Фагоцитоз: этапы и стадии, хемотаксис и адгезия, активация мембраны, погружение, образование фагосомы, формирование фаголизосомы (слияние)

Науки о природе

Этапы фагоцитоза:

Хемотаксис

Вредный объект проникает в организм и недолго остается там незамеченным. Этот объект, будь то бактерия, инородное тело или что-то еще, выделяет особые вещества (хемоаттрактанты) и вступает в непосредственный контакт с кровью или тканью. Все это дает организму понять, что внутри него находится агрессор.

Происходит каскад биохимических реакций. Сначала на стадии фагоцитоза тучные клетки выделяют в кровь специальные соединения, вызывающие воспалительную реакцию. Начало воспалительного процесса «пробуждает» макрофаги и другие фагоцитирующие клетки из состояния покоя. Нейтрофилы, почувствовав присутствие хемоаттрактантов, быстро покидают кровь в тканях и устремляются к очагу воспаления.

Трудно описать, а еще труднее представить, но проникновение возбудителя в организм приводит к запуску настоящего эффекта домино, включающего сотни (!) различных физиологических явлений, происходящих на клеточном и субклеточном уровне. Состояние иммунной системы на этой стадии фагоцитоза можно сравнить с состоянием потревоженного улья, когда многочисленные его обитатели готовятся атаковать обидчика.

Адгезия

Последовательность фагоцитоза продолжается второй стадией — реакцией адгезии. Приближаясь к нужному участку, фагоциты распространяют свои отростки в сторону возбудителя, вступают с ним в контакт и распознают его. Они не спешат сразу нападать и предпочитают сначала убедиться, что их не принимают за «чужака». Распознавание вредного агента происходит с помощью специальных рецепторов на поверхности мембран фагоцитов.

Мембранная активация

Во время третьей фазы фагоцитоза в защитных клетках происходят невидимые реакции, которые готовят их к захвату и уничтожению возбудителя.

Нырять

Мембрана фагоцита представляет собой жидкое пластичное вещество, способное менять форму. Именно это происходит, когда клетка сталкивается с вредным объектом. На изображении видно, что фагоцит протягивает свои «щупальца» в сторону инородной частицы. Затем оно постепенно распространяется вокруг нее, наползает на нее и захватывает ее целиком.

Формирование фагосом

Когда фагоцит охватывает частицу со всех сторон, его мембрана закрывается снаружи, и внутри клетки остается закрытый пузырек с атакуемым объектом внутри. Таким образом, клетка словно проглатывает частицу. Этот везикула называется фагосомой.

Образование фаголизосомы (слияние)

Пока происходили другие стадии фагоцитоза, внутри фагоцита было готово к использованию оружие — лизосомальные органеллы, содержащие «пищеварительные ферменты» клетки. Как только бактерия или другой вредоносный объект захватывается защитной клеткой, лизосомы приближаются. Их мембраны сливаются с оболочкой, окружающей частицу, и содержимое сливается в этот «мешочек».

Убийство

Это наиболее драматичный момент во всем механизме фагоцитоза. Захваченный объект переваривается и расщепляется фагоцитом.

Удаление продуктов разложения

То, что остается от убитых бактерий или других переваренных частиц, удаляется из клетки. Бывшая фаголизосома, представляющая собой мешочек с продуктами распада, приближается к внешней мембране фагоцита и сливается с ней. При этом из клетки удаляются остатки поглощенного объекта. Последовательность фагоцитоза завершена.

Третья стадия фагоцитоза

Прикрепившись к инородному телу, фагоцит начинает его поглощать, что может происходить двумя способами. В месте контакта оболочка инородного предмета, а затем и сам предмет втягивается в клетку. При этом свободные края мембраны смыкаются над предметом, в результате чего образуется отдельная вакуоль, содержащая внутри себя вредную частицу. Второй путь поглощения – появление псевдоподий, охватывающих инородные частицы и замыкающихся на них.

В конечном итоге они оказываются в вакуолях внутри клеток. Как правило, фагоциты поглощают микрогрибы с помощью псевдоподий. Втягивание или охватывание вредоносного объекта становится возможным благодаря тому, что мембрана фагоцита наделена сократительными свойствами.

Явление фагоцитоз — что это такое?

И. И. Мечников проследил и уточнил роль фагоцитоза в защитных реакциях организма человека и высших животных. Исследователь установил, что этот процесс играет значительную роль в заживлении различных ран. Биологический энциклопедический словарь дает следующее определение.

Фагоцитоз — это активный захват и заглатывание инородных тел, таких как бактерии, микрогрибы и фрагменты клеток, одноклеточными организмами или специфическими клетками (фагоцитами), обнаруженными в любом многоклеточном организме. В чем суть фагоцитоза? Считается, что это древнейшая форма защиты многоклеточного организма. Фагоцитоз также играет решающую роль в функционировании иммунной системы человека. Это первая реакция на внедрение различных вирусов, бактерий и других чужеродных веществ. Фагоциты постоянно циркулируют по организму в поисках «вредителей». Когда инородное вещество распознается, оно связывается с помощью рецепторов. Затем фагоцит поглощает вредителя и уничтожает его.

Процесс фагоцитоза: первая стадия

Давайте рассмотрим, как происходит процесс борьбы с вредными организмами. Ученые выделяют четыре стадии фагоцитоза. Первый представляет собой приближение: фагоцит приближается к инородному телу. Это происходит либо в результате случайного столкновения, либо в результате активного направленного движения — хемотаксиса. Различают два типа хемотаксиса — положительный (движение к фагоциту) и отрицательный (движение от фагоцита). Как правило, положительный хемотаксис осуществляется к месту повреждения тканей, а также вызывается микробами и их продуктами.

Функция фагоцитоза

Функция фагоцитоза заключается в переносе твердых частиц в клетку. Фагоцитоз — это тип эндоцитоза, при котором клетки поглощают молекулы посредством активного транспорта, в отличие от молекул, которые пассивно диффундируют через клеточную мембрану. Только определенные небольшие молекулы могут легко проходить через клеточную мембрану; более крупные должны пройти через специальные каналы в клетке или попасть в организм посредством эндоцитоза.

Другие типы эндоцитоза включают пиноцитоз, также называемый клеточным питьем, и рецептор-опосредованный эндоцитоз, при котором молекулы связываются со специфическими рецепторами на клеточной мембране, заставляя клетку поглощать их.

Фагоцитоз отличается от пиноцитоза тем, что фагоцитоз предполагает заглатывание твердых частиц, а пиноцитоз предполагает заглатывание капель жидкости. Фагоцитоз также используется клетками для поглощения частиц, которые намного крупнее тех, которые попадают в организм при пиноцитозе. Некоторые одноклеточные протисты, такие как амебы, используют фагоцитоз для поглощения частиц пищи; это буквально то, как они едят пищу.

Поскольку все их тело состоит из одной клетки, они могут поглощать частицы пищи, заглатывая их, а затем переваривать эти частицы, соединяясь с лизосомой. При пиноцитозе проглоченные частицы не должны разрушаться лизосомой, поскольку они очень малы, и вместо этого везикула опорожняет свое содержимое непосредственно в клетку.

Две основные группы подвижных клеток — «защитников»

Фагоциты постоянно находятся в активном состоянии и готовы в любой момент бороться с источником инфекции. Они обладают определенной автономией, поскольку могут выполнять свои функции не только внутри, но и вне организма: на поверхности слизистых оболочек и в участках поврежденных тканей. С точки зрения эффективности ученые делят фагоциты человека на две группы – «профессиональные» и «непрофессиональные». В первую входят моноциты, нейтрофилы, макрофаги, тучные клетки и дендритные клетки ткани.

Важнейшими мобильными фагоцитами являются белые кровяные тельца – лейкоциты. Они мигрируют к месту воспаления и реализуют защитные функции. Фагоцитоз лейкоцитов предполагает обнаружение, поглощение и разрушение инородных тел, а также собственных погибших или поврежденных клеток. После выполнения своих функций часть лейкоцитов перемещается в сосудистое русло и продолжает циркулировать в крови, а другая претерпевает апоптоз или дистрофические изменения. «Непрофессиональную» группу составляют фибробласты, ретикулярные и эндотелиальные клетки, обладающие низкой фагоцитарной активностью.

Как происходит фагоцитоз?

Чтобы осуществить процесс фагоцитоза, клетки должны выполнить несколько последовательных действий. Помните, что разные типы клеток осуществляют фагоцитоз по-разному.

  • Вирус и клетка должны вступить в контакт друг с другом. Иногда иммунная клетка случайно подхватывает вирус из крови. В других случаях клетки движутся посредством процесса, называемого хемотаксисом. Хемотаксис означает движение микроорганизма или клетки в ответ на химический стимул. Многие клетки иммунной системы движутся в ответ на цитокины — небольшие белки, используемые специально для передачи сигналов внутри клетки.

Цитокины сигнализируют клеткам о необходимости двигаться к определенному участку тела, где обнаружена частица (в нашем случае вирус). Это характерно для инфекций определенной области (например, кожная рана, инфицированная бактериями).

  • Вирус связывается с рецепторами на поверхности клетки макрофага. Помните, что разные типы клеток экспрессируют разные рецепторы. Некоторые рецепторы являются общими, то есть они могут идентифицировать спонтанную молекулу против потенциальной угрозы, в то время как другие очень специфичны, например, аналогичные рецепторы или антитела. Макрофаг не инициирует фагоцитоз без успешного связывания рецепторов клеточной поверхности.
  • Вирусы также могут иметь вирусспецифические поверхностные рецепторы на макрофагах. Вирусы должны получить доступ к цитоплазме или ядру клетки-хозяина, чтобы размножаться и вызывать инфекцию, поэтому они используют свои поверхностные рецепторы для взаимодействия с клетками иммунной системы и используют иммунный ответ для проникновения в клетку.

Иногда, когда вирус и клетка-хозяин взаимодействуют, клетка-хозяин может успешно уничтожить вирус и остановить распространение инфекции. В других случаях клетка-хозяин поглощает вирус, который начинает размножаться. Когда это происходит, инфицированная клетка идентифицируется и уничтожается другими клетками иммунной системы, чтобы остановить репликацию вируса и распространение инфекции.

  • Макрофаг начинает вращаться вокруг вируса и поглощает его в свой карман. Вместо перемещения большого элемента через плазматическую мембрану, что может привести к ее повреждению, фагоцитоз использует инвагинацию, чтобы заманить частицу внутрь и обернуть ее вокруг себя. Инвагинация – это процесс складывания внутрь с образованием полости или мешочка. Клетка удерживает вирус внутри и создает карман, не повреждая плазматическую мембрану. Помните, что клетки довольно гибкие и текучие.

  • Захваченный вирус полностью заключен в везикулярную структуру цитоплазмы, называемую «фагосомой». Губы кармана, образовавшегося в результате инвагинации, сближаются, закрывая щель. В результате этого действия создается фагосома, в которой плазматическая мембрана движется вокруг частицы, безопасно помещая ее внутрь клетки.

  • Фагосомы сливаются с лизосомой, образуя «фаголизосому». Лизосомы также представляют собой везикулярные структуры, подобные фагосомам, которые перерабатывают отходы в клетке. Чтобы лучше понять функции лизосомы, приставка «лизес» означает деление или растворение. Без слияния с лизосомой фагосома не способна ничего сделать с содержимым внутри.
  • Фаголизосома снижает pH, разрушая свое содержимое. Лизосома или фаголизосома способна разрушить само вещество, значительно снизив pH внутренней среды. Снижение pH делает среду в фаголизосоме очень кислой. Это эффективный способ убить или нейтрализовать то, что находится внутри фаголизосомы, чтобы предотвратить инфицирование клетки. Некоторые вирусы фактически используют пониженный уровень pH, чтобы покинуть фаголизосому и начать размножаться внутри клетки. Например, грипп использует снижение pH для активации конформационных изменений, которые позволяют вирусу выйти в цитоплазму.
  • После нейтрализации содержимого фаголизосома образует остаточное тело, содержащее отходы фаголизосомы. Оставшееся тело в конечном итоге выводится из клетки.

Макрофагоциты (моноциты и макрофаги)

Моноциты – лейкоциты, составляющие 4–11% от общего числа клеток крови. Это самые крупные представители белой крови (10-12 микрон в диаметре). Внутри находится множество лизосом, определяющих их фагоцитарную активность.

Благодаря своим размерам моноциты разрушают крупные инородные тела, на что другие клетки неспособны. Продолжительность жизни моноцитов около 2-4 дней, после чего они не погибают, а проникают через стенку сосуда в ткани, где трансформируются в макрофаги-гистиоциты.

Макрофаги присутствуют повсюду, во всех органах и тканях организма, они снабжены выростами — псевдоподиями, необходимыми при захвате чужеродных клеток, основная часть цитоплазмы заполнена лизосомами и фагосомами. Важной функцией макрофагов является секреция лизоцима (бактерицидного агента).

Многие клетки нашего организма ежедневно погибают – это естественный физиологический процесс, продукты апоптоза также поглощаются и растворяются внутри фагоцитов.

Прилипание фагоцитов к чужеродному агенту

После того, как «охранная» клетка приблизится к вредной частице, начинается второй этап. Речь идет о прилипании. Фагоцит достигает объекта, касается его и прикрепляется. Например, лейкоциты, пришедшие к месту воспаления и прилипшие к стенке сосуда, не отрываются сами, несмотря на большую скорость кровотока. Механизм адгезии осуществляется за счет поверхностного заряда фагоцита. Как правило, он отрицательный, а поверхность фагоцитирующих объектов заряжена положительно. В этом случае наблюдается лучшая адгезия. Отрицательно заряженные частицы, например опухолевые частицы, захватываются фагоцитами гораздо хуже. Тем не менее, существует адгезия к таким частицам. Осуществляется за счет действия мукополисахаридов, находящихся на поверхности мембран фагоцитов, а также за счет снижения вязкости цитоплазмы и обволакивания чужеродного агента белками сыворотки.

Внутриклеточное расщепление «вредителя»

Четвертая стадия фагоцитоза включает внутриклеточное пищеварение. Это происходит следующим образом. Вакуоль, содержащая инородную частицу, содержит лизосомы, содержащие комплекс пищеварительных ферментов, которые активируются и высвобождаются. Это создает среду, в которой биологические макромолекулы рибонуклеазы, амилазы, протеазы и липазы легко расщепляются.

Благодаря активированным ферментам происходит разрушение и пищеварение с последующим выходом продуктов распада из вакуоли. Теперь вы знаете, что представляют собой все четыре стадии фагоцитоза. Защита организма осуществляется поэтапно: сначала фагоцит и объект сходятся, затем притяжение, то есть расположение вредной частицы на поверхности «защитника», а затем поглощение и переваривание вредителя.

Примеры фагоцитоза

Фагоциты встречаются по всему телу человека в виде лейкоцитов в крови. В одном литре крови содержится примерно шесть миллиардов! Фагоцитами являются многие различные типы лейкоцитов, включая макрофаги, нейтрофилы, дендритные клетки и тучные клетки. Лейкоциты известны как «профессиональные» фагоциты, поскольку их роль в организме заключается в поиске и поглощении бактерий. Непрофессиональные фагоциты включают другие типы клеток, такие как эпителиальные клетки, эндотелиальные клетки и фибробласты. Эти клетки иногда осуществляют фагоцитоз, но это не их основная функция.

Как упоминалось ранее в статье, амебы осуществляют фагоцитоз, чтобы потреблять частицы пищи. Амебы поглощают частицы, окружая их ложноножками, которые представляют собой временные рукавообразные выступы клетки, заполненные цитоплазмой. Инфузории — еще один тип организмов, использующих фагоцитоз для питания. Инфузории — это протисты, обитающие в воде, и они питаются бактериями и водорослями.И амебы, и инфузории — это протисты, организмы, которые имеют эукариотические клетки, но не являются животными, растениями или грибами.

  • протист – организм с эукариотическими клетками, не являющийся животным, растением или грибом; для удобства они сгруппированы вместе, но не все из них тесно связаны.
  • Эндоцитоз – процесс, при котором клетки поглощают молекулы посредством активного транспорта, а не пассивной диффузии,
  • пиноцитоз – процесс, при котором клетка поглощает капли жидкости, содержащие мелкие частицы.
  • фагоцит – иммунная клетка, которая избавляется от инородного вещества, поглощая его посредством фагоцитоза.

Шаги фагоцитоза

Шаг 1:

Активируется клетка, которая будет осуществлять фагоцитоз. Это может быть фагоцит, клетка иммунной системы, осуществляющая фагоцитоз, или такой организм, как амеба, который ведет себя как фагоцит, когда осуществляет фагоцитоз. В случае иммунных клеток активация происходит, когда клетки находятся вблизи бактериальных клеток или частей бактериальных клеток. Рецепторы на поверхности клеток связываются с этими молекулами и вызывают реакцию клеток.

Шаг 2:

Хемотаксис может возникать в иммунной системе. Хемотаксис – это движение фагоцитов к концентрации молекул. Иммунные клетки воспринимают химические сигналы и мигрируют в сторону вторгшихся бактерий или поврежденных клеток.

Шаг 3:

Клетка прикрепляется к частице, которую она поглощает. Приложение необходимо для перорального применения. Некоторые бактерии могут сопротивляться прикреплению, что затрудняет их проникновение в клетку и уничтожение.

Шаг 4:

Клетка поглощает частицу, и частица заключена в везикулу (сферу клеточной мембраны с жидкостью в ней), называемую фагосомой. Фагосома переносит частицу в клетку.

Шаг 5:

Лизосома сливается с фагосомой, и частица переваривается. Лизосомы – это пузырьки, содержащие гидролитические ферменты, расщепляющие молекулы. Фагосома, слитая с лизосомой, называется фаголизосомой.

Шаг 6:

Клеточные отходы, такие как расщепленные молекулы, которые клетка не может повторно использовать, удаляются из клетки в процессе экзоцитоза. Экзоцитоз является противоположностью эндоцитоза; это когда клеточные отходы задерживаются в пузырьках на поверхности клеточной мембраны и высвобождаются, тем самым покидая клетку.

1_фагоцитоз-процесс.png

Незавершенный и завершенный фагоцитоз. В чем их отличия?

В зависимости от результата внутриклеточного переваривания чужеродных частиц различают два типа — полный и неполный фагоцитоз. Первый заканчивается полным разрушением объекта и выбросом продуктов распада в окружающую среду. Неполный фагоцитоз – что это? Этот термин означает, что чужеродные клетки, поглощенные фагоцитами, остаются жизнеспособными. Они могут разрушить вакуоль или использовать ее как «почву» для размножения.

Примером неполного фагоцитоза является поглощение гонококков в организме, не имеющем к ним иммунитета. Когда процесс фагоцитоза не завершен, патогенные микроорганизмы сохраняются внутри фагоцитов, а также распространяются по организму. Таким образом, вместо защитного механизма драйвером заболевания становится фагоцитоз, помогающий вредителям распространяться и размножаться.

Внутриклеточный и внеклеточный пути фагоцитоза

Различают внутриклеточный и внеклеточный пути фагоцитоза.

  1. При попадании чужеродного агента потребность организма в кислороде резко возрастает, так как из него начинают образовываться активные формы (перекись водорода, гидроксильные радикалы). Они обладают токсическими свойствами, способными уничтожать микроорганизмы – это кислородзависимый внутриклеточный фагоцитоз. В кислороднезависимом пути используются лизосомальные ферменты, протеазы и гидролазы.
  2. Макрофаги в активном состоянии способны выделять оксид азота. Сначала он синтезируется внутри клетки и высвобождается после встречи фагоцита с возбудителем. Наличие опухолевого роста стимулирует выработку цитокинов, борющихся с раковыми клетками. Это внеклеточный путь фагоцитоза.

Учение Мечникова о защитных свойствах крови дало миру представление об иммунной системе, которая способна функционировать благодаря двум факторам: наличию клеточного иммунитета (лейкоцитарные клетки и их производные) и гуморального (антитела).

Читайте также: Жизнь в океане — география океана и его роль в жизни Земли — Science Debate

Оцените статью
Блог про экологические проблемы