Кілька типів клітин, розглянутих у попередньому розділі, можна описати як фагоцити - клітини, основною функцією яких є пошук, прийом всередину та знищення патогенів. Цей процес, званий фагоцитозом, вперше спостерігався у морських зірок в 1880-х роках лауреатом Нобелівської премії зоологом Іллею Мечникоффом (1845—1916), який здійснив зв'язок з лейкоцитами (WBC) у людини та інших тварин. У той час Пастер та інші вчені вважали, що WBC поширюють патогенні мікроорганізми, а не вбивають їх (що справедливо для деяких захворювань, таких як туберкульоз). Але в більшості випадків фагоцити забезпечують сильний, швидкий і ефективний захист від широкого спектру мікробів, роблячи їх критичним компонентом вродженого неспецифічного імунітету. У цьому розділі мова піде про механізми, за допомогою яких фагоцити здатні шукати, розпізнавати та знищувати патогенні мікроорганізми. Деякі фагоцити - це лейкоцити (WBC), які в нормі циркулюють в крові. Для досягнення хвороботворних мікроорганізмів, розташованих в інфікованої тканини, лейкоцити повинні проходити крізь стінки дрібних капілярних кровоносних судин всередині тканин. Цей процес, званий екстравазацією, або діапедезом, ініціюється фактором комплементу С5а, а також цитокінами, що виділяються в безпосередній близькості резидентними макрофагами і клітинами тканин, що реагують на присутність інфекційного агента (рис. \(\PageIndex\) ). Подібно до C5a, багато з цих цитокінів є прозапальними і хемотаксичними, і вони зв'язуються з клітинами дрібних капілярних кровоносних судин, ініціюючи відповідь в ендотеліальних клітині, що вистилають внутрішню частину стінок кровоносних судин. Ця відповідь включає в себе регуляцію і експресію різних молекул клітинної адгезії і рецепторів. Лейкоцити, що проходять крізь, будуть злегка прилипати до молекул адгезії, сповільнюючись і перекочуючись по стінках кровоносних судин поблизу зараженої ділянки. Коли вони досягають клітинного з'єднання, вони зв'язуються з ще більшою кількістю цих молекул адгезії, сплющуючись і стискаючись через клітинний спай у процесі, відомому як трансендотеліальна міграція. Цей механізм «згортання адгезії» дозволяє лейкоцитам вийти з кровоносного русла і потрапляти в заражені ділянки, де вони можуть почати фагоцитозування вторглися збудників. Зверніть увагу, що екстравазація не відбувається в артеріях або венах. Ці кровоносні судини оточені більш товстими багатошаровими захисними стінками, на відміну від тонких одноклітинних стінок капілярів. Крім того, кровотік в артеріях занадто турбулентний, щоб забезпечити зчеплення кочення. Також деякі лейкоцити, як правило, реагують на інфекцію швидше, ніж інші. Першими, хто прибуває, як правило, є нейтрофіли, часто протягом декількох годин після бактеріальної інфекції. За контрактом моноцитам може знадобитися кілька днів, щоб покинути кровотік і диференціюватися на макрофаги. Малюнок \(\PageIndex\) : Пошкоджені клітини та макрофаги, які потрапили в організм збудників, вивільняють цитокіни, які є прозапальними та хемотаксичними для лейкоцитів. Крім того, активація комплементу в місці зараження призводить до вироблення хемотаксичного і прозапального C5a. Лейкоцити виходять з кровоносної судини і слідують за хемоаттрактантним сигналом цитокінів і С5а до місця зараження. Такі гранулоцити, як нейтрофіли, виділяють хімічні речовини, що знищують патогени. Вони також здатні до фагоцитозу і внутрішньоклітинного знищення бактеріальних збудників. Перегляньте наступні відео про екстравазацію лейкоцитів та прокатки лейкоцитів, щоб дізнатися більше. Поясніть роль молекул адгезії в процесі екстравазації. Як описано в попередньому розділі, опсонізація патогенів антитілами; фактори комплементу C1q, C3b та C4b; і лектини можуть допомогти фагоцитарним клітинам у розпізнаванні патогенів та приєднанні до початку фагоцитозу. Однак не всі розпізнавання збудників залежать від опсоніна. Фагоцити також можуть розпізнавати молекулярні структури, які є загальними для багатьох груп патогенних мікробів. Такі структури називаються патогенасоційованими молекулярними паттернами (ПАМПа). Загальні ПАМПи включають в себе наступне: Як і численні інші ПАМПи, ці речовини є невід'ємною частиною структури широких класів мікробів. Структури, що дозволяють фагоцитарним клітинам виявляти PAMP, називаються рецепторами розпізнавання образів (PRR). Однією з груп PRR є toll-подібні рецептори (TLR), які зв'язуються з різними PAMP і спілкуються з ядром фагоцита, щоб викликати відповідь. Багато ТЛР (та інші ПРР) розташовані на поверхні фагоцита, але деякі також можуть бути знайдені вбудованими в мембрани внутрішніх відділень і органел (рис. \(\PageIndex\) ). Ці внутрішні PRR можуть бути корисними для зв'язування та розпізнавання внутрішньоклітинних патогенів, які, можливо, отримали доступ до внутрішньої частини клітини до фагоцитозу. Наприклад, вірусні нуклеїнові кислоти можуть зіткнутися з внутрішнім PRR, викликаючи вироблення противірусного цитокінового інтерферону. Крім забезпечення першого кроку розпізнавання збудника, взаємодія між ПАМПС і ПРР на макрофагах забезпечує внутрішньоклітинний сигнал, який активує фагоцит, викликаючи його перехід з сплячого стану готовності і повільної проліферації до стану гіперактивності, проліферації, вироблення/секреція цитокінів та посилене внутрішньоклітинне вбивство. PRR на макрофагах також реагують на хімічні сигнали лиха від пошкоджених або напружених клітин. Це дозволяє макрофагам поширювати свої реакції за межі захисту від інфекційних захворювань на більш широку роль у запальній реакції, ініційованої внаслідок травм або інших захворювань. Малюнок \(\PageIndex\) : Фагоцитарні клітини містять рецептори розпізнавання образів (PRR), здатні розпізнавати різні асоційовані з патогеном молекулярні структури (ПАМПи). Ці ПРР можна знайти на плазматичній мембрані або у внутрішніх фагосомах. Коли PRR розпізнає PAMP, він посилає сигнал до ядра, який активує гени, що беруть участь у фагоцитозі, клітинній проліферації, виробленні та секреції противірусних інтерферонів та прозапальних цитокінів, а також посиленому внутрішньоклітинному вбивстві. Як тільки відбувається розпізнавання і приєднання збудника, збудник поглинається везикулою і заноситься у внутрішній відсік фагоцита в процесі, званому фагоцитозом (рис. \(\PageIndex\) ). PRR можуть допомогти при фагоцитозі, спочатку зв'язуючись з поверхнею збудника, але фагоцити також здатні охопити прилеглі предмети, навіть якщо вони не пов'язані з конкретними рецепторами. Щоб поглинути збудника, фагоцит утворює псевдопод, який обертається навколо збудника, а потім відщипує його в мембранну везикулу, звану фагосомою. Підкислення фагосоми (рН знижується до діапазону 4-5) забезпечує важливий ранній антибактеріальний механізм. Фагосома, що містить збудника, зливається з однією або декількома лізосомами, утворюючи фаголізосому. Утворення фаголізосоми посилює підкислення, що має важливе значення для активації рН-залежних травних лізосомальних ферментів і вироблення пероксиду водню та токсичних активних форм кисню. Лізосомальні ферменти, такі як лізоцим, фосфоліпаза і протеази перетравлюють збудника. Інші ферменти беруть участь в дихальному сплеску. Під час респіраторного сплеску фагоцити будуть збільшувати їх поглинання і споживання кисню, але не для вироблення енергії. Підвищене споживання кисню орієнтовано на виробництво супероксидного аніону, пероксиду водню, гідроксильних радикалів та інших активних форм кисню, які є антибактеріальними. На додаток до активних форм кисню, що утворюються дихальним сплеском, також можуть утворюватися реактивні сполуки азоту з цитотоксичним (вбивство клітин) потенціалом. Наприклад, оксид азоту може реагувати з супероксидом з утворенням пероксинітриту, високоактивної сполуки азоту з деструктивними можливостями, подібними до активних форм кисню. Деякі фагоцити навіть містять внутрішнє джерело мікробіцидних білків дефензину (наприклад, гранули нейтрофілів). Ці руйнівні сили можуть виділятися в область навколо клітини, щоб погіршити мікроби зовні. Нейтрофіли, особливо, можуть бути досить ефективними при цьому вторинному протимікробному механізмі. Після завершення деградації залишки продуктів життєдіяльності виводяться з клітини в екзоцитарному бульбашку. Однак важливо відзначити, що не всі залишки збудника виводяться у вигляді відходів. Макрофаги та дендритні клітини також є антигенпрезентуючими клітинами, які беруть участь у специфічній адаптивній імунній відповіді. Ці клітини додатково обробляють залишки деградованого збудника і представляють ключові антигени (специфічні білки збудника) на їх клітинній поверхні. Це важливий крок для стимуляції деяких адаптивних імунних реакцій, про що буде розглянуто більш детально в наступному розділі. Малюнок \(\PageIndex\) : Стадії фагоцитозу включають поглинання збудника, утворення фагосоми, перетравлення патогенної частинки в фаголізосомі і вигнання неперетравлених матеріалів з клітини. Відвідайте це посилання, щоб переглянути фагоцити, що переслідують і поглинають збудника. У чому різниця між фагосомою і лізосомою? Коли фагоцитоз не вдається Хоча фагоцитоз успішно знищує багатьох патогенних мікроорганізмів, деякі здатні вижити і навіть експлуатувати цей захисний механізм, щоб розмножуватися в організмі і викликати поширену інфекцію. Найпростіші з роду Лейшманія - один із прикладів. Ці облігатні внутрішньоклітинні паразити являють собою джгутики, що передаються людині при укусі піщаної мухи. Інфекції викликають серйозні і іноді спотворюють виразки і виразки на шкірі та інших тканині (рис. \(\PageIndex\) ). У всьому світі приблизно 1,3 мільйона людей щороку заражаються лейшманіозом. 1 Слинні пептиди від піщаної мухи активізують макрофаги господаря в місці їх укусу. Класичний або альтернативний шлях активації комплементу відбувається з опсонізацією паразита C3b. Клітини лейшманії фагоцитозуються, втрачають свої джгутики і розмножуються у формі, відомій як амастігот (тіло Лейшмана-Донована) у фаголізосомі. Хоча багато інших збудників знищуються в фаголізосомі, виживання амастіготів Leishmania підтримується наявністю поверхневого ліпофосфоглікану і кислої фосфатази. Ці речовини пригнічують макрофаг респіраторний сплеск і лізосомальні ферменти. Потім паразит розмножується всередині клітини і лізує заражений макрофаг, звільняючи амастіготів для зараження інших макрофагів в межах одного господаря. Якщо інша піщана муха вкусить заражену людину, вона може проковтнути амастіготів, а потім передавати їх іншій особі через інший укус. Існує кілька різних форм лейшманіозу. Найбільш поширеною є локалізована шкірна форма захворювання, спричинена L. tropica, яка, як правило, розсмоктується спонтанно з часом, але з деякою значною інфільтрацією лімфоцитів і постійним рубцюванням. Слизисто-шкірна форма захворювання, викликана L. viannia brasilienfsis, спричиняє ураження в тканині носа та рота і може бути небезпечною для життя. Вісцеральна форма хвороби може бути викликана декількома різними видами лейшманії. Він вражає різні системи органів і викликає аномальне збільшення печінки і селезінки. Нерегулярні лихоманки, анемія, дисфункція печінки та втрата ваги - все це ознаки та симптоми вісцерального лейшманіозу. Якщо не лікувати, це, як правило, смертельно. Малюнок \(\PageIndex\) : (а) Шкірний лейшманіоз - спотворююче захворювання, спричинене внутрішньоклітинним джгутиком Leishmania tropica, що передається укусом піщаної мухи. (б) Ця легка мікрофотографія зразка, взятого з ураження шкіри, показує велику клітину, яка є макрофагом, інфікованим L. tropica amastigotes (стрілки). Амастіготи втратили свої джгутики, але їх ядра видно. Незабаром амастиготи будуть лізувати макрофаг і будуть поглинені іншими фагоцитами, поширюючи інфекцію. (кредит a: модифікація роботи історичного архіву Отіса «Національного музею охорони здоров'я та медицини»; кредит b: модифікація роботи Центрів контролю та профілактики захворювань) Малюнок \(\PageIndex<1>\) представляє важливу структуру в живих клітині. Це компонент рибосоми, клітинної структури, де синтезуються білки. Велика рибосомальна субодиниця (50S) Haloarcula marismortui, звернена до субодиниці 30S. Білки рибосоми показані синім кольором, рРНК - в охрі (відтінок коричневого і жовтого), активна ділянка - червоним. Всі живі клітини містять рибосоми, будь то прокаріотичні або еукаріотичні клітини. Однак тільки еукаріотичні клітини також містять ядро і кілька інших видів органел. Малюнок \(\PageIndex<1>\) : Рибосомна субодиниця Органела - це структура в цитоплазмі еукаріотичної клітини, яка укладена в мембрану і виконує певну роботу. Органели беруть участь у багатьох життєво важливих функціях клітин. Органели в клітині тварин включають ядро, мітохондрії, ендоплазматичний ретикулум, апарат Гольджі, везикули та вакуолі. Рибосоми не укладені в мембрану, але все ще зазвичай називають органелами в еукаріотичних клітині. Ядро є найбільшою органелою в еукаріотичної клітині і вважається центром управління клітиною. Він містить більшу частину ДНК клітини, яка становить хромосоми і кодується генетичними інструкціями з виготовлення білків. Функція ядра полягає в регулюванні експресії генів, включаючи контроль того, які білки виробляє клітина. Крім ДНК, ядро містить густу рідину під назвою нуклеоплазма, схожу за складом з цитозолем, виявленим в цитоплазмі поза ядром (рис. \(\PageIndex<2>\) ). Більшість еукаріотичних клітин містять лише одне ядро, але деякі типи клітин, такі як еритроцити, не містять ядра. Кілька інших типів клітин, таких як м'язові клітини, містять кілька ядер. Малюнок \(\PageIndex<2>\) : Цей крупний план клітинного ядра показує, що воно оточене структурою, яка називається ядерною оболонкою, яка містить крихітні перфорації або пори. Ядро також містить щільний центр, який називається ядерцем. Як видно з моделі на малюнку \(\PageIndex<2>\) , мембрана, що охоплює ядро, називається ядерною оболонкою. Це фактично подвійна мембрана, яка охоплює всю органелу і виділяє її вміст з клітинної цитоплазми. Крихітні отвори, звані ядерними порами, дозволяють великим молекулам проходити через ядерну оболонку за допомогою спеціальних білків. Великі білки та молекули РНК повинні мати можливість проходити через ядерну оболонку, щоб білки могли синтезуватися в цитоплазмі, а генетичний матеріал може підтримуватися всередині ядра. Ядро, показане в моделі нижче, в основному бере участь в збірці рибосом. Після вироблення в ядерці рибосоми експортуються в цитоплазму, де беруть участь в синтезі білків. Мітохондріон (множина, мітохондрії) - органела, яка робить енергію доступною клітині (рис. \(\PageIndex\) ). Ось чому мітохондрії іноді називають силовими установками клітини. Вони використовують енергію з органічних сполук, таких як глюкоза, щоб зробити молекули АТФ (аденозинтрифосфат), енергонесучої молекули, яка використовується майже повсюдно всередині клітин для отримання енергії. Вчені вважають, що мітохондрії колись були вільноживими організмами, оскільки вони містять власну ДНК. Вони припускають, що стародавні прокаріоти інфікували (або були охоплені) більшими прокаріотичними клітинами, і обидва організми розвивали симбіотичні відносини, які приносили користь обом. Більші клітини забезпечили меншим прокаріотам місце для життя. Натомість більші клітини отримували додаткову енергію від менших прокаріотів. Зрештою, менші прокаріоти стали постійними гостями більших клітин, як органели всередині них. Ця теорія називається ендосимбіотичної теорією, і вона сьогодні широко прийнята біологами. Малюнок \(\PageIndex\) : Мітохондрії, органели, що спеціалізуються на проведенні аеробного дихання, містять внутрішню мембрану, складену в кристи, які утворюють два окремих відсіку: внутрішній мембранний простір і матрицю. Цикл Кребса відбувається в матриці. Ланцюг транспорту електронів вбудований у внутрішню мембрану і використовує обидва відсіки для виготовлення АТФ шляхом хіміосмосу. Мітохондрії мають власну ДНК і рибосоми, що нагадують прокаріотичні організми. Ендоплазматичний ретикулум
(ER) (множина, reticuli) - це мережа фосфоліпідних мембран, які утворюють порожнисті трубки, сплющені листи та круглі мішки. Ці сплющені, порожнисті складки і мішечки називаються цистернами. ER має дві основні функції: Існує два типи ендоплазматичної сітки: шорсткий ендоплазматичний ретикулум (RER) та гладкий ендоплазматичний ретикулум (SER): Апарат Гольджі (рис. \(\PageIndex\) ) - велика органела, яка переробляє білки і готує їх до вживання як всередині, так і зовні клітини. Він був ідентифікований в 1898 році італійським лікарем Камілло Гольджі. Гольджі апарат модифікує, сортує, і упаковує різні речовини для секреції з клітини, або для використання всередині клітини. Апарат Гольджі знаходиться близько до ядра клітини, де він модифікує білки, які були доставлені в транспортних везикулах з грубої ендоплазматичної сітки. Він також бере участь у транспорті ліпідів навколо клітини. Шматочки мембрани Гольджі відщипують, утворюючи везикули, які транспортують молекули навколо клітини. Апарат Гольджі можна вважати подібним до поштового відділення; він упаковує та маркує «предмети», а потім відправляє їх у різні частини клітини. Апарат Гольджі має тенденцію бути більшим і численнішим у клітині, які синтезують та виділяють велику кількість матеріалів; наприклад, плазмові В-клітини та клітини імунної системи, що секретують антитіла, мають видатні комплекси Гольджі. Апарат Гольджі маніпулює продуктами з грубої ендоплазматичної сітки (ER), а також виробляє нові органели, які називаються лізосомами. Білки та інші продукти ЕР відправляються в апарат Гольджі, який організовує, модифікує, упаковує і мічає їх. Деякі з цих продуктів транспортуються в інші ділянки клітини, а деякі експортуються з клітини через екзоцитоз. Ферментативні білки розфасовані у вигляді нових лізосом. Малюнок \(\PageIndex\) : Шорсткий ER безперервний з ядерною оболонкою і має рибосоми на її поверхні. Рибосоми виробляють білки, такі як показаний, який залишається пов'язаним з мембраною грубої ER. Мембрана грубої ER відщипується, утворюючи транспортну везикулу, що містить білок. Бульбашка зливається з цис-обличчям апарату Гольджі. Білок зараз знаходиться на мембрані апарату Гольджі і подорожує по цистернам. Як тільки він досягає транс-обличчя апарату Гольджі, він потрапляє упакований у секреторну везикулу, яка відправляє білок до плазматичної мембрани. Стек цистерн має чотири функціональні області: мережа CIS-Гольджі, Медіал-Гольджі, Ендо-Гольджі, і Транс-Гольджі мережі. Бульбашки з ER плавляться з мережею і згодом просуваються по стеку з цис- в мережу Транс-Гольгі, де упаковуються і відправляються до місця призначення. Кожна цистерна включає спеціальні ферменти Гольджі, які модифікують або допомагають модифікувати білки, які подорожують через нього. Білки можуть бути модифіковані додаванням вуглеводної групи (глікозилювання) або фосфатної групи (фосфорилювання). Ці модифікації можуть утворювати сигнальну послідовність на білку, яка визначає кінцеве призначення білка. Наприклад, додавання маннозо-6-фосфату сигналізує про білок для лізосом. І везикули, і вакуолі - це мішкоподібні органели, які зберігають і транспортують матеріали в клітці. Бульбашки набагато менше вакуолей і мають різноманітні функції. Везикули, які відщипують від мембран апарату ER і Гольджі, зберігають і транспортують молекули білка і ліпідів. Ви можете побачити приклад цього виду транспортної везикули на малюнку вище. Деякі бульбашки використовуються в якості камер для біохімічних реакцій. Інші бульбашки включають: Центриоли - органели, які беруть участь в поділі клітин. Функція центриолей полягає в тому, щоб допомогти організувати хромосоми до того, як відбудеться поділ клітин, щоб кожна дочірня клітина мала правильну кількість хромосом після поділу клітини. Центриоли зустрічаються тільки в клітині тварин і розташовуються біля ядра. Кожна центриола виготовляється в основному з білка під назвою тубулін. Центриоль має циліндричну форму і складається з безлічі мікротрубочок, як показано на моделі, зображеній нижче. Малюнок \(\PageIndex\) : Центриоли - це крихітні циліндри біля ядра, збільшені тут, щоб показати їх трубчасту структуру. Рибосоми - це невеликі структури, де виробляються білки. Хоча вони не укладені в мембрану, їх часто вважають органелами. Кожна рибосома утворена з двох субодиниць, як та, що зображена у верхній частині цього розділу. Обидві субодиниці складаються з білків і РНК. РНК з ядра несе генетичний код, скопійований з ДНК, який залишається в ядрі. У рибосомі генетичний код в РНК використовується для збору та з'єднання амінокислот для отримання білків. Рибосоми можна знайти окремо або групами всередині цитоплазми, а також на RER.Які органоїди клітини беруть участь у фагоцитозі
17.4: Розпізнавання збудників і фагоцитоз
Екстравазація (діапедез) лейкоцитів
Посилання на навчання
Розпізнавання збудників
Деградація збудника
Посилання на навчання
Ключові поняття та резюме
Виноски
5.6: Клітинні органели
Ядро
Мітохондрії
Мітохондріальні відсіки
Ендоплазматична сітка
Апарат Гольджі
Везикули та вакуолі
Центриолі
Рибосоми
Рецензія
Дізнатися більше
Атрибуції
Recommended articles