Поняття, механізм та послідовність здійснення фагоцитозу

Ви коли-небудь замислювалися, як вірус чи інший інфекційний агент вторгається у клітину, щоб здійснити зараження? Багато клітин потребують перенесення різних речовин, таких як бактерії, мертві клітини-господарі, і уламки з інших клітин або навколишнього середовища, через їх плазматичну мембрану і цитоплазму з різних причин.

Деякі клітини можуть використовувати різні методи, такі як іонні насоси або осмос, для переміщення макромолекул, а також хімічних речовин через плазматичну мембрану та цитоплазму. Але великі частинки, такі як віруси та бактерії, надто великі, щоб використовувати невеликі канали для транспортування через клітинну мембрану. Для поглинання більших частинок клітини використовують процес, званий ендоцитозом. Існує кілька різних типів ендоцитозу, один із яких називається фагоцитозом.

Що таке фагоцитоз?

Фагоцитоз - це процес, при якому клітина зв'язується з необхідною часткою на поверхні, а потім обволікає і занурює її всередину. Процес фагоцитозу часто відбувається, коли клітина намагається знищити щось, наприклад, вірус або інфіковану клітину, і часто використовується клітинами імунної системи.

Фагоцитоз не станеться, якщо клітина не перебуває у фізичному контакті з часткою, яку вона хоче поглинути. Рецептори клітинної поверхні, що використовуються фагоцитозу, залежать від типу клітини. Це найпоширеніші з них:

• Рецептори опсонінів: використовуються для зв'язування бактерій або інших частинок, які були покриті імуноглобуліновими антитілами G (або IgG) імунною системою.Імунна система покриває потенційні загрози в антитілах, щоб інші клітини знали, що їх потрібно знищити. Також імунна система може використовувати групу складних білків для маркування бактерій, які називаються системою комплементу. Система комплементу - ще один спосіб імунної системи знищувати патогени та загрози для організму.
• Рецептори сміттярі: зв'язуються з молекулами, що продукуються бактеріями. Більшість бактерій і клітин виробляють матрицю протеїнів, що оточують себе (звану позаклітинним матриксом). Матрікс є ідеальним способом для імунної системи ідентифікувати чужорідні види в організмі, оскільки клітини людини не продукують одну і ту ж білкову матрицю.
• Толл-подібні рецептори: рецептори, названі на честь аналогічного рецептора у плодових мух, що кодуються геном Toll, які зв'язуються з певними молекулами, що продукуються бактеріями. Толл-подібні рецептори є ключовою частиною вродженої імунної системи, оскільки будучи пов'язаними з бактеріальним збудником, вони розпізнають специфічні бактерії та активують імунну відповідь. Існує безліч різних типів Толл-подібних рецепторів, що продукуються організмом, всі з яких пов'язують різні молекули.
• Антитіла: деякі імунні клітини утворюють антитіла, що пов'язують із конкретними антигенами. Це процес, подібний до того, як подібні рецептори розпізнають та ідентифікують, який тип бактерій заражає господаря. Антигени — це молекули, які діють як патогенна «візитна картка», тому що вони допомагають імунній системі зрозуміти, з якою загрозою вона має справу.

Як відбувається фагоцитоз?

Щоб здійснити процес фагоцитозу, клітини мають виконати кілька послідовних дій.Майте на увазі, що різні типи клітин виконують фагоцитоз по-різному.

• Вірус та клітина повинні вступити в контакт один з одним. Іноді імунна клітина випадково потрапляє у вірус у кровотоку. В інших випадках клітини переміщуються шляхом процесу, званого «хемотаксис». Хемотаксис означає рух мікроорганізму чи клітини у відповідь хімічний стимул. Багато клітин імунної системи рухаються у відповідь на цитокіни, невеликі білки, що використовуються спеціально для передачі сигналів у клітині. Цитокіни сигналізують клітинам переміщатися у певну область тіла, де виявлено частинку (у разі, вірус). Це притаманно інфекцій певної області (наприклад, рана шкіри, уражена бактеріями).
• Вірус зв'язується з рецепторами клітинної поверхні макрофага. Пам'ятайте, різні типи клітин експресують різні рецептори. Деякі рецептори є загальними, а це означає, що вони можуть ідентифікувати мимовільну молекулу в порівнянні з потенційною загрозою, тоді як інші дуже специфічні, наприклад, схожі на подібні рецептори або антитіла. Макрофаг не ініціює фагоцитозу без успішного зв'язування рецепторів клітинної поверхні.
• Віруси можуть мати поверхневі рецептори, специфічні для вірусів на макрофазі. Віруси повинні отримати доступ до цитоплазми або ядра клітини-господаря, щоб реплікувати та викликати інфекцію, тому вони застосовують свої поверхневі рецептори для взаємодії з клітинами імунної системи та використовують імунну відповідь для входу в клітину. Іноді, коли вірус та клітина-господар взаємодіють, клітина-господар може успішно знищити вірус та зупинити поширення інфекції. В інших випадках клітина-господар поглинає вірус, який починає реплікуватися.Як тільки це станеться, інфікована клітина ідентифікується та знищується іншими клітинами імунної системи, щоб зупинити вірусну реплікацію та поширення інфекції.

• Макрофаг починає обертатися навколо вірусу, поглинаючи його до кишені. Замість того, щоб переміщати великий елемент через плазматичну мембрану, який може її пошкодити, фагоцитоз використовує інвагінацію, щоб захопити частинку всередину, обволікаючи її навколо. Інвагінація - це дія згинання всередину себе, щоб сформувати порожнину або мішечок. Клітина захоплює вірус внутрішньо, створюючи кишенькове поглиблення без ушкодження плазматичної мембрани. Пам'ятайте, що клітини є досить гнучкими та текучими.

• Захоплений вірус повністю закривається у вигляді бульбашкової структури, яка називається «фагосом», усередині цитоплазми. Губи кишені, утворені в результаті інвагінації, стягують один до одного, щоб закрити проміжок. Ця дія створює фагосому, де плазмова мембрана переміщається навколо частинки, безпечно розміщуючи її всередині клітини.

• Фагосоми зливаються з лізосомою, стаючи «фаголісосомою». Лізосоми також є пухирчастими структурами, подібними до фагосомів, які обробляють відходи всередині клітини. Для кращого розуміння функцій лізосоми, приставка "Лізис" означає поділ або розчинення. Без злиття з лізосомою, фагосома не здатна нічого зробити зі вмістом усередині.
• Фаголісосома знижує pH, щоб зруйнувати свій вміст. Лізосома або фаголісосома здатні руйнувати речовину всередині себе, різко знижуючи рН внутрішнього середовища. Зниження рН робить навколишнє середовище у фаголісосомі дуже кислим. Це ефективний спосіб вбити або нейтралізувати все, що знаходиться всередині фаголізосоми, щоб не допустити зараження клітини.Деякі віруси фактично використовують знижений рН, щоб вирватися з фаголісосоми та почати реплікувати усередині клітини. Наприклад, грип використовує зниження рН для активації конформаційної зміни, що дозволяє вийти в цитоплазму.
• Після того, як вміст було нейтралізовано, фаголізосома утворює залишкове тіло, що містить відходи з фаголісосоми. Залишкове тіло зрештою виводиться із клітини.

Фагоцитоз та імунна система

Фагоцитоз є важливим складником імунної системи. Декілька типів клітин імунної системи виконують фагоцитоз, такі як нейтрофіли, макрофаги, дендритні клітини та В-лімфоцити. Дія фагоцитуючих патогенних або сторонніх частинок дозволяє клітин імунної системи знати, з чим вони борються. Знаючи ворога, клітини імунної системи можуть спеціально націлюватися на схожі частки, що циркулюють в організмі.

Іншою функцією фагоцитозу в імунній системі є поглинання та знищення патогенів (таких як віруси або бактерії) та інфікованих клітин. Знищуючи інфіковані клітини, імунна система обмежує швидкість поширення та розмноження інфекції. Раніше ми згадували, що фаголісосома створює кислотне середовище для знищення чи нейтралізації вмісту. Клітини імунної системи, які виконують фагоцитоз, можуть використовувати інші механізми для знищення патогенів всередині фаголісоми, таких як:

• Кисневі радикали: високореактивні молекули, які реагують із білками, ліпідами та іншими біологічними молекулами. Під час фізіологічного стресу кількість кисневих радикалів у клітині може різко збільшуватись, викликаючи окислювальний стрес, здатний руйнувати клітинні структури.
• Оксид азоту: реакційна речовина, подібна до кисневих радикалів, яка реагує з супероксидом, щоб створити додаткові молекули, що ушкоджують різні типи біологічних молекул.
• Антимікробні білки: білки, які специфічно ушкоджують чи вбивають бактерії. Приклади антимікробних білків включають протеази, що вбивають різні бактерії, знищуючи основні білки та лізоцим, що атакує клітинні стінки грампозитивних бактерій.
• Антимікробні пептиди: схожі з антимікробними білками, оскільки також атакують та вбивають бактерії. Деякі антимікробні пептиди, такі як дефенсини, атакують мембрани бактеріальних клітин.
• Зв'язуючі білки: є важливими гравцями вродженої імунної системи, оскільки конкурують з білками або іонами, які в іншому випадку можуть виявитися корисними для бактерій чи вірусної реплікації. Лактоферрин – зв'язуючий білок, виявлений у слизових оболонках, та зв'язує іони заліза, необхідні для зростання бактерій.