Mechanizmy obronne organizmów

MECHANIZMY OBRONNE ORGANIZMÓW

Jednym z warunków przeżycia i utrzymania ciągłości gatunku jest zdolność organizmów do obrony własnego ciała i zachowania własnej indywidualności. Rozpoznawanie przez organizm substancji obcych oraz ich unieszkodliwianie jest podstawą odporności. Odporność to zdolność organizmu do przeciwdziałania niekorzystnemu wpływowi ciał obcych przedostających się do jego wnętrza. Podstawowe zadanie mechanizmów obronnych to uniemożliwienie wniknięcia ciał obcych, a gdy one już wnikną do organizmu-precyzyjne odróżnienie ich od substancji własnych i unieczynnienie lub usunięcie, tak aby nie mogły szkodzić. Mechanizmy te muszą też mieć zdolność rozpoznawania i eliminowania komórek zmienionych genetycznie, ponieważ mogą one przekształcić się w komórki nowotworowe, oraz komórek uszkodzonych, chorych, starych i martwych.

ODPORNOŚĆ
Antygeny
Antygeny są substancjami, których najważniejszą cechą jest obcość w stosunku do organizmu. Antygen to substancja obca, która po wniknięciu do organizmu wywołuje w nim reakcje obronną. Antygenowy charakter mają substancje wielkocząsteczkowe (białka, polisacharydy, kwasy nukleinowe), ich mieszaniny lub cząstki je zawierające, np. fragmenty komórek. Antygeny upostaciowane to komórki bakterii, grzybów, pierwotniaków, ciałka krwi, wirusy, pyłki kwiatów czy komórki przeszczepionego organu. Antygeny rozpuszczalne to roztwory koloidalne lub zawiesiny białek, polisacharydów, kwasów nukleinowych, toksyn bakteryjnych, kurzu itp. Istnieją również czynniki, które po przedostaniu się do organizmu po raz pierwszy, nie wywołują widocznej reakcji obronnej, ale pozostawiają w nim pewien ślad. Ponowne kontakty z nimi dają objawy uczuleń (alergii), stąd tego rodzaju antygeny nazywamy alergenami. Oprócz antygenów pochodzących z zewnątrz - każdy organizm ma swoje własne antygeny, które decydują o jego odmienności immunologicznej wobec innych organizmów. Najważniejsze z nich zlokalizowane są w błonach komórkowych, np. antygeny decydujące o grupach krwi, antygeny zgodności tkankowej (decydują o tym, czy przeszczepiony organ zostaje przyjęty lub odrzucony), antygeny komórek nowotworowych. Wewnątrz komórek mogą być antygeny połączone z błonami organelli komórkowych lub w cytoplazmie. Każdy organizm ma informację immunologiczną indywidualną i gatunkową. Indywidualna jest właściwa tylko dla danego organizmu i decyduje o jego swoistości, a jest oparta na różnicach grup krwi i antygenach zgodności tkankowej u osobników jednego gatunku. Informacja immunologiczna gatunkowa jest taka sama u wszystkich przedstawicieli danego gatunku i na jej podstawie można odróżnić, np. krew królika od krwi człowieka. Z reguły organizm, a właściwie Jego układ odpornościowy zna antygeny własne i nie reaguje na nie. Niekiedy własne składniki organizmu mogą stać się antygenami, nazywamy je wtedy autoantygenami. Są one przyczyną chorób autoagresyjnych (autoimmunologicznych), które doprowadzają do niszczenia własnych komórek ciała.

Odporność roślin
Rośliny - oprócz wielu przystosowań do niesprzyjających warunków środowiska, np. niska i wysoka temperatura, susza, niedosyt tlenu - wykształciły mechanizmy obronne chroniące je przed antygenami, zwłaszcza bakteriami, wirusami i grzybami. Odporność na patogeny może być wrodzona lub nabyta. O ile pierwszy typ odporności jest cechą dziedziczną, to w pewnym stopniu może się jednak zmieniać pod wpływem warunków środowiska, jest także uzależniony od możliwości przystosowawczych pasożytów. Odporność nabyta wykształca się w procesie rozwoju osobniczego (w kontaktach z patogenami). Reakcje odpornościowe roślin można podzielić na bierne i czynne.
Odporność bierna przejawia się tym, że ciało obce nie może wniknąć do tkanek gospodarza, a jeśli się do niego przedostanie - zostaje zniszczone lub ginie, nie znajdując warunków do rozwoju. Barierami utrudniającymi wnikanie są impregnowane różnymi substancjami celulozowe ściany komórkowe, np. woskami - w epidermie, ligniną -w komórkach zdrewniałych, suberyną - w korku. Zaporę może stanowić nie tylko gruba warstwa kutikuli lub wosku, ale także specyficzna budowa aparatu szparkowego, np. u mandarynki, odpornej na raka bakteryjnego. Innym typem odporności biernej są bariery utrudniające przemieszczanie się czynnika obcego, np. duża ilość celulozy, silny rozwój sklerenchymy. Rozwój pasożyta może być uniemożliwiony przez nieodpowiednie pH soku komórkowego.
Odporność czynna to zdolność roślin do przeciwstawiania się czynnikowi obcemu wnikającemu do tkanek. Reakcje odpornościowe czynne przejawiają się w różnorodny sposób, np. wzrostem stężenia cytokinin, które zapobiegają szkodliwemu działaniu toksyn wydzielanych przez patogena. Niekiedy reakcją rośliny jest pobudzanie podziałów mitotycznych komórek. Wytwarza się wtedy wokół miejsca infekcji specjalna tkanka oddzielająca zakażone komórki od zdrowych i nie dopuszczająca do rozszerzenia się zakażenia. Komórki tkanki zaporowej nie wpuszczają pasożyta do swego wnętrza albo wytwarzają substancje zabijające go. Bakteria, grzyb czy wirus, który pokonał bariery ochronne i przedostał się do komórki, może być przez nią zabity przez działanie związków antybakteryjnych (fitoncydów), np. garbników, alkaloidów, olejków eterycznych, substancji fenolowych. Stwierdzono, że u wielu roślin są wydzielane pewne substancje chemiczne tylko po wniknięciu czynnika obcego i nie występujące u roślin zdrowych ani uszkodzonych mechanicznie; są to tzw. fitoaleksyny. Działają one zabójczo na patogena i czynią rośliny niepodatnymi na zakażenia. Pasożyt powoduje często powstawanie narośli i czasem wchodzi w symbiozę z rośliną, jak to ma miejsce w przypadku bakterii brodawkowych współżyjących z korzeniami roślin motylkowych. Czasami pasożyt niszczy zaatakowane komórki, po czym sam ginie; następuje wtedy obumarcie tkanki (nekroza). Obumarłe komórki odpadają od żywych tkanek gospodarza. Nekroza w tym przypadku jest procesem obronnym. Mechanizm powstawania odporności czynnej jest złożony i polega przede wszystkim na biochemicznej ochronie organizmu. Większość z tych reakcji zachodzi już przy pierwszym wniknięciu pasożyta. Często zdarza się, że pierwsze zakażenie nie wywołuje wyraźnej reakcji obronnej, natomiast powtórne zakażenie doprowadza do szybkiej reakcji obronnej. W tym przypadku mówimy o odporności nabytej. Czasami może być tak, że roślina po rozwinięciu się pasożyta w jej tkankach choruje, wykazując np. zahamowanie wzrostu, plamistość liści, a później oznaki choroby ustępują i dalszy rozwój następuje normalnie, mimo dalszego występowania pasożyta w roślinie.

Odporność zwierząt
U zwierząt wykształciły się różnorodne i dość skomplikowane mechanizmy zabezpieczające organizm przed szkodliwym działaniem ciał obcych. Mechanizmy te są mniej skomplikowane u bezkręgowców, bardziej złożone u niższych kręgowców, a najlepiej rozwinięte u zwierząt stałocieplnych. Odpowiedź organizmu na obecność antygenu może być związana z działaniem substancji białkowych znajdujących się w płynach ciała - przeciwciał. Odpowiedź obronną organizmu z udziałem wydzielanych do płynów ciała przeciwciał nazywamy odpornością humoralną. Reakcją obronną organizmu na obecność antygenu może być fagocytowanie przez komórki żerne znajdujące się w płynach ustrojowych, a wytwarzane przez różne organy układu odpornościowego. Odpowiedź obronna organizmu polegająca na aktywnym wychwytywaniu i niszczeniu ciał obcych przez komórki żerne nazywamy odpornością komórkową.
Wyróżnia się dwa rodzaje odporności. Genetycznie uwarunkowana zdolność do obrony przed każdym typem ciała obcego jest nieswoista, wrodzona. Jeżeli zdolność do obrony jest nabywana w czasie życia osobniczego i skierowana przeciwko każdemu rodzajowi antygenu z osobna to jest ona swoista i ma charakter odporności nabytej.

Odporność wrodzona, nieswoista, której wiele mechanizmów działa niezależnie od układu odpornościowego (immunologicznego), stanowi pierwszą barierę dla mikroorganizmów, pasożytów i innych ciał obcych atakujących organizm. Mechanizmy te odpowiadają na większość czynników chorobotwórczych, a także na inne szkodliwe czynniki środowiska. Naturalną przeszkodę dla ciał obcych stanowią bariery ochronne, np. pancerze chitynowe lub rogowe, oskórek, zrogowaciały naskórek, skóra właściwa i błony śluzowe organów szczególnie narażonych na kontakt z ciałami obcymi - jamy ustnej, jelit, układu oddechowego. Oprócz tych naturalnych zapór - organizmy wykształciły obronne mechanizmy fizjologiczne, np. kichanie, kaszel, biegunka, wymioty, łzawienie. Procesy te mają na celu pozbycie się ciał obcych, które przedostały się do drogi pokarmowej, oddechowej czy innych organów narażonych na kontakt ze szkodliwymi czynnikami środowiskowymi. Jeżeli bariery ochronne okażą się nieskuteczne, organizm odpowiada
stanem zapalnym, który ogranicza rozprzestrzenianie się ciał obcych i utrudnia rozwój mikroorganizmów. Przejawem uruchomienia mechanizmów obronnych jest podwyższenie temperatury ciała i przyspieszenie procesów metabolizmu. Najważniejszym i najbardziej skutecznym mechanizmem odporności nieswoistej jest fagocytoza - pochłanianie przez komórki żerne ciał obcych, a następnie ich trawienie wewnątrzkomórkowe. Komórki fagocytujące znajdują się w płynach ciała, błonach śluzowych, tkance łącznej, węzłach chłonnych; mogą się one aktywnie przemieszczać do miejsc występowania inwaderów.
Fagocytarna aktywność komórek jest wspomagana przez czynniki chemiczne znajdujące się w płynach ciała, w mleku, ślinie, łzach i innych wydzielinach. Są to substancje białkowe o właściwościach bakteriobójczych, np. lizozym - uszkadzający bakterie, oraz interferon - utrudniający wirusom wnikanie do komórek. W ten sposób organizm broni się przed niektórymi bakteriami chorobotwórczymi, np. wywołującymi zapalenie opon mózgowych, rzeżączkę, czerwonkę i wieloma wirusami, np. wirusami opryszczki.
Odporność nabyta jest swoista, tj. skierowana tylko przeciwko określonemu rodzajowi antygenu. Odporność tę zawdzięczamy limfocytom krążącym we krwi, limfie i innych płynach ustrojowych i zasiedlającym narządy limfatyczne: szpik kostny, węzły chłonne, grasicę, śledzionę oraz skupiska limfatyczne przewodu pokarmowego: migdałki podniebienne, wyrostek robaczkowy, grudki limfatyczne jelita, a także w płucach i innych narządach. Komórki macierzyste limfocytów zlokalizowane są w szpiku kostnym.
Część z nich po opuszczeniu tego organu staje się limfocytami B. Po wniknięciu antygenu do organizmu limfocyty B przekształcają się w komórki plazmatyczne syntetyzujące i uwalniające do krwi przeciwciała (odpowiedź humoralna). Przeciwciała (immunoglobuliny) w różny sposób unieszkodliwiają antygeny. Część komórek macierzystych limfocytów po opuszczeniu szpiku kostnego wnika do grasicy i nabywa specjalnych właściwości, stając się limfocytami T, wśród których wyróżniono trzy grupy: limfocyty pomocnicze (Th), cytotoksyczne (Tc) i hamujące (Ts). Limfocyty Th po rozpoznaniu antygenu wydzielają różne substancje (limfokiny) uruchamiające wiele procesów: pobudzają limfocyty B do podziału i tworzenia plazmocytów syntetyzujących przeciwciała, powodują powstawanie nowych komórek żernych i ich przemieszczanie się do miejsc występowania ciał obcych oraz pobudzają limfocyty Te do fagocytowania komórek, do których antygen już wniknął, zwłaszcza komórek zainfekowanych wirusem. Reakcje wywoływane przez limfocyty T nazywamy odpowiedzią komórkową. Uruchomione mechanizmy obronne zbyt nasilone mogą być zgubne dla prawidłowych komórek ustroju. Za hamowanie reakcji obronnych i ich wstrzymywanie - gdy antygen został już unieszkodliwiony – odpowiadają limfocyty Ts. Reakcje odpornościowe wywoływane przez limfocyty T odgrywają też istotną rolę w odrzucaniu przeszczepów, wywoływaniu reakcji uczuleniowych i niszczeniu komórek nowotworowych.
Pamięć immunologiczna. Dzielące się limfocyty B oraz T tworzą komórki zapamiętujące antygen. Są one, razem z przeciwciałami krążącymi w organizmie, śladem po przebytej infekcji. Gdy po jakimś czasie organizm zetknie się ponownie z danym antygenem, np. zarazkiem, odpowiedź organizmu (tzw. wtórna odpowiedź immunologiczna) jest intensywniejsza, bez objawów chorobowych i szybsza niż przy pierwszym kontakcie (tzw. pierwotna odpowiedź immunologiczna).
Przeciwciała (immunoglobuliny) są białkami złożonymi z grupy glikoprotein zaliczanymi do grupy γ-globulin krwi. Mają one zdolność swoistego wiązania antygenu. Jest to możliwe dzięki temu, że na powierzchni antygenu znajdują się odpowiednie struktury (determinanty), które łączą się z uzupełniającymi („pasującymi") miejscami wiązania swoistego przeciwciała. Powstały kompleks przeciwciało-antygen nie jest już aktywny; w tej formie nie szkodzi ustrojowi i stopniowo jest eliminowany z płynów ciała przez komórki żerne. Oprócz tego przeciwciała mogą tak zmienić strukturę antygenu, że ten szybko jest fagocytowany, uruchomić system enzymów niszczących antygen, neutralizować toksyny bakteryjne. Warunkiem rozpoczęcia syntezy przeciwciał jest rozpoznanie antygenu przez limfocyty B i pobudzenie ich przez limfocyty T.
Odporność nabywana sztucznie polega na podawaniu surowicy z gotowymi przeciwciałami, np. surowicy przeciwtężcowej lub przeciwbłoniczej. Wprowadzone do organizmu gotowe przeciwciała szybko neutralizują toksyny. Jest to jednak krótkotrwała, swoista sztuczna odporność bierna. W przypadku szczepień ochronnych uzyskuje się sztuczną, swoistą, długotrwałą odporność czynną. W jej wytwarzaniu wykorzystuje się zjawisko pamięci immunologicznej. Podanie antygenów danego drobnoustroju w nieszkodliwej formie (osłabione lub zabite zarazki, względnie ich antygeny) powoduje bezobjawowy przebieg choroby i daje te same efekty, jakie zachodzą w odpowiedzi immunologicznej pierwotnej. Wytworzone komórki pamięci i przeciwciała w przyszłości poradzą sobie ze zjadliwą formą zarazka. Specyfika reakcji immunologicznych sprawia, że szczepionka chroni tylko przed tym samym drobnoustrojem, który ją wywołał, jeżeli ustrój zostanie zaatakowany przez zmienioną formę drobnoustroju, poprzednio wytworzone przeciwciała są zazwyczaj nieskuteczne, a komórki pamięci go nie rozpoznają. Dlatego nie ma szczepionek przeciwko zarazkom szybko się zmieniającym, np. wirusowi grypy, kataru czy wirusowi HIV.

AIDS
Zespół nabytego upośledzenia odporności (AIDS) - choroba XX wieku jest powodowany przez wirusa HIV. Jest to stosunkowo mały i prosto zbudowany wirus. Jego osłonkę stanowią: zewnętrzna warstwa lipidowo-białkowa i dwie wewnętrzne warstwy białek, a materiałem genetycznym są dwie cząsteczki jednoniciowego RNA. HIV atakuje układ odpornościowy. Wykazuje on powinowactwo do limfocytów pomocniczych - Th, które odgrywają kluczową rolę w prawidłowej odpowiedzi immunologicznej oraz do makrofagów. Po wniknięciu do organizmu wirus zostaje rozpoznany i rozpoczyna się z nim walka. W wyniku odpowiedzi humoralnej organizm wytwarza przeciw-
ciała anty-HIV. Ponieważ wirus wnika do limfocytów Th, są one rozpoznawane i niszczone przez limfocyty Tc, a także inne typy komórek żernych. Jeżeli walka z wirusem okaże się skuteczna, to jednym śladem po niej są przeciwciała anty-HIV.
Obecność przeciwciał anty-HIV świadczy, że osoba zetknęła się z tym wirusem, ale to wcale nie znaczy, że nie jest nosicielem. HIV bowiem pozostaje w zaatakowanych komórkach w formie utajonej. Pod wpływem bliżej nieznanych czynników może się ponownie uaktywnić. Ponieważ ulega on szybkim zmianom, wytworzone wcześniej przeciwciała są już często nieskuteczne. Liczne cząstki wirusa zaczynają atakować kolejne limfocyty Th, co prowadzi do ich postępującego zaniku w organizmie. Brak limfocytów pomocniczych obniża aktywność limfocytów B i powoduje zmniejszenie się liczby komórek żernych ustroju. W rezultacie w organizmie zachodzą głębokie zmiany wyniszczające, rozwijają się nowotwory, a unieczynniony system immunologiczny zwiększa ilość skutecznych infekcji. W rezultacie następuje śmierć. Paradoksem jest to, że chorzy nie umierają na AIDS, lecz w wyniku zakażeń lub nowotworów, rozwijających się w organizmie o prawie unieczynnionym układzie odpornościowym.

GRUPY KRWI
Wieloletnie badania prowadzone przez hematologów doprowadziły do wykrycia we krwi czynników chemicznych o charakterze antygenów i przeciwciał. Dokonali tego w latach 1900-1910 L. Hirschfeid i K. Landsteiner.
W błonach erytrocytów są antygeny (aglutynogeny) dwóch rodzajów: A i B. Obecnie wiadomo, że antygen A jest niejednorodny i tworzy różne odmiany: A1, A2 itd. Stąd wyróżnia się m.in. grupy A1, A2, A1B, A2B. W surowicy mogą się znajdować przeciwciała (aglutyniny): anty A (α) oraz anty B (β). Przeciwciała anty A powodują zlepianie (aglutynację) krwinek zawierających antygen A, a anty B - antygen B.
Stwierdzono, że w surowicy krwi nigdy nie występują przeciwciała skierowane przeciwko własnym antygenom grupowym (tzw. reguła Landsteinera). Na tej podstawie wyróżniono cztery podstawowe grupy krwi (tab. 1).


Znajomość grup krwi umożliwia prawidłowe przetaczanie (transfuzję) krwi. Osobnikowi z grupą AB, nie mającemu przeciwciał, można przetoczyć wszystkie rodzaje krwi, bowiem nie „broni się" on przed żadnym antygenem (ryć. 4).
Rys. Schemat przetaczania krwi według zasady uniwersalnego biorcy i dawcy.


Osobnik z grupą O nie może mieć przetaczanej krwi żadnej innej grupy tylko O, ponieważ mając przeciwciała α i β będzie aglutynował krew każdego rodzaju, z wyjątkiem własnej grupy. Ta zasada uniwersalnego dawcy i biorcy ma jednak bardzo ograniczoną stosowalność, bowiem ilość przetaczanej krwi dawcy może stanowić mniej niż 1/10 krwi biorcy, a oprócz tego we krwi znajduje się jeszcze wiele innych antygenów oraz przeciwciał, które mogą oddziaływać na siebie, powodując aglutynację krwinek.
W miarę rozwoju serologii - nauki o grupach krwi - wykryto wiele dodatkowych antygenów, których obecność warunkuje wyróżnianie dodatkowych grup krwi lub tzw. podgrup, np. M i N. Ogromne praktyczne znaczenie ma wykryty w 1941 r. przez Landsteinera antygen Rh. Po raz pierwszy stwierdzono jego występowanie we krwi małp makaków Rhesus, stąd jego symbol. 85% ludzi naszego kręgu kulturowego ma w błonach erytrocytów - obok innych - antygen Rh. Krew tych ludzi oznaczono Rh+. U pozostałych osób czynnika tego nie ma, a ich krew oznaczono symbolem Rh-. W warunkach normalnych we krwi nie występują przeciwciała anty-Rh, ale w szczególnych przypadkach może je wytwarzać osobnik z grupą Rh-. W surowicy krwi Rh- pojawiają się przeciwciała anty-Rh dopiero wtedy, gdy krew ta zetknie się z krwią Rh+. Wtedy organizm z grupą Rh- zaczyna wytwarzać przeciwciała anty Rh, które – jako skierowane przeciwko antygenowi Rh aglutynują krwinki Rh+. Z tego powodu przeciwciała anty-Rh- nazwano przeciwciałami o charakterze odpornościowym. Pierwszy kontakt krwi osoby Rh- z krwią Rh+ powoduje, że organizm zaczyna wytwarzać przeciwciała anty Rh, ale zwykle nie daje to jeszcze widocznych ujemnych objawów. Przy powtórnym kontakcie - obecne we krwi przeciwciała niszczą erytrocyty dawcy, powodując ich rozpad - hemolizę. Sytuacja staje się szczególnie groźna, gdy między matką, która ma grupę krwi Rh-, a płodem o grupie Rh+, zaistnieje konflikt serologiczny. Czynnik Rh płodu (dziecko dziedziczy ten czynnik po ojcu) przenikając przez łożysko (najczęściej przy porodzie) do krwi matki, wywołuje u niej reakcje obronną i wytwarzanie przeciwciał anty-Rh. Noworodkowi to już nie zagraża, zagraża natomiast płodowi w następnej ciąży, ponieważ przeciwciał anty-Rh, przenikając stosunkowo swobodnie przez barierę łożyska do krwi płodu, zaczynają niszczyć jego krwinki. W czasie pierwszej ciąży ilość wytwarzanych przeciwciał zwykle jest niewielka i nie powoduje uszkodzeń płodu. Przy każdej następnej ciąży krążące we krwi matki przeciwciała, wspólnie z nowo syntetyzowanymi, uszkadzają płód, powodując poronienie lub chorobę hemolityczną noworodka.