La composición y estructura de los anticuerpos
La identificación de los anticuerpos como proteínas en la fracción de gammaglobulina del suero se produjo durante las tres primeras décadas del siglo XX. Las investigaciones que condujeron a estas conclusiones fueron el resultado de los intentos de proporcionar un mejor producto para la sueroterapia de los pacientes con enfermedades infecciosas.
En la década de 1890 se introdujo el tratamiento con anticuerpos de las enfermedades infecciosas y, en las primeras décadas del siglo XX, la sueroterapia se convirtió en el tratamiento de elección para los pacientes infectados con microorganismos como C. diphtheriae, C. tetani, S. pneumoniae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae y Streptococcus del grupo A (Casadevall, 1996). El capítulo 3 relata el desarrollo de la sueroterapia para la difteria y el tétanos. Los anticuerpos utilizados en estas terapias se derivaron inicialmente de caballos inyectados con los patógenos objetivo y/o sus toxinas. Hoy sabemos que la inyección de suero ajeno (de caballo) en un humano puede dar lugar a la producción de anticuerpos dirigidos contra esas proteínas del suero ajeno. Estos anticuerpos recién formados pueden inducir una patología propia caracterizada por fiebre, erupción cutánea, dolor en las articulaciones, anomalías cardíacas y mal funcionamiento de los riñones. Esta constelación de síntomas se denomina enfermedad del suero y se debe a la formación de complejos antígeno (suero de caballo) – anticuerpo (anticuerpos humanos) (Capítulo 33). Estos complejos quedan atrapados en los pequeños vasos sanguíneos, donde activan una respuesta inflamatoria.
Los intentos de aumentar la potencia de los anticuerpos de caballo contra S. pneumoniae y, al mismo tiempo, disminuir la incidencia o la gravedad de la enfermedad del suero y otras reacciones adversas condujeron a la obtención de nueva información sobre la composición de los anticuerpos. En concreto, Oswald Avery (1877-1955) demostró que la actividad de los anticuerpos contra S. pneumoniae está contenida en la fracción de globulina del suero.
Avery, nacido en Halifax, Nueva Escocia, se trasladó con su familia a Nueva York a la edad de 10 años. Se licenció en medicina por la Universidad de Columbia y siguió una carrera de investigación principalmente en el Instituto Rockefeller de Investigación Médica (más tarde la Universidad Rockefeller). Aunque comenzó su carrera como inmunoquímico, Avery y sus colegas, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, crearon el campo de la biología molecular cuando demostraron, en 1944, que la información genética está compuesta por ADN.
Avery fraccionó el suero de caballo mediante el tratamiento con varias concentraciones de sulfato de amonio, un método comúnmente utilizado para precipitar las proteínas del suero. Evaluó estos precipitados funcionalmente inyectándolos en ratones que habían sido inoculados con una dosis letal de S. pneumoniae. Las fracciones que precipitaron con un 38-42% de sulfato de amonio proporcionaron la mayor protección. Se sabía que esta fracción contenía globulinas y excluía la albúmina y las euglobulinas. La fracción de globulinas también fue la más activa en los ensayos de aglutinación y precipitación in vitro (Avery, 1915).
Resultados similares a los de Avery fueron obtenidos por otros investigadores durante los siguientes 20 años (Chickering, 1915; Fenton, 1931b). Estos estudios confirmaron que los anticuerpos son globulinas séricas con un peso molecular similar al de otras globulinas. Como resultado, Michael Heidelberger concluyó en 1937 que «se acepta generalmente que los anticuerpos son proteínas séricas modificadas» (Heidelberger y Pedersen, 1937).
Heidelberger (1888-1991), químico orgánico, se formó en la Universidad de Columbia y en el Instituto Politécnico Federal de Zurich. Centró sus investigaciones en el aislamiento y la caracterización de los polisacáridos de S. pneumoniae y en el desarrollo de técnicas para la medición de las interacciones antígeno-anticuerpo. Heidelberger realizó amplios estudios para determinar los métodos óptimos de precipitación del antígeno por el anticuerpo; estos estudios constituyeron la base de la prueba de precipitina cuantitativa. Basándose en sus estudios sobre la unión de anticuerpos, Heidelberger suele ser considerado el padre del campo de la inmunoquímica cuantitativa.
A mediados de la década de 1930, la identificación y caracterización de las proteínas de la sangre era un nuevo y apasionante campo de estudio. Arne Tiselius (1902-1971) se formó en química en la Universidad de Uppsala (Suecia). Al principio trabajó con Theodor Svedberg (1884-1971), que utilizaba la ultracentrifugación para separar coloides, incluidas las proteínas. Svedberg se dio cuenta de que las proteínas también podían separarse por patrones de migración en un campo eléctrico, y sugirió a Tiselius que se centrara en el desarrollo de la tecnología para este nuevo campo. En 1930, Tiselius describió la separación electroforética de las proteínas y recibió su título de Doctor en Ciencias basado en este trabajo.
Tiselius (1937a,b) separó el suero por electroforesis y demostró cuatro componentes con diferentes cargas eléctricas. Estos componentes fueron identificados como albúmina y tres fracciones de globulina: alfa, beta y gamma (Figura 11.2). Basándose en esta caracterización de las proteínas del suero, Tiselius recibió el Premio Nobel de Química en 1948 «por sus investigaciones sobre electroforesis y análisis de adsorción, especialmente por sus descubrimientos relativos a la naturaleza compleja de las proteínas del suero».
Figura 11.2. Patrones electroforéticos del suero de un conejo inyectado con albúmina de huevo que contiene anticuerpos específicos de ovoalbúmina. El suero podía separarse en cuatro fracciones basadas en la movilidad electroforética: albúmina, alfa globulinas, beta globulinas y gamma globulinas.
De Tiselius y Kabat (1939).
Elvin Kabat (1914-2000) se unió al laboratorio de Tiselius tras obtener su doctorado por el trabajo realizado en el laboratorio de Heidelberger. Kabat, recibió su educación universitaria en el City College de Nueva York y completó su doctorado en la Universidad de Columbia. La tesis doctoral de Kabat se centró en la respuesta de los anticuerpos a los polisacáridos neumocócicos. Demostró que los anticuerpos que aglutinaban S. pneumoniae también podían precipitar el polisacárido aislado de la bacteria (Heidelberger y Kabat, 1936). Cuando llegó a Uppsala (Suecia) para trabajar en el laboratorio de Tiselius, Kabat llevó una muestra de suero de caballo que contenía anticuerpos contra los polisacáridos neumocócicos. Tiselius y Kabat analizaron este suero por electroforesis y demostraron que la mayor parte de la actividad de los anticuerpos migraba con la fracción de gammaglobulina (Tiselius y Kabat, 1939).
Durante los 15 años siguientes, varios otros inmunoquímicos caracterizaron las moléculas de anticuerpos, y se llegó a un consenso general de que son un componente principal de la fracción de gammaglobulina del suero. Este conocimiento sentó las bases para el siguiente gran avance en este campo, que condujo a un análisis detallado de la estructura molecular de los anticuerpos y al desarrollo del modelo de cuatro cadenas (figura 11.1). Estos estudios permitieron comprender la relación entre la estructura y las funciones biológicas de la molécula.