audioplayaudiobaraudiotime

background image

Lecture 6: Complement system                           Dr Dhafer A Alghezi

 

 

 

Complement system: 

 

 

The  complement  system,  also  known  as  complement  cascade,  is  a  part  of  the 

immune system that enhances (complements) the ability of antibodies and phagocytic 
cells to clear microbes and damaged cells from  an organism, promote inflammation, 
and attack the pathogen's cell membrane. It is a part of the innate immune system, the 
complement system can, however, be recruited and brought into action by antibodies 
generated by the adaptive immune system.   

 

The  complement  system  consists  of  approximately  30  serum  molecules  consisting 
nearly 10% of the total serum proteins and forming one of the major defense systems 
of the body. Most of the complement glycoproteins are synthesized predominantly by 
the  liver;  but  macrophages  and  many  other  cell  types  are  also  sources  of  various 
complement components, especially at sites of infection and/or inflammation. 

 

The complement system can be activated by classical, alternative and lectin pathways. 
The  proteins  of  the  system  act  in  enzyme  cascades.  Where  each  step  generates 
enzyme,  which  act  in  the  following  step  of  the  cascade  and  all  the  three  pathways 
generate enzymes which cleave C3 into two fragments, C3a and C3b as a central step 
in the process of complement activation. 

 

1.  The classical pathway: 

 

Immunoglobulins  and  native  complement  components  are  normally  found  in  the 
serum and in the lymph, but these molecules do not interact with each other until the 
antibodies  interact  with  their  corresponding  antigens  and  undergo  the  necessary 
secondary and tertiary conformational changes. The classical pathway is activated by 
immune complexes and the activation is initiated by the binding of C1 to domains in 
IgG  (CH2-domain)  or  IgM  (CH3-domain)  which  are  complexes  with  Ag.  Detailed 
chemical studies have revealed that C1 is actually a complex of three different types 
of  molecules  [C1q,  dimerized  C1r  (C1r2),  and  dimerized  C1s  (C1s2)]  held  loosely 
together through noncovalent bonds and requiring a physiological Ca2 concentration 
for their proper association.  
 
The recognition unit of the complement pathway is the C1q which is a molecule with 
a  six  globular  head  group  and  when  a  specific  Ab  (IgG  or  IgM)  interacts  with  its 
corresponding Ag, binding sites  for the  globular  head  group  of the C1q are exposed 
on  the  Fc-region  of  the  Ab  molecule.  At  least  two  molecules  of  IgG  or  CRP  or  one 
molecule  of  IgM  are  required  for  binding  C1q.  after  binding  to  Fc-region  of  Ab 
molecule, a conformational change occurs in C1q and this C1q change causes the pro-
enzyme C1r to become the enzymatically active C1r. the substrate for the enzyme C1r 
is C1s, which is then cleaved to become the serine esterase (C1s). 
C1q  contains  several  distinct  portions;  there  is  a  collagen-like  stalk/stem  region  that 
branches into a six-branched umbrella-shape. Within the umbrella portion of the stem, 
an association with the C1r2 and C1s2 proenzymes occurs. Each of the six collagen-
like branches of C1q terminates in a globular head region. 
 

The activation unit, the active enzyme of C1s cleaves two proteins, C4 (into C4a & 

C4b)  and  C2  (into  C2a  &  C2b),  in  a  magnesium-dependent  reaction.  C4b  and  C2a 


background image

Lecture 6: Complement system                           Dr Dhafer A Alghezi

 

 

 

combine  to  form  an  active  enzyme,  C4b2a,  which  is  the  classical  pathway,  C3-
convertase that cleaves many molecules of C3 (into C3a & C3b). 

 

The C3b is either form a covalent bond with an Ag or with bystander surfaces 

(e.g. erythrocytes) in immune adherence or can bind to C4b2a to form C4b2a3b, a C5-
convertase, an enzyme cleaved C5 (into C5a & C5b). C5b binds to a molecule of C6 
to  form  a  stable  bimolecular  complex  which  bind  to  C7  to  form  a  trimolecular 
complex  (C5b67),  this  trimolecular  complex  binds  hydrophobically  to  a  membrane 
since the complex is amphiphilic, this allow it to insert into cell membranes. C8 now 
joins  the  complex  and  unwinds  into  the  cell  membrane.  Thus,  forming  a  functional 
trans-membrane channel and itself cause disruption and lysis of membranes, an effect 
which is greatly enhanced by the incorporation of C9 and if more than six molecules 
of  C9  enter  the  complex,  typically  doughnut-shaped  pores  are  formed.  C9  is  not 
essential for the lytic event, but it does accelerate lysis. 

 

2.  The alternative pathway 

 

The  alternative  pathway  is  activated  near  'protected'  surfaces  such  as  bacterial  or 
fungal  cell  walls,  bacterial  lipopolysacharide,  some  virus-infected  cells  and  rabbit 
RBCs. It has been shown that the (activating surfaces) is actually a protective surface, 
protecting  spontaneously  hydrolyzed  C3  (non-enzymatically  cleaved  into  C3a  and 
C3b) from being inactivated by the control proteins.  

 

In presence of factor D and magnesium, C3b-like molecule can cleave factor 

B  (into  Ba  and  Bb),  Bb  binds  to  the  C3b  to  form  an  alternative  pathway  C3-
convertase C3bBb. The C3bBb is a very unstable and quickly inactivated by control 
proteins,  unless  it's  bound  to  activating  surface  and  stabilized  by  P  (properdin),  the 
C3bBbP  enzymatic  complex  can  cleave  additional  molecules  of  C3  and  if  a  second 
C3b  is  inserted  into  the  C3-convertase,  it  becomes  C3bBb3bP,  this  becomes  a  C5-
convertase  that  can  cleave  C5  into  C5a  and  C5b.  the  membrane  attack  unite  for  the 
alternative pathway begins with C5b and progresses through C6,7,8 and C9 in exactly 
the same sequence as it does for the classical pathway. 

 

3.   The lectin pathway: 

 
The  newest  discovered  pathway  for  activating  the  second,  fourth,  and  third 

complement  components is  the lectin complement  pathway, which involves a serum 
MBL (mannan-binding lectin) and other serum lectins called ficolins. The activation 
of the lectin pathway does not involve antigen-antibody interactions. 

 
 Lectin  pathway  is  activated  by  bacterial  carbohydrates,  the  molecule  which 

initiates the pathway mannan-binding lectin (MBL), the MBL is associated with two 
proenzymes  MASP-1  and  MASP-2  MBL-associated  serine  proteases).  When  MBL 
binds  to  terminal  mannose  group  on  bacterial  carbohydrates  it  activates  MASP-1&2 
which go on to activate the classical pathway in an Ab-independent fashion. But it has 
been  shown  that  activated  MASP-2  cleaves  C4  and  C2  while  activated  MASP-1 
cleave C3 and C2.  

Note:  C1q  itself  is  also  able  to  bind  directly  to  some  microorganisms, 

including mycoplasma and retroviruses, in an Ab-independent fashion). 

 
 

 


background image

Lecture 6: Complement system                           Dr Dhafer A Alghezi

 

 

 

Primary Function of the Complement System 
 
The primary function of the complement system is to bind and neutralize any foreign 
substance  that  activates  it,  and  then  to  effectively  cause  those  neutralized 
complement-coated  substances  to  tightly  adhere  to  phagocytes,  thereby  enhancing 
phagocytosis.  In this regard, the third complement component (C3) is a major factor 
due to its position in the classical, alternative, and lectin pathways and because of its 
relatively high concentration in serum. 
 

 

 
 
 

 

 
 
The biological consequences of complement activation are: 

1.  opsonization: the complement component coating the surface of a target such 

as bacteria. Phagocytic cells carrying receptors for these complement components are 

Activation 

pathway 

Classic 

Alternative 

Lectin 

Activator 

Ag–Ab Complex 

spontaneous hydrolysis 

of C3 

MBL-Mannose 

Complex 

C3-convertase 

C4b2a 

C3bBb 

C4b2a 

C5-convertase 

C4b2a3b 

C3bC3bBb 

C4b2a3b 

MAC development 

C5b+C6+C7+C8+C9 


background image

Lecture 6: Complement system                           Dr Dhafer A Alghezi

 

 

 

there  able  to  bind  to  the  bacteria,  and  once  it  become  opsonized,  more  effective 
phagocytosis occur. 

2.  Chemotaxis:  C5a  is  a  potent  chemotactic  factor  and  it  induces  the  directed 

migration of neutrophils and monocytes into the area of inflammation. 

3.  Anaphylaxis: C3a, C5a a biologically active peptides and these anaphylatoxin 

mediate inflammation by inducing the release of mediators from basophiles and mast 
cells, causing smooth muscle contraction and increase vascular permeability. 

 
4.  Immune  adherence:  it’s  the  covalent  bonding  between  C3b  and  nearby 

soluble immune complexes or particulate surfaces. Since C3b has receptors on human 
erythrocyte,  B-lymphocytes,  monocytes,  glomerular  epithelial  cells  and  mast  cells. 
One  biologic  purpose  for  immune  adherence  is  to  facilitate  removal  of  soluble 
immune  complexes  and  immune  adherence  provides  a  mechanism  for  the  soluble 
complexes  to  bind  to  erythrocytes,  facilitating  removal  of  these  complexes  by  the 
reticuloendothelial system. 

 

5.  Kinin  activation:  The  fragment  of  C2b  interacts  with  plasmin  to  produce 

kinin-like activity. The biologic activity of C2b results in smooth muscle contraction, 
mucous gland secretion, increased vascular permeability, and pain. 

 

 
6.  Lysis  of  target  cells:  the  final  step  in  complement  activation  causes  the 

assembly  of  a  membrane  attack  complex  (MAC),  which  can  insert  itself  into  lipid 
bilayers,  such  as  the  outer  membrane  of  gram-negative  bacteria  or  a  viral  envelope, 
and then osmotic disruption of the target cell causing lysis.   

  
Complement  components  are  synthesized  in  the  liver,  with  the  exception  of  C1, 

which  is  synthesized  in  the  epithelial  cells  of  the  intestine.  Limited  quantities  of 
complement components, including C1q can be synthesized by activated macrophage-
monocyte. 

 

Control of complement activation 

The  first  mean  of  control  is  if  activated  complement  (enzyme)  does  not  combine 

with its substance within milliseconds, the activity is lost. 

Several proteins serve as inhibitors or inactivators of specific reactions or products 

involved in the complement cascade like: 

❖  C1-inhibitor  (C1INH):  form  irreversible  complex  with  both  C1r  and  C1s 

and block their enzyme activities and dissociate them from C1q. 

❖  Factor  H  &  I:  serve  to  control  tightly  the  enzyme  that  cleave  C3  and  C5 

(factor I: Inactivates C3b and C4b. Whereas, factor H accelerates the decay 
of  alternative  C3-convertase  C3bBb3b  by  dissociating  Bb  from  the 
enzyme.).  

❖  C4-binding protein (C4BP): bind to and inactivate C4. 
❖  Anaphylatoxin  inactivators  (carboxypeptidase)  effect  C4a,  C3a,  C5a  by 

removal of a single amino acid (carboxyterminal arginine).  


background image

Lecture 6: Complement system                           Dr Dhafer A Alghezi

 

 

 

❖  MAC inhibitor: a serum protein can bind to fluid phase C5b67, prevent its 

attachment to membrane protein or C8. 

❖  Inhibition of assembly: like the (protectin, CD59) and  (delay accelerating 

factors, DAF). 

 

 

 

Clinical diseases associated with complement activity:  

1.  C1INH-deficiency or angioneurotic edema: 

 

This is a rare genetic disorder due to a genetically inherited C1-INH deficiency, of 

which  two  main  variants  are  known.  Deficiency  of  C1INH  leads  to  uncontrolled 
activation of the classical PW. In the most common, the genetic inheritance of a silent 
gene  results  in  a  significantly  lower  level  of  C1-INH.  The  second  variant  is 
characterized  by  normal  levels  of  C1-INH  protein,  but  75%  of  the  molecules  are 
dysfunctional, that is, will not inhibit activated C1r2 or C1s2 because of an aberrant 
amino acid substitution. 

Thus,  C1s  continues  to  cleavage  C4  and  C2  resulting  in  C2a  release  leading  to 

kinin  like  activity  and  C4a  release  leading  to  anaphylactic  reaction  Activity.  Both 
producing  swelling  (extra-ordinary  amount  of  fluid  in  tissue  spaces  as  a  result  of 
increase 

vascular 

Permeability 

and 

smooth 

muscle 

contraction). 

No 

immunodeficiency,  and  decreased  C2  &  C4,  with  Normal  C3  (downstream  C4BP 
works).  The  hereditary  form  called  hereditary  angioedema  (HAE),  its  autosomal 
dominant trait. Whereas, acquired from associated with lympho-proliferative diseases. 

 
2.  Paroxysmal nocturnal hemoglobinuria (PNH)  
 
It  is  a  clonal  disorder  of  hemopoietic  cells,  in  which  there  is  increased 

susceptibility  to  damage  by  complement  due  to  deficiency  of  glycosyl  phosphatidyl 
inositol (GPI) which binds delay accelerating factors (DAF or CD 55) and protectin 
(CD59)  to  membrane.  The  clinical  feature  of  this  illness  is  the  episodic 
hemoglobinuria  mainly  at  morning,  hemolytic  anemia,  increased  susceptibility  to 
infection due to decreased number or function of WBC.  

 

3.  Nephritic factors (NF)  

 

❖  It is a pathological enhancing protein.    
❖  It is IgG with specific to alternative PW C3-convertase. 
❖  It prevents inactivation of C3 - convertase by H and I control proteins. 
❖  Presence  of  this  factor  leads  to  C3  deficiency  and  recurrent  infection,  in 

addition to lipodystrophy and emaciation.  

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 12 عضواً و 97 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل