Основы общей микробиологии и иммунологии. Учебное пособие

ляется специфическими иммунными и неспецифическими факторами в процессе многоступенчатых превращений.

Известно 2 пути активации системы комплемента:

альтернативный и классический.

При альтернативном пути комплемент может активироваться непосредственно клетками микроорганизмов, полисахаридами, липиполисахаридами бактерий, вирусами и другими антигенами без участия антител. Инициатором процесса является компонент С3b, который в небольшом количестве всегда присутствует в сыворотке крови. Он связывается с поверхностными молекулами микроорганизмов и при участии ряда ферментов (факторы В и D) и белка пропердина С3b образует С3-конвертазу. Далее этот комплекс активирует компонент С5, который прикрепляется к мембране клеткимишени. Затем на нем образуется мембраноатакующий комплекс из компонентов С6-С9. Процесс завершается перфорацией мембраны и лизисом микробных клеток. Именно этот путь запуска каскада комплементарных белков имеет место на ранних стадиях инфекционного процесса, когда специфические факторы иммунитета (антитела) еще не работают.

Классический путь активации комплемента запускается и протекает с участием комплекса антиген-антитело. Молекулы IgM и IgG имеют специальные места, которые способны связать компонент С1 комплемента. В его составе имеется протеаза, которая участвует в расщеплении компонентов С2 и С4 с образованием С3-конвертазы. Последняя активирует компонент С5 и обеспечивает формирование мембраноатакующего комплекса, как при альтернативном пути.

В процессе расщепления компонентов С5 и С3 образуются малые фрагменты С3а и С5а, которые служат медиаторами анафилактических реакций с участием тучных клеток, нейтрофилов и моноцитов. Эти компоненты получили название анафилатоксинов комплемента.

71

Активность и содержание комплемента в сыворотках животных зависят от вида, возраста, сезона и даже времени суток.

Наиболее высокий и стабильный уровень комплемента отмечен у морских свинок, поэтому в качестве комплемента используют нативную или лиофинизированную сыворотку крови этих животных.

Белки системы комплемента очень лабильны. Они быстро разрушаются при хранении и действии различных факторов (света, ультрафиолетовых лучей, протеаз, растворов кислот или щелочей и др.). Прогревание сыворотки при 56°С в течение 30 мин приводит к разрушению комплемента и такая сыворотка называется инактивированной.

Количественное содержание компонентов комплемента в периферической крови определяют как один из показателей активности гуморального иммунитета. У здоровых лиц содержание компонента С1 составляет 180 мкг/мл, С2 – 20 мкг/мл, С4 –600 мкг/мл, С3 -1200 мкг/мл.

Воспаление как важнейшее проявление иммуни-

тета. Воспалительная реакция развивается в ответ на повреждение тканей (прежде всего покровных) и направлена на локализацию и уничтожение микроорганизмов, проникших в организм. В основе воспалительной реакции лежит комплекс гуморальных и клеточных факторов неспецифической резистентности.

Клинически воспаление проявляется покраснением, отеком, болью, локальным повышением температуры, нарушением функции поврежденного органа или ткани.

Центральную роль в развитии воспаления играют сосудистые реакции и клетки системы мононуклеарных фагоцитов: нейтрофилы, моноциты, базофилы, эозинофилы, макрофаги и тучные клетки, а так же различные медиаторы воспаления: гистамин, серотонин, простагландины и другие.

72

Характер течения и исход воспалительного процесса зависят от многих факторов: природы и интенсивности действия чужеродного агента, формы воспалительного процесса (альтернативное, экссудативное, пролиферативное), локализации, состояния иммунной системы и др. Если воспаление не завершается в течение нескольких, оно становится хроническим, тогда развиваются иммунные реакции (иммунное воспаление) с участием макрофагов, В и Т-лимфоцитов.

Антигены ( от лат. аnti – против, genos – род) - генетически чужеродные вещества, которые при введении во внутреннюю среду организма способны вызывать иммунный ответ в виде образования антител или иммунных Т- лимфоцитов и взаимодействовать с ними. Следовательно, основными свойствами антигена являются иммуногенность и специфичность ( антигенность). Антигенами могут быть молекулы наружных мембран и продукты метаболизма клеток.

Иммуногенность – способность индуцировать иммунный ответ.

Специфичность – способность антигена вступать в реакции взаимодействия со специфичными к нему антителами или активированными (примированными) лимфоцитами.

Иммуногенность определяется:

•чужеродностью, т.е. вещество должно распознаваться иммунной системой как “не свое”. При этом, чем меньше выражено генетическое родство между организмом и вводимым агентом, тем лучшим иммуногенном он является;

•молекулярной массой, которая должна быть не менее 5-10 кД. Чем больше молекула антигена, тем сильнее будет иммунный ответ;

•химической природой.

73

В зависимости от химической природы и молекулярной массы антигены могут быть полными (иммуногенными) и неполными ( гаптенами).

Полные антигены (иммуногены) индуцируют специфический иммунный ответ и вступают в реакции взаимодействия с антителами и активированными (примированными) Т-лимфоцитами. К ним относятся высокомолекулярные вещества – белки, полисахариды, гликопротеины и др. и корпускулярные формы ( микроорганизмы, чужеродные клетки и др.). Антигены могут быть экзогенной природы и эндогенными. Эндогенными являются антигены собственных клеток организма с измененным геномом и образуемые ими продукты. Такие антигены получили название аутоантигенов.

Гаптены - это простые химические соединения малой молекулярной массы: дисахариды, липиды, пептиды и др. Они не обладают иммуногенностью, но имеют высокий уровень специфичности при взаимодействии с продуктами иммунного ответа (антителами и Т-лимфоцитами). Если гаптен соединить с белком, он приобретает свойство иммуногенности. В этом сложном комплексе именно гаптен определяет его специфичность.

Все антигены на своей поверхности имеют выступающие концевые молекулы, которые у полных антигенов образованы аминокислотами определенной конфигурации. Они обладают иммуногенными свойствами и их называют антигенными детерминантами. Именно с ними взаимодействуют антитела или антигенраспознаюшие рецепторы лимфоцитов.

Способ включения иммунной системы в ответ на проникновение чужеродного антигена различен. В связи с этим выделяют тимусзависимые и тимуснезависимые антигены.

Полноценное развитие специфического иммунного ответа на тимусзависимые антигены возможно только в присутствии Т-лимфоцитов. Тимуснезависимые антигены ( в основном

74

полисахариды) обеспечивают иммунный ответ без участия Т- лимфоцитов.

Все существующие в природе клетки - от вирусной частицы до клеток человеческого организма – представлены в виде пестрой мозаики антигенов. Огромное количество существующих антигенов классифицируют на основе происхождения (естественные, искусственные, синтетические), химической природы (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, липиды и др.), генетических признаков (аутоантигены и др.).

Антигенный спектр микроорганизмов разнообразен и выражается антигенной формулой, т.е. символами в виде букв или цифр. Например, антигенная формула бактерии брюшного тифа представлена антигенами 9, 12, Vi, d.

В зависимости от локализации у бактерий различают следующие антигены:

•капсульные (К-АГ) – расположенны наиболее поверхностно и представленны полисахаридами, полипептидами или белками. К капсульным антигенам относится антиген вирулентности (Vi – антиген), который обычно обнаруживают у высоковирулентных энтеробактерий;

•жгутиковые (Н- АГ) – имеют подвижные бактерии. Н-АГ является белком флагеллином, легко разрушается при нагревании, но сохраняет свои свойства после обработки фенолом;

•соматические (О-АГ) – локализованы на поверхности клеточной стенки. О-АГ состоит из липополисахарида, на конце которого имеются олигосахаридные цепочки, обеспечивающие его специфичность. О-АГ термостабилен, сохраняет свои свойства после обработки спиртом и формалином, но разрушается фенолом;

•внеклеточные АГ являются экзопродуктами бактерий белковой природы (экзотоксины, ферменты агрессии).

75

Комплекс антигенов целых микробных клеток и их экзотоксины являются полными антигенами и стимулируют реакции иммунного ответа. По степени специфичности антигены микроорганизмов делят на групповые, к которым относят родоспецифические (общие для рода) или видоспецифические (общие для вида), и серовариантные. Последние обеспечивают неоднородность вида и существование внутри вида отдельных антигенных вариантов.

Иммунная система

Основная задача иммунной системы – надзор за постоянством внутренней среды организма и охрана этой среды от изменений. Именно она определяет характер и силу иммунного ответа на экзогенные антигены и на собственные генетически измененные клетки, т.е. обеспечивает распознавание «чужого». Иммунная система представляет собой сложную многокомпонентную систему лимфоидных органов, тканей и клеток, которые неравномерно разбросаны по всему организму.

Выделяют центральные и периферические органы иммунной системы. К центральным органам относятся костный мозг (bone marrow) и вилочковая железа (тимус – thymus). В них происходит созревание и дифференцировка лимфоцитов, которые ответственны за реализацию клеточного и гуморального звена иммунитета. Центральные органы регулируют и контролируют работу периферического аппарата иммунной системы.

Костный мозг является органом кроветворения. Из него ежесуточно выходят в циркуляцию стволовые клетки, из которых формируются лимфоциты, нормальные киллерные клетки (NK) и дендритные клетки. В костном мозге проходят дифференцировку все лейкоциты крови и образуются нейтрофилы, моноциты/макрофаги, эозинофилы, базофилы,

76

тучные клетки, участвующие в иммунном ответе в качестве помощников лимфоцитов.

Вкостном мозге формируются В-лимфоциты (В- клетки), которые первоначально получили свое название по первой букве латинского названия сумки Фабрициуса (bursa Fabricii) у птиц, где происходит формирование клеток этого типа. В-лифоциты участвуют в гуморальной форме иммунного ответа.

Втимусе происходит созревание и дифференцировка Т-лимфоцитов (Т-клеток), которые обеспечивают клеточную форму иммунного ответа. Здесь происходит формирование антигенраспознающего Т- клеточного рецептора (ТКР) и деление Т-клеток на субпопуляции: Т-киллеры/ супрессоры, на поверхности которых экспрессируется корецептор СД8, и Т- хелперы/ индукторы с корецептором СД4. Корецепторы – это особые белки клеточной мембраны, которые усиливают взаимодействие антигенраспознающего рецептора с антигеном. Каждые сутки вилочковую железу покидают 8,5 млн зрелых Т-лимфоцитов. Среди лимфоцитов периферической крови человека Т-лимфоциты составляют 55-60%, В- лимфоциты – 25-30% и 10-20% нулевые лимфоциты, которые не прошли дифференцировку и являются, вероятно, клетками-предшественниками. В целом иммунная система взрослого человека включает более 10¹² различных клеток.

Периферическая лимфоидная ткань представлена:

•селезенкой;

•лимфатическими узлами;

•лимфоидной тканью, ассоциированной со слизистыми оболочками: желудочно-кишечного тракта, миндалинами, аденоидами, пейеровыми бляшками, аппендиксом; бронхов и бронхиол;

•лимфоидной тканью, ассоциированной с кожей;

•субпопуляцией лимфоцитов в печени – нормальных киллеров (NK), Т-лимфоцитов;

77

• периферической кровью, которая является транс- портно-коммуникационной системой.

Иммунный ответ

Проникновение антигенночужеродных агентов в организм вызывает развитие иммунного ответа, который включает следующие этапы:

•распознавание антигена Т и В-лимфоцитами;

•пролиферация и дифференцировка Т и В- лимфоцитов до зрелых эффекторных клеток;

•нейтрализация и уничтожение антигена.

Сила и характер иммунного ответа зависят как от свойств, дозы антигена, способа его проникновения, длительности присутствия в организме, так и от реакции иммунной системы и механизмов ее регуляции.

В настоящее время известны следующие варианты иммунного ответа:

•гуморальный иммунитет, основанный на выработке иммуноглобулинов;

•клеточный иммунитет, в основе которого продукция эффекторных Т-лимфоцитов;

•иммунологическая память;

•иммунологическая гиперреактивность;

•иммунологическая толерантность.

Гуморальный иммунный ответ обеспечивается уча-

стием макрофагов, В-лимфоцитов и CD4 Т-хелперов. Их кооперация в процессе иммунного ответа приводит к выработке специальных молекул – иммуноглобулинов (антител).

Иммуноглобулины (антитела) - особые белки сыворотки крови, вырабатываемые в ответ на проникновение чужеродного антигена. Они способны к специфическому

78

взаимодействию с этим антигеном и участию во многих иммунологических реакциях.

Иммуноглобулины (Ig) являются гликопротеинами сыворотки крови, сосредоточены в ее гамма-глобулиновой фракции. Количество Ig составляет около 30% всех белков сыворотки. Скорость их образования плазматическими клетками велика. За 1 сек вырабатывается 1000 – 1500 молекул .

У млекопитающих обнаружено 5 классов иммуногло-

булинов: Ig M, IgG, Ig A, Ig Е, Ig D.

Иммуноглобулины характеризуются общим типом строения. Наиболее просто устроена молекула IgG. Она состоит из четырех полипептидных цепей – двух тяжелых Н- цепей (от англ. heavy–тяжелый) и двух L – легких (от Light

–легкий). Четыре цепи соединены между собой в единую молекулу дисульфидными связями.

Каждая легкая и тяжелая цепи имеют вариабельную V - область (англ. variable region) с выраженным разнообразием аминокислотного состава, что обеспечивает специфичность молекулы Ig. Здесь находятся Fab - фрагменты (от англ. antigen binding), способные реагировать с чужеродным антигеном. Константная С-область (от англ. constant region) имеет Fcфрагмент (от англ. constant-постоянный, неизменный). Он строго идентичен у молекул каждого класса и неспецифичен по отношению к антигену. Все области подразделяются на гомологичные участки (домены). Домен содержит 110 аминокислотных остатков. У легких цепей обнаружено 2 домена: один в V - области, второй в С- зоне. Каждая тяжелая цепь имеет 4 домена: один V - домен, три С-домена

–Сн1, Сн2, Сн3. Между Сн1 и Сн2 доменами находится шарнирная зона, которая обеспечивает подвижность Fab – фрагмента. Сн2 – домен является местом связывания комплемента, Сн3 – домен способен взаимодействовать с Fc– рецепторами на поверхности иммунокомпетентных клеток (нейтрофилов, макрофагов, моноцитов).

79

Молекулы Ig присутствуют в организме в растворимой форме в крови и других биологических жидкостях.

Основными биологическими функциями Ig являются: связывание антигенов и их нейтрализация, опсонизация корпускулярных антигенов и подготовка их к поглощению фагоцитами, нейтрализация токсинов и ферментов, участие в лизисе микроорганизмов и собственных измененных клеток, активация комплемента.

Иммуноглобулины G (Ig G) имеют молекулярную массу 160 кД, константу седиментации 7S (т.е. являются микроглобулинами) и в количественном отношении на их долю приходится 75-80% от общего пула Ig в организме человека. Только эти Ig способны проходить через плаценту и после рождения ребенка в течение 4-6 месяцев обеспечивают надежную защиту от возбудителей инфекционных болезней, обеспечивая естественный пассивный (трансплацентарный) иммунитет. Действие Ig G проявляется на поздних этапах первичного и в процессе вторичного иммунного ответа, т.е. после распознавания антигена, проникшего в организм повторно. Они участвуют в различных реакциях иммунитета, опсонизации корпускулярных антигенов, фиксируют и активируют комплемент.

Иммуноглобулины М (Ig M) встречаются в свободной форме в виде пентамерной молекулы, состоящей из 5 молекул Ig G, объединенных J- цепью (от англ. join –соединять, присоединять), т.е. они состоят из 10 пар легких и тяжелых цепей. В сыворотке крови человека доля Ig M составляет 10%. Они имеют м.м. 900 кД, константу седиментации 19S (являются макроглобулинами), термостабильны, не проходят через плаценту. К их основной биологической функции относится мощная антибактериальная защита, которая выражается в лизисе клеток в присутствии комплемента. Особенно активны Ig этого класса в отношении грамотрицательных бактерий. Вместе с гуморальными факторами естественной резистентности они обусловливают бактерицидную актив-

80