Temat nr 28. Obrona organizmu przed patogenami – reakcje
advertisement
Temat nr 28. Obrona organizmu przed patogenami – reakcje odpornościowe. Teoria Organizm człowieka każdego dnia styka się z szeregiem czynników chorobotwórczych np. bakterie, wirusy, grzyby chorobotwórcze, które wraz z pokarmem, wodą, wdychanym powietrzem lub przez uszkodzoną skórę mogą dostać się do wnętrza ustroju. Człowiek, podobnie jak inne zwierzęta, posiada system, nazwany układem odpornościowym lub immunologicznym, który rozpoznaje i aktywnie unieszkodliwia patogeny. Substancje szkodliwe lub czynniki chorobotwórcze, które po wniknięciu wywołują odpowiedź odpornościową nazywamy antygenami. Zdolność do rozpoznawania i niszczenia szkodliwych substancji i komórek to odporność. Reakcje odpornościowe są dwojakiego rodzaju. Odporność nieswoista i swoista Odporność nieswoista (niespecyficzna, wrodzona) jest skierowana przeciwko każdemu patogenowi. Ten typ odporności ma za zadanie nie dopuścić do wniknięcia patogenu do ustroju. Jeśli jednak to nastąpi, nieswoiste mechanizmy obronne starają się jak najszybciej zlikwidować patogen, zanim poczyni on szkody w organizmie. Do mechanizmów odporności nieswoistej należą: • bariera mechaniczna w postaci nieuszkodzonej skóry, o zwartej strukturze i kwaśnym odczynie potu (niskie pH potu 3,5-5,5 jest zabójcze dla wielu bakterii); • błony śluzowe układu oddechowego i pokarmowego zabezpiecza enzym lizozym (obecny także we łzach i ślinie) rozpuszczający otoczki (ściany komórkowe) niektórych bakterii; • drobnoustroje, które dostaną się do żołądka ulegają zniszczeniu przez niskie pH soku żołądkowego; • śluz w drogach oddechowych unieruchamia wiele drobnoustrojów, które są unieszkodliwiane przez fagocyty, czyli leukocyty o zdolnościach do fagocytozy, a następnie usuwane na zewnątrz przez ruch rzęsek; • odruchy takie jak kichanie, kaszel, wymioty, biegunka to reakcje mające za zadanie jak najszybsze usunięcie szkodliwych substancji lub patogenów. Jeśli jednak patogeny dostaną się do krwi lub limfy uruchamiane są kolejne nieswoiste mechanizmy obronne: • fagocyty, (są to neutrofile i monocyty) pochłaniają („zjadają") czynniki chorobotwórcze; • komórki zainfekowane wirusem wydzielają białko interferon, które przenika do sąsiednich komórek i - w razie ataku wirusa - hamuje jego namnażanie; • miejscowo lub ogólnie w ustroju podwyższa się temperatura, co stwarza niekorzystne warunki dla rozwoju wielu mikroorganizmów chorobotwórczych; • w zainfekowanych miejscach dochodzi do rozszerzenia naczyń krwionośnych (pojawia się charakterystyczne opuchnięcie i zaczerwienienie) co usprawnia dopływ krwi, a wraz z nią białek i komórek układu immunologicznego. Jeśli mechanizmy odporności nieswoistej okażą się nieskuteczne - w zakażonym organizmie zostają uruchomione mechanizmy obrony swoistej (specyficznej, nabytej), wysoko wyspecjalizowanej, skierowanej przeciwko określonemu patogenowi i nabywanej w czasie życia. W ten rodzaj obrony są zaangażowane makrofagi (duże komórki żerne powstające z monocytów) oraz limfocyty typu B i limfocyty typu T. Limfocyty typu B człowieka dojrzewają (nabywają kompetencje) w szpiku kostnym); ich zadanie polega na wytwarzaniu i uwalnianiu przeciwciał skierowanych przeciwko określonemu antygenowi. Jest to tzw. odporność humoralna (lub odpowiedź humoralna) charakterystyczna głównie dla infekcji bakteryjnych. Każdy limfocyt B produkuje tylko jeden typ przeciwciała -jednak liczba różnych przeciwciał, które mogą być potencjalnie wytworzone w organizmie człowieka jest ogromna. Limfocyty B znajdują się w stanie gotowości w węzłach limfatycznych, czekając na moment, kiedy będą potrzebne. Limfocyty typu T dojrzewają w grasicy gdzie nabywają receptory powierzchniowe identyfikujące tzw. antygeny zgodności tkankowej. Receptory są odpowiedzialne za identyfikację komórek „własnych" i odróżnianie ich od czynników „obcych". Mechanizm obrony polega głównie na niszczeniu zainfekowanych komórek. Jest to tzw. odporność komórkowa skierowana przeciwko komórkom zainfekowanym wirusami lub zmienionym nowotworowe. Ten rodzaj reakcji odpowiada także m.in. za odrzucanie przeszczepów. Istnieje kilka rodzajów limfocytów T: komórki pomocnicze Th, cytotoksyczne limfocyty Tc oraz supresyjne limfocyty Ts. Mechanizm i rodzaje odpowiedzi immunologicznej Mechanizm odpowiedzi (reakcji) immunologicznej polega na rozpoznaniu antygenu, a następnie jego neutralizacji i eliminacji. Antygenem nazywamy cząsteczkę białka (lub innego związku organicznego) na powierzchni czynnika chorobotwórczego (bakterii, wirusa lub toksyny), która jest charakterystyczna dla danego czynnika i umożliwia jego rozpoznanie. Specyficzne cząsteczki znajdują się na wszystkich komórkach bez wyjątku, ale układ odpornościowy potrafi odróżnić „własne" antygeny od „obcych". Innymi słowy, antygenem nazywamy cząsteczkę, która po wniknięciu do ustroju wywołuje reakcję immunologiczną. Główne etapy odpowiedzi immunologicznej: • Po wniknięciu antygenu do wnętrza organizmu rozpoczyna się faza jego rozpoznania. Komórki żerne, głównie makrofagi, które były ostatnią barierą odporności nieswoistej, fagocytują bakterie i wirusy. Jednak nie trawią ich w całości, tylko rozdrabniają na fragmenty, które są umieszczane na powierzchni makrofaga. Jest to tzw. prezentacja antygenu. • Teraz do akcji wkraczają limfocyty, które posiadają na swojej powierzchni białkowe receptory rozpoznające określony antygen. Rozpoznanie odbywa się na zasadzie wzajemnego precyzyjnego dopasowania (zasada klucz-zamek). Ostateczna decyzja czy prezentowany przez makrofaga antygen jest „obcy" i czy należy uruchomić odpowiedź immunologiczną należy do limfocytów Thpomocniczych. • Pobudzone przez kontakt z antygenem limfocyty Th wydzielają substancje białkowe interleukiny (z grupy związków o nazwie cytokiny lub inaczej limfokiny), które oddziaływują na pozostałe limfocyty Tc - cytotoksyczne (Te) i limfocyty B. Aktywacji ulegają tylko te z milionów limfocytów, które rozpoznają swoisty dla nich antygen, czyli są zdolne do związania się z nim za pomocą receptora. Kilkanaście rodzajów interleukin jest wydzielanych również przez pozostałe limfocyty typu T i makrofagi, a także przez inne komórki somatyczne. Interleukiny uczestniczą w komunikowaniu się i koordynowaniu funkcji leukocytów, ale także wpływają na czynności niezwiązane z reakcjami obronnymi. • Pobudzone i namnożone limfocyty T-cytotoksyczne biorą udział w odpowiedzi komórkowej - likwidują zakażone wirusem komórki. Zainfekowana komórka prezentuje na swojej powierzchni fragmenty antygenu; limfocyt Tc wiąże się z nimi za pomocą receptora i uwalnia białka cytotoksyczne niszczące zakażoną komórkę. Likwidacji ulegają także komórki zmienione nowotworowe (na ich powierzchni pojawiają się wtedy nietypowe dla danego organizmu antygeny). • Limfocyty B biorą udział w odpowiedzi humoralnej, która polega na produkcji przeciwciał (inaczej immunoglobulin) czyli białek, które wiążą i neutralizują antygen. Każde przeciwciało (podobnie jak receptor limfocytu) pasuje tylko do jednego antygenu. Pobudzone limfocyty B rosną, namnażają się intensywnie (po tygodniu z jednej komórki może powstać kilka tysięcy!) i przekształcają w plazmocyty - które już się nie dzielą, tylko wytwarzają dany rodzaj przeciwciała. • Zarówno część potomnych limfocytów T, jak i limfocytów B nie bierze „aktywnego" udziału zwalczaniu antygenów, lecz przekształca się w tzw. komórki pamięci immunologicznej. Są to limfocyty z wbudowanymi w błonę komórkową przeciwciałami, pochodzącymi z pierwszego kontaktu z antygenem. W razie ponownej inwazji tych samych antygenów inicjują szybką reakcję immunologiczną. • W miarę ubywania antygenów aktywność limfocytów B jest hamowana przez cytokiny wydzielane przez limfocyty T-supresorowe (Ts). Nabywanie odporności; szczepionki i surowice odpornościowe Pierwotna odpowiedź immunologiczna to reakcja organizmu na pierwsze zetknięcie się z danym antygenem. Jej wywołanie, czyli znalezienie właściwego przeciwciała jest dość długi, trwa 3-14 dni - w tym czasie dochodzi do zachorowania. Odpowiedź pierwotna wygasa po kilku tygodniach, ale ponowne zetknięcie się z tym samym antygenem, nawet po dłuższym okresie czasu, wywołuje wtórną odpowiedź immunologiczną - o wiele szybszą i silniejszą reakcję obronną. W organizmie znajdują się, bowiem komórki pamięci immunologicznej, których reakcja jest bardzo szybka - do kilku godzin po wniknięciu antygenu. Także liczba produkowanych przeciwciał jest znacznie większa. W tym przypadku nie dochodzi już do zachorowania; mówimy, że organizm jest odporny na infekcję. Sposób nabywania odporności może się odbywać drogą naturalną lub sztuczną, w sposób czynny lub bierny. Przebycie zakażenia (przechorowanie) to naturalny i czynny sposób nabycia odporności. Naturalne, ale bierne nabywanie odporności zachodzi tylko u płodu i niemowląt karmionych piersią; przeciwciała matki przechodzą przez łożysko do rozwijającego się organizmu, lub są dostarczane wraz z mlekiem. Układ odpornościowy dziecka rozpoczyna samodzielną produkcję przeciwciał ok. 3 roku życia - wcześniej korzysta z przeciwciał dostarczonych z organizmu matki. Czynne nabywanie odporności w sposób sztuczny stosuje się w przypadku szczepionek, uodparniające organizm na daną chorobę. W czasie szczepienia do organizmu jest wprowadzany osłabiony lub zabity patogen, lub jego fragmenty - wyizolowane antygeny lub nieaktywne toksyny. Limfocyty produkują odpowiednie przeciwciała i są przygotowane na ewentualny atak nie osłabionego patogenu. Szczepionki mogą być podawane doustnie lub przez iniekcję (czyli zastrzyk). W niektórych przypadkach konieczne jest bierne nabycie odporności sztuczną drogą, poprzez podanie choremu surowicy odpornościowej, czyli surowicy krwi zawierającej określone przeciwciała. Procedurę taką stosuje się w przypadku zagrożenia życia, np. po infekcji bakteriami tężca, których niebezpieczne dla organizmu toksyny działają bardzo szybko. Również ukąszenia przez zwierzęta jadowite lub chore na wściekliznę wymagają dostarczenia gotowych przeciwciał. Ten rodzaj odporności jest krótkotrwały, mija wraz ze zniknięciem przeciwciał z układu krwionośnego, ponieważ przeciwciała te nie istniały w pamięci immunologicznej organizmu i nie zostały wyprodukowane przez jego układ odpornościowy. Ponadto organizm może rozpoznać obce przeciwciała jako antygeny i rozpocząć syntezę przeciwciał skierowanych przeciwko białkom surowicy. W przypadku konieczności ponownego podania tej samej surowicy dochodzi do gwałtownego wstrząsu, niewydolności organizmu i zagrożenia życia. Układ zgodności tkankowej i problematyka przeszczepów Każdy organizm jest niepowtarzalny, także pod względem biochemicznym. Powierzchnia każdej komórki posiada cząsteczki glikoprotein, charakterystycznych dla danego osobnika. Te specyficzne cząsteczki określa się, jako antygeny zgodności tkankowej, a zespół tych antygenów to układ zgodności tkankowej MHC (ang. major histocompatibility complex). Tkanki pochodzące od jednego człowieka mają ten sam zespół antygenów niepowtarzalny dla każdego osobnika (wyjątek stanowią bliźnięta jednojajowe). Tkanki ze specyficznym układem MHC są rozpoznawane przez komórki układu odpornościowego, jako „własne" i nie są atakowane. Mówimy, że organizm wykazuje tolerancję immunologiczną na własne antygeny. Skład antygenów jest cechą dziedziczną, tak więc im bliższe pokrewieństwo osobników, tym większe podobieństwo układu zgodności tkankowej. Jest to ważna informacja w przypadku transplantacji narządów, bowiem przeszczepione z innego organizmu tkanki są rozpoznawane przez układ odpornościowy jako „obce" i niszczone. Najlepiej przyjmują się przeszczepy własnych tkanek (autoprzeszczepy), np. fragment skóry przeniesiony z jednej na inną część ciała, jest rozpoznawany przez leukocyty jako „własny". Jednak wiele narządów i tkanek (np. serce, nerki, szpik kostny) musi być pobieranych od innych osób. Im większe pokrewieństwo między osobą dawcy i biorcy, tym większa szansa na przyjęcie przeszczepu przez organizm. Mniejsze ryzyko odrzucenia przeszczepu zapewniają leki immunosupresyjne, które blokują działanie układu odpornościowego. Jednak skutkiem ubocznym jest większa podatność pacjenta na wszelkiego rodzaju infekcje. Rodzajem przeszczepu jest transfuzja krwi gdzie decydującą rolę w powodzeniu zabiegu ma zgodność układów grupowych krwi. Zaburzenia układu odpornościowego Układ odpornościowy to potężny system obronny organizmu. Jeśli jednak działa wadliwie, może nie sprostać obronie ustroju lub nawet obrócić się przeciwko niemu. Alergie (uczulenia) to choroby spowodowane nadwrażliwością układu odpornościowego. Reakcja immunologiczna i wytwarzanie przeciwciał mają miejsce w kontakcie z często zupełnie nieszkodliwymi czynnikami (tzw. alergenami), które u osób bez nadwrażliwości nie wywołują odpowiedzi immunologicznej. Alergenami mogą być pyłki roślin, roztocza obecne w kurzu, niektóre pokarmy i wiele innych. Wywoływana przez nie reakcja alergiczna może być stosunkowo łagodna (katar sienny, wysypka skórna), ale może także powodować objawy groźne dla życia (np. astma oskrzelowa lub wstrząs anafilaktyczny; ten ostatni ma gwałtowny przebieg po dożylnym podaniu surowicy lub penicyliny, a zaburzenia akcji serca, obrzęk błon śluzowych i skurcz mięśni gładkich może spowodować zgon). Autoimmunoagresja to choroby, w których układ odpornościowy rozpoznaje „swoje" komórki jako „obce" i dąży do ich zniszczenia. Przykładem takiej choroby jest reumatoidalne zapalenie stawów (gościec stawowy), w którym niszczeniu ulegają chrząstki na powierzchniach stawowych kości. W innej chorobie z autoagresji, stwardnieniu rozsianym, dochodzi do niszczenia osłonek mielinowych w komórkach nerwowych. Niedobory immunologiczne to choroby, w których pewne elementy układu odpornościowego nie działają, mogą być nabyte lub dziedziczone. Przykładem jest zespół nabytego niedoboru odporności - AIDS wywoływanego przez wirusa HIV. Jest to przewlekła, zakaźna, śmiertelna i, jak na razie, nieuleczalna choroba, która pojawiła się w populacji ludzkiej w latach 80. XX wieku. Wirus atakuje makrofagi, a przede wszystkim limfocyty T pomocnicze (Th), których liczba w ustroju dramatycznie spada. Przyczyna tego jest dwojaka: • wirusy namnażają się we wnętrzu limfocytów T powodując rozpad tych komórek; • ponadto limfocyty T cytotoksyczne (Tc) zabijaj ą zakażone wirusem komórki, a w tym przypadku są to makrofagi i limfocyty Th - tak więc zainfekowany układ odpornościowy niszczy sam siebie. Do zakażenia wirusem HIV dochodzi tylko za pośrednictwem krwi lub przez kontakt seksualny. Możliwe jest także przeniesienie wirusa od zakażonej matki do płodu (wirusy przechodzą przez łożysko) lub noworodka (z krwią w trakcie porodu lub z mlekiem matki). Teorię i zadania opracowano na podstawie następujących wydawnictw: Podręczniki do biologii w zakresie podstawowym i rozszerzonym; Vademecum maturzysty wydawnictwo Operon; Repetytorium maturzysty wydawnictwo Greg; Vademecum maturzysty wydawnictwo Zielona Sowa; Zadania maturalne: wydawnictwo Operon, wydawnictwo MAC, wydawnictwo WSIP, wydawnictwo PWN, wydawnictwo CKA, wydawnictwo OMEGA, wydawnictwo: NOWA ERA. Arkusze maturalne (CKE). Zadania do rozwiązania 1) Wykorzystując wykres, który przedstawia zmiany w poziomie przeciwciał w surowicy krwi w pierwotnej i wtórnej odpowiedzi immunologicznej oraz poniższy tekst, przedstaw dwie zasadnicze różnice między odpowiedzią pierwotną i wtórną (2p). „W odpowiedzi immunologicznej wyróżnia się dwie fazy: W pierwszej limfocyty immunologicznie czynne łączą się za pośrednictwem receptorów immunoglobulinowych z antygenem oraz tworzą się nowe limfocyty. W tej fazie współdziałają one z makrofagami. W drugiej fazie odpowiedzi limfocyt B uczestniczy w powstawaniu i uwalnianiu immunoglobulin, a limfocyty T łączą się z antygenem i uwalniają limfokininy”. 2) Reakcja immunologiczna wywołana wniknięciem antygenu do organizmu jest wieloetapowa. Niektóre z tych etapów podano niżej. Podaj prawidłową kolejność poszczególnych etapów odpowiedzi immunologicznej (1p). I Limfocyty T pobudzają działanie limfocytów B. II Makrofag przedstawia antygen kompetentnemu limfocytowi B. III Limfocyty B różnicują się w plazmocyty i wytwarzają przeciwciała. IV Makrofag dostarcza antygeny do węzła chłonnego. 3) W układzie grupowym Rh największe znaczenie ma antygen D. Przy jego braku krew przyjęto oznaczać jako Rh (-). Do niezgodności antygenowej w zakresie antygenu D może dojść między matką a płodem. Dzieje się to w przypadku, gdy matka ma krew o grupie Rh (—), a płód — Rh (+). Podaj symbole literowe, którymi oznaczono: a) aglutyniny anty D, b) erytrocyty z antygenami D. c) W jaki sposób współczesna medycyna profilaktycznie zapobiega chorobie hemolitycznej noworodków? 4) Przeczytaj poniższy tekst i odpowiedz na pytania (3p). Limfocyty są najważniejszymi elementami układu immunologicznego. U ssaków układ ten ma wyjątkowe właściwości do wytwarzania przeciwciał przeciw wielu milionom różnych obcych czynników, które mogą przedostać się do organizmu Poza tym układ immunologiczny „zapamiętuje" te czynniki i powtórne działanie tej samej substancji, powoduje silniejszą i szybszą odpowiedź immunologiczną. Istnieją dwa rodzaje mechanizmów immunologicznych: humoralny i komórkowy. Oba te mechanizmy reagują na antygeny - zazwyczaj substancje białkowe, które są obce dla organizmu, takie jak bakterie lub obca tkanka. Za odporność humoralną odpowiedzialne są krążące we krwi przeciwciała, które występują we frakcji gamma-globulin, białek osocza, jest to główna linia obrony przeciw infekcjom bakteryjnym. Odporność komórkowa jest odpowiedzialna za opóźnione reakcje alergiczne i odrzucanie przeszczepionej obcej tkanki. Odporność komórkowa stanowi główną linię obrony przeciw infekcjom wirusowym, grzybiczym i niektórym bakteriom, np. prątkom gruźlicy. Odporność ta zabezpiecza również przed nowotworami. a) Podaj, jaka jest przyczyna odrzucenia przeszczepu przez organizm człowieka. b) Wyjaśnij, jak należy postępować z chorym po przeszczepie, aby zmniejszyć ryzyko odrzucenia przeszczepu. c) Wyjaśnij, dlaczego dawca przeszczepu powinien być blisko spokrewniony z biorcą. 5) Rysunek przedstawia przebieg pewnego doświadczenia (5p). Do krwi królika wprowadzono białko świni (I). Następnie z organizmu królika pobrano surowicę (2) i dodano do niej komórki świni (3). Jako efekt pojawił się tak zwany pierścień precypitacyjny świadczący o zajściu reakcji odpornościowej (4). a) b) c) Wyjaśnij, na czym polegały dalsze etapy doświadczenia oznaczone jako 5 i 6 oraz podaj, jaki był ich wynik końcowy (etap 7). Podaj wyjaśnienie różnic pomiędzy wynikami oznaczonymi jako 4 i 7. Podaj jedną praktyczną konsekwencję wyników tego doświadczenia, mającą znaczenie dla medycyny. 6) Obecnie coraz częściej w leczeniu chorób stosuje się przeszczepy. Poza przeszczepami całych organów prowadzone są próby z implantowaniem odpowiednich grup komórek. Jedną z największych przeszkód w tego typu zabiegach jest mała liczba dawców. Z tego powodu tak wielkie nadzieje wiąże się z wszczepianiem ludziom narządów i komórek zwierzęcych. Naukowcy sądzą, że na przykład przeszczep zwierzęcych komórek wysp trzustki produkujących insulinę mógłby być ratunkiem dla chorych na cukrzycę insulinozależną, wszczepienie do mózgu człowieka odpowiednich komórek świni dawałoby możliwość leczenia niektórych chorób układu nerwowego. Przeszczepy zwierzęce budzą jednak zastrzeżenia i obawy, gdyż niosą różne zagrożenia. Przed uczonymi jeszcze wiele eksperymentów. Przedstaw swoje stanowisko dotyczące eksperymentów z przeszczepami zwierzęcymi. W uzasadnieniu użyj dwóch argumentów (nie powtarzaj sformułowań z tekstu). 7) Układ grupowy Rh stanowią trzy pary antygenów, z których największe znaczenie ma antygen D. Krew charakteryzującą się obecnością antygenu D w błonach erytrocytów oznacza się Rh+, a przy braku tego antygenu Rh–. Niezgodność antygenowa między matką a płodem dotycząca antygenu D może stanowić przyczynę konfliktu serologicznego (prowadzącego do hemolitycznej choroby noworodków). W tabeli przedstawiono cztery przypadki układów grupowych Rh matki i płodu. Wśród przedstawionych w tabeli przypadków (A-D) zaznacz ten, który może doprowadzić do konfliktu serologicznego. 8) Mechanizm krzepnięcia krwi stanowi skomplikowaną sekwencję zjawisk biochemicznych, których ostatni etap przedstawiono na poniższym schemacie (2p). a) Podaj nazwy substancji, które oznaczono symbolami literowymi A i B. b) W jaki sposób organizm zapobiega krzepnięciu krwi wewnątrz układu naczyniowego? 9) Gdy zranimy ciało i nie oczyścimy rany, do organizmu mogą wniknąć bakterie tężca. Toksyny produkowane przez te bakterie mogą spowodować bardzo groźne dla organizmu skutki. Żeby temu przeciwdziałać, podaje się zranionemu surowicę przeciwtężcową. Odporność organizmu uzyskana przy zastosowaniu surowicy przeciwtężcowej jest (1p): A. naturalna, bierna. B. naturalna, czynna. C. sztuczna, bierna. D. sztuczna, czynna. 10) W pewnej miejscowości większość mieszkańców sprzeciwiła się planowanej tam budowie ośrodka dla nosicieli wirusa HIV, w tym chorych na AIDS. Mieszkańcy uzasadniali swój sprzeciw troską o zdrowie własne i swoich dzieci. Przedstaw dwa różne argumenty, które pozwolą przekonać mieszkańców tej miejscowości, że sama obecność nosicieli wirusa HIV i chorych na AIDS nie powoduje zagrożenia zakażeniem. 11) Z drobnoustrojami chorobotwórczymi stykamy się nieustannie. W większości przypadków nie prowadzi to do choroby. Przedstaw po jednym przykładzie swoistej i nieswoistej reakcji obronnej organizmu na drobnoustroje chorobotwórcze (2p).
