Układ
dopełniacza; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2012, str. 210-221.
Madaliński K., Cedzyński M., Świerzko A., Szczepańska-Szerej A.; Układ
dopełniacza – efektor reakcji zapalnej. Możliwości regulacji aktywności
dopełniacza w chorobach niedokrwiennych; Przegl Epidemiol 2007; 61: 701 –
711.
https://pl.wikipedia.org/wiki/Napadowa_nocna_hemoglobinuria
http://bioinfo.mol.uj.edu.pl/articles/Oczos04