Complement system Complement refers, historically, to fresh serum capable of lysing antibody (Ab)coated cells. This activity is destroyed (inactivated) by heating serum at 56 degrees C for 30 minutes. Proteins of the Complement System Complement system is composed of more than 25 different proteins (Table 1), produced by different tissues and cells including hepatocytes, macrophages and gut epithelial cells. These proteins are activated by a variety of agents and their activation proceeds in a cascade fashion leading to lysis. Consequently, an absence of one of the components in the pathway can disrupt the cascade and terminate the reaction. کمپلمان Complement به مجموعه ای از 20پروتئین پالسما گفته می شود که از نظر شیمیایی و ایمنولوژیکی با هم تفاوت دارند واین اجزای پروتئینی در سرم بصورت غیرفعال وجود دارند و تحت تأثیر عوامل خاصی از دو راه فعال می شوند که عبارتند از: -1مسیر کالسیک Classical pathway -2مسیر آلترناتیو Alternative pathway Lectin pathway -3مسیر لكتین علت نامگذاری این سیستم به این نام این است که اگر RBCهای گوسفندی را به یک خرگوش تزریق کنیم بدن خرگوش این RBCها را بعنوان جسم بیگانه شناسائی کرده و در مقابل آن ها آنتی بادی می سازد لذا سرم این خرگوش را سرم ایمن یا Immune serumمی گویند.حال اگر گلبول قرمز گوسفند را بااین سرم ایمنی مجاور سازیم جدار گلبول قرمز لیز شده و سلول پاره می شود یعنی هموالیزیز Hemolysisاتفاق می افتد .پس در سرم حیوان ایمنی (خرگوش ) موادی وجود دارند که گلبول بیگانه را همولیز می کنند. • • • اگر RBCها ی این گوسفند را به سرم خرگوش که قبالً ایمنی نشده باشد مجاور سازیم همولیز اتفاق نمی افتد لذا الزمۀ همولیز ایمن بودن سرم است. اگر سرم خرگوش ایمنی را تا 56درجه حرارت دهیم و سپس گلبول قرمز گوسفند را با آن مجاور سازیم همولیز صورت نمی گیرد لذاحرارت موادی را که باعث همولیز می شوند غیرفعال می کند. اگر RBCهای گوسفند را بهمراه سرم ایمنی حرارت دیده وسرم نرمال یک خرگوش مجاور سازیم همولیز صورت می گیرد لذا نتیجه می شود که مواد الزم برای لیز از سرم نرمال به سرم حرارت دیده منتقل میشود .با توجه به اینکه آنتی بادی ها در مقابل حرارت کمی مقاوم هستند لذا می توان فهمید که آنچه از سرم نرمال به سرم حرارت دیده منتقل شده است چیزی غیر از آنتی بادی بوده است و در حقیقت مکملی برای آنتی بادی بوده است لذا این عامل تکمیل کننده را کمپلمان نامیدند. • پس برای عمل لیز 2فاکتور الزم است • عاملی که در سرم ایمنی حیوان وجود دارد وبه حرارت مقاوم است و به آنتی بادی معروف است • عاملی که از سلول نرمال تأمین شده است وحساس به حرارت است وبه کمپلمان معروف است . • • • • • خالصۀ تجربیات: RBC + Immune serum همولیز آري RBC + Normal serum همولیز خیر Imm. serumحرارت دیده RBC + همولیز خیر + Normal serumسرم ایمن حرارت دیده RBC + همولیز آري نامگذاري پروتئین ها ي سیستم کمپلمان • 9دسته پروتئین که با حروف " "Cبزرگ نشان داده می شود ،هر کدام با شمارة مربوطه مانند C2 ، C1تاC9 ... • بعضي دیگر را با کلمة فاکتور و حروف بزرگ الفبای التین مانند فاکتور Bیا فاکتور Dو ... • دسته اي دیگر حسب کاري که انجام مي دهند مانند بازدارندة C1یا ) (C1inhibitorیا غیر فعال کنندة C3یا )... (C3Inactivator • بعضي به صورت اصطالحي نامگذاري شده اند مانند پروتئین Sیا ویترونکتین ،پروپردین و ... Components of the Complement System (1)Complement Components: C1-9, MBL , SP , fB , fD (2) Regulatory Proteins: Properdin , C1INH , C4bBp , fH, fI , CR1 , Sp (3) Complement Receptor: CR1-CR5 , C2aR , C3aR , C4aR Vitronectin Vitronectin also known as VTN is a protein which in humans is encoded by the VTN gene The protein encoded by this gene is a member of the pexin family. Vitronectin is an abundant glycoprotein found in serum the extracellular matrix and promotes cell adhesion and spreading, inhibits the membrane-damaging effect of the terminal cytolytic complement pathway ,and binds to several serpin serine protease inhibitors. It is a secreted protein and exists in either a single chain form or a clipped, two chain form held together by a disulfide bond. Vitronectin has been speculated to be involved in hemostasis and tumor malignancy Protein S Protein S is a vitamin K-dependent plasma glycoprotein synthesized in the endothelium. In the circulation, Protein S exists in two forms: a free form and a complex form bound to complement protein C4b In humans, protein S is encoded by the PROS1 gene The best characterized function of Protein S is its role in the anti coagulation pathway, it functions as a cofactor to Protein C in the inactivation of Factors Va and VIIIa. Only the free form has cofactor activity Protein S can bind to negatively charged phospholipids via the carboxylated GLA domain This property allows Protein S to function in the removal of cells which are undergoing apoptosis Properdin Properdin or factor P is a globulin protein found in the blood serum of more complex animals In the complement system, an innate-immunity series of proenzymes dissolved in the circulation, it is also called "Factor P " t is known that it participates in some specific immune responses. It plays a part in tissue inflammation as well as the engulfing of pathogens by phagocytes. In addition it is known to help to neutralize some viruses. As a component of the alternative pathway for complement activation (otherwise known as the "properdin pathway"), it complexes with another protein, C3b, to stabilize the alternative C3 convertase (C3bBb) that then cleaves more C3. پروتئین های کمپلمان پروتئین های پالسمایی هستند که بطور طبیعی غیر فعال ولی تحت شرایط خاصی فعال شده و محصوالتی تولید می نمایند که واسطة عملکردهای اجرائی مختلف سیستم کمپلمان می باشند فعال شدن کمپلمان شامل پروتئولیز پی در پی پروتئین ها برای تولید کمپلکس های آنزیمی است که فعالیت پروتئولیتیک دارند Zymogen A zymogen( or proenzyme )is an inactive enzyme precursor A zymogen requires a biochemical change (such as a hydrolysis reaction revealing the active site, or changing the configuration to reveal the active site) for it to become an active enzyme The biochemical change usually occurs in a lysosome where a specific part of the precursor enzyme is cleaved in order to activate it The amino acid chain that is released upon activation is called the activation peptide The pancreas secretes zymogens partly to prevent the enzymes from digesting proteins in the cells in which they are synthesised .Fungi also secrete digestive enzymes into the environment as zymogens The external environment has a different pH than inside the fungal cell and this changes the zymogen's structure into an active enzyme Examples of zymogens: Angiotensinogen , Trypsinogen, Chymotrypsinogen, Pepsinogen , Most proteins in the coagulation system , Some of the proteins of the complement system ,Caspases Proelastase, Prolipase , Procarboxypolypeptidases پس از فعال شدن پروتئین ها ي سیستم کمپلمان دو محل فعال یا ) (active siteروي اکثر این مولکول ها ظاهر مي شود یکي محلي است با خاصیت آنزیمي براي پروتئین بعدي شرکت کننده در این مسیر دیگري مکاني است به عنوان گیرنده براي قطعة شکسته شدة کمپلمان پیوند اجزای کمپلمان محصوالت فعال شدن راه کالسیک کمپلمان به طور کوواالن به: سطح سلول های میکروبی به آنتی بادی بر سطح سلول میکروبی و یا به آنتی ژن های دیگر متصل می شوند و فعال می گردند ویژگی اتصال: باعث فعال شدن کمپلمان می شود و بنابراین عملکردهای بیولوژیک سیستم کمپلمان محدود به سطح سلول های میکروبی یا به محل های اتصال آنتی بادی به آنتی ژن محدود می شود و در خون رخ نمی دهد انتخاب راه اصلي یا کالسیک و راه آلترناتیو یا پروپردین انتخاب هر یک از این دو راه بستگي به نوع مادة فعال کننده اي دارد که پروتئین ها ي اولیه را در هر یک از این راه ها مي توانند فعال نمایند راه کالسیک با فعال شدن پروتئین C1آغاز شده و به C9ختم مي شود راه آلترناتیوبا قطعة C3bآغاز شده و در نیمة مسیر ،یعني از مولکول C5به راه کالسیک مي پیوندد نتیجه: مابقي مسیر یعني از C5تا C9در هر دو راه مشترک است راه لکتین این راه توسط بعضي از آنزیمهاي سلولي یا موادي که در سرم هستند آغاز مي شود و این فعال کننــــده ها مي توانند مستقیما ً و بدون شرکت پروتئین ها ي اولیه سیستم کمپلمان را فعال نمایند از آنزیم هاي شبیه تریپسین که قادر به انجام این کار مي باشند پالسمین در سیستم فیبرینولیتیک و برخي از آنزیم هاي لیزوزومي : در شرایط خاصی در مسیر کالسیک ،مرحلة فعال شدن C1 حذف شده و این مسیر با فعال شدن C2و C4و اجزاء بعدی ادامه می یابد MBL در این ارتباط ماده ای که از نظر ساختمانی بسیار شبیه C1q است ) (MBLو قادر است به مانان سفاروز متصل شود ،می تواند کمپلمان را در غیاب مولکول C1qاز مسیر کالسیک فعال کند سه پروتئین دیگر که سرین پروتئاز وابسته به MBLهستند )MBL Assocciated serine protease (MASP در این مسیر شناخته شده اند Complement system I. Concept and composition of the complement system II. Activation of complement system III. Regulation of complement activity IV. Biologic activity of complements زیموژن پروتئین هایی که توانائی فعالیت آنزیمی پروتئولیتیکی را بوسیله عملکرد سایر پروتئازها بدست می آورند زیموژن می نامند • سیستم کمپلمان را با حرف Cو اجزاء مختلف آن را با عددی که کنار Cمی نویسند مشخص می کنند ،مثل C2،C1یا C8 • چون این اجزاء بفرم غیر فعال در سرم وجود دارند اگر به فرم فعال درآیند باالی آن ها خطوط تیره می کشند. • درروند فعال شدن کمپلمال بعضی از اجزاء به اجزای کوچکتری شکسته می شوند که معموالً جزء کوچکتر را با حرف aوجزء بزرگتررا با حرف bنمایش می دهندC3 .ـــــــــ C3aو C3ــــــــ C3b • هرجزئی که از فرم فعال به فرم غیرفعال تبدیل شود در کنارش ( i ) Inactiveگذاشته می شود،مانند C3bi • C3بیشترین جزء کمپلمان ومهمترین آن ها می باشد • سیستم کمپلمان پس از فعال شدن دو کار عمده انجام می دهد: • درغشاء یاختۀ ، RBCباکتری ،ویروس یا هر سلول دیگری تغیرات غیرقابل برگشتی ایجاد می کندکه به سیتولیز Cytolysis معروف است. • باعث فعال شدن سلول های خاصی می شود که این سلول هادر پدیدۀ آماس یا Inflammationدخالت دارد . • عمل دیگر کمپلمان که جزئی از قسمت سیتولیز می باشد بنام Opsonizationمعروف است که باعث می شود تا بیگانه خواری بهتر و آسانتر وبا ش ّدت بیشتر انجام شود. • عواملی که باعث فعالیت کمپلمان از مسیر کالسیک می شوند دو گونه هستند: • الف) عوامل ایمنولوژیک که مهمترین آن ها Complexآنتی بادی +آنتی ژن می باشد همچنین IgG3 ،IgG1 ،IgMتجمع یافته و IgG2 • ب) عوامل غیر ایمنولوژیک مثل تریپسین ،پالسمین ،هپارین ،پروتامین سولفات و بعضی از ویروس ها مثل رتروویروس ها . • کمپلکس آنتی بادی ــ آنتی ژن در صورتی که آنتی بادی آن از نوع IgMیا IgG باشد کمپلمان را از این مسیر فعال می نمایند. • عواملی که باعث فعالیت کمپلمان از مسیر آلترناتیو می شوند: • IgG4،IgE،IgAتجمع یافته ،بعضی از انگل ها (شیستوزوما )،آندوتوکسین باکتری ها () LPSگرم منفی ها ،کمپلکس آنتی بادی ها با سلول آلوده به ویروس از جمله میگزوویروس ها ،بعضی از تومورها ،سم مار کبری • در فعال شدن کمپلمان از راه کالسیک اولین جزء کمپلمان یعنی C1 وارد عمل می شود ولی در مسیر آلترناتیو نیازی به فعالیت ،C1 C2،C4نمی باشد بلکه فعالیت کمپلمان مستقیما ً از C3شروع می شود ،لذا در بیمارانی که بصورت ژنتیکی فاقد C1و C4اند مسیر کالسیک عمل نمی کند . • آنافیالتوکسین ها موادی هستند که بر روی بازوفیل ها یا ماست سل ها اثر کرده وباعث آزاد شدن آمین های بزرگ یا مواد واسطه ای می شوند که این مواد در گرانول های سیتوپالسمی بازوفیل و ماست سل وجود دارند از جمله هیستامین که با انقباض عضالت صاف و گشادی مویرگ ها موجبات خروج پالسما شده ودرنتیجه ورود Igها واجزای کمپلمان را به داخل محل ضایعه فراهم می سازد. این عمل موجب آماس ،التهاب ،قرمزی ،گرمی محل وچرکی شدن ودردناک شدن آن می شود که این پدیده را Inflammationنامند. ازجمله مواد آنافیالتوکسین می توان اجزائی از کمپلمان مثل C3a،C4a،C5aرا نام برد. ازطرفی C3a ،C4aو C5b6,7خاصیت شیمیوتاکسی دارند برای سلول های بیگانه خوار یعنی اینکه باعث می شونداین سلول ها به اطراف این عوامل کشش داشته باشند پس کمپلمان در پدیدۀ آماس شرکت دارند. PATHWAYS OF COMPLEMENT ACTIVATION The complement activation can be divided into three pathways: Classical pathway, Alternative pathway Membrane attack pathway Both classical and alternative pathways lead to the activation of C5 convertase and result in the production of C5b which is essential for the activation of the membrane attack pathway. Table 1. Proteins of the Complement system Classical Pathway Lectin Pathway Alternative Pathway Activation Proteins: C1qrs, C2, C3, C4 Mannan binding protein (MBP), C3, Factors B & D *, Properdin Control Proteins: C1-INH, C4-BP Mannan-asociated Serine Protease (MASP, MASP2) Factors I* & H, DAF, CR1, etc. Lytic Pathway C5, C6, C7, C8, C9 Protein S Components underlined acquire enzymatic activity when activated. Components marked with an asterisk have enzymatic activity in their native form. DAF: decay accelerating factor Complement Biosynthetic Sites •Hepatocytes •Monocyte/Macrophage •Hematopoietic •Fibroblasts •Endothelial •Reproductive •Adipocytes •Astrocytes •Neurons Basic Characteristics of Complement (1)The complement components interact in a highly regulated cascade. (2)Complement serves by amplifying the response: C1q, C3 convertase (3)Unstability: 56°C, 30min (4)Dualism of the functions: physiological functions, pathological functions (5)Restriction of reaction: easy to be inactivated, antibody, suppression component CLASSICAL PATHWAY Complement Components involved in the classical pathway (the components were named in order of their discovery) مراحل مختلف فعال شدن راه کالسیک سیستم کمپلمان اولین پروتئین راه کالسیک سیستم کمپلمان C1مي باشد که از سه جزء پروتئیني C1r ، C1qو C1sتشکیل شده است بطور طبیعي و در افراد سالم این سه جزء محکم به یکدیگر متصل مي باشند و بصورت جداگانه دیده نمي شوند ولي در موارد پاتولوژیک مي توان آنها را بطور جداگانه در سرم مشاهده کرد اتصال مولکول هاي C1r ، C1qو C1sوابسته به یون کلسیم است وبا خروج یون کلسیم از این مولکول ها هر سه جزء پروتئیني این ماکرو مولکول از هم جدا خواهند شد classical pathway activation stage recognition stage: IC-C1 activation stage: C1s→C4, C2→C3, C5 attack stage: C5b→C5678(9)n (MAC) C1q (1) the biggest molecular weight, composed of 18 polypeptide chains that associate to form six collagen-like triple helical arm (2) the only component of complement that circulate in the serum in functionally active forms (3) For activation, it need to bind to at least two IgG or one IgM and need the presence of Ca2+. (4) Free or soluble Ab can not bind to the complement; the formation of an antigen-antibody complex induces conformational changes in the Fc portion of the Ab molecule. Classical pathway normally requires: A suitable Ab bound to antigen (Ag) Complement components 1, 4, 2 and 3 Mg++ and Ca++ Cations C1 activation Binding of C1qrs (a calcium-dependent complex), present in normal serum, to Ag-Ab complexes results in autocatalysis of C1r. The altered C1r cleaves C1s and this cleaved C1s becomes an enzyme (C4-C2 convertase) capable of cleaving both C4 and C2. ناحیه آزاد کروي شکل سرمولکول که عامل کربوکسیل انتهائي در آنجا قرار گرفته است گیرنده یا محلي است که به FCمولکول هاي ایمونوگلبولین متصل مي شود بنابراین هر مولکول C1qمجموعا ً شش گیرنده یا سر ) (Headبراي اتصال به ایمونوگلبولین دارد اتصال یک مولکول C1qبه یک IgGمونومر بسیار ضعیف است ولي اگر به دو یا چند مولکول IgGمجاور هم در سطح فعال کننده متصل شود این اتصال محکم است و موجب فعال شدن سیستم کمپلمان مي گردد از طرف دیگر اتصال یک مولکول IgMبه C1qبراي فعال شدن سیستم کمپلمان کافي است مرحله شناسایي پس از اتصال قطعة C1qبه فعال کنندة مسیر کالسیک ،قطعة C1rخاصیت آنزیمي براي فعال کردن قطعة C1sرا پیدا مي کند براي انجام این فعل و انفعاالت تمام قسمت هاي ماکرو مولکول C1و حضور یون کلسیم الزامي است در نتیجة شکسته شدن یک پیوند پپتیدي در مولکول C1sتوسط C1rمولکول C1sخاصیت آنزیمي هضم کنندة پروتئیني پیدا مي کند که به آن سرین استراز گویند طبق تقسیم بندي جدید مراحل کمپلمان به فعالیت و شناسایي C1qتا فعال شدن خاصیت سرین استرازي مرحله شناسایي مي گویند مرحله ي فعال شدن آنزیم ها حال پس از به وجود آمدن آنزیم مرحله ي دوم یا مرحله ي فعال شدن آنزیم ها آغاز مي شود در این مرحله آنزیم C1sبترتیب مي تواند پروتئین ها ي C4و C2را شکسته و بترتیب C4aو C4bبوجود آورد که C4bبر روي سطح فعال کننده متصل مي گرددپ C2به C2aو C2bشکسته شده و C2bنیز که جزء بزرگتر است به C4bدر سطح فعال کننده متصل مي شود نقش تجزیه کنندگي مولکول C1 بواسطة تترامري از: C1s-C1r-C1r-C1sیا )(C1s2-C1r2 اعمال مي گردد که به صورت غیر کوواالن با زیر واحد C1qدر ارتباط است هر دو جزء C1rو C1sدر حقیقت سرین استرازهایي هستند که تا قبل از اتصال کوواالن C1qبه یک کمپلکس ایمني به حالت غیر فعال باقي مانده بودند اتصال دو یا چند عد از سرهاي کروي C1qبه مولکول هاي IgMیا IgGسبب تغییر شکل فضائي مولکول هاي C1rو فعال شدن آنزیمي آن مي گردد مولکول هاي اخیر خود سبب شکسته و سبب فعال شدن مولکول هاي C1Sمي شوند حال C1Sنیز به نوبة خود بر روي دو جزء بعدي مسیر کالسیک یعني C4و C2 اثر مي گذارد یون کلسیم برای بقاء کمپلکس ) (c1q-c1r2-c1s2بایستی 8یون کلسیم ) (Ca2+در محیط حضور داشته باشد موادی نظیر اتیلن دی آمین تترا استیک اسید ) (EDTAو اتیلن گلیکول تترا استیک اسید ) (EGTAوسیترات که به عنوان ضد انعقاد استفاده می شوند باعث تجزیه کمپلکس فوق می گردند تجزیه مولکول C4 جزء بعدي آبشار کمپلمان مولکول C4است که از گلیکوپروتئیني با سه زنجیره پپتیدي β ، αو γساخته شده و زنجیرة αآن حاوي یک پیوند تیواستر داخلي است و بسیار شبیه پیوند تیواستري است که در مولکول C3نیز وجود دارد C1sفعال بر روي زنجیرة αاثر خود را اعمال کرده و از انتهاي آمیني آن قطعة کوچکي را جدا کرده )(C4aو قطعة بزرگتري از زنجیره را بنام ) (C4bبر جا مي گذارد تجزیه مولکول C2 C4bدر حـــالت آزاد بسیار ناپایدار بوده و توسط غیر فعال کنندة C4bبه سرعت غیر فعال مي گردد ،در این راستا مولکول C2 را نیز تجزیه مي کند C2پلي پپتیدي تک زنجیره اي است که در حضور یون Mg2+به مولکول هاي (C2bبزرگتر) که به C4bمتصل مي گردد و C2aآزاد مي شود C3- Convertase حال که مجموعة آنزیمي بوجود آمد خاصیت تبدیل کنندگي C3 را داشته و به همین خاطر بنام تبدیل کنندة C3یا (C3- ) Convertaseنامیده مي شود این کمپلکس آنزیمي پایدار نبوده و در مدت یک دقیقه از سطح آنتی ژن یا فعال کننده جدا و غیر فعال مي شود C3b C5 Convertase مولکول C3نیز ا ز دو زنجیره پپتیدي αو βکه بوسیله پیوندهاي دي سولفیدي به هم متصل هستند درست شده است آنزیم C3 convertaseقطعة کوچکي از ناحیه نزدیک آمین انتهائي زنجیرة αاز مولکول C3را جدا کرده و در نتیجه مولکول C3به دو قطعة C3aو C3bتقسیم مي شود نیز به مجموعه قبلي متصل شده و کمپلکس جدید حال قطعة C3b را بوجود مي آورد این کمپلکس خاصیت تبدیل کنندگي پروتئین C5را داشته و بنام C5 Convertaseمعروف است C5در مسیر کالسیک توسط آنزیم C5کانورتاز شکسته شده و به دوقطعة C5aو C5bتبدیل مي شود قطعة کوچک C5aآزاد شده و قطعة C5bبه سطح سلول متصل باقي مي ماند آنزیم C5کانورتاز آخرین آنزیم راه کالسیک است