Фагоцитоз

Фагоцитарный процесс, в котором участвуют эпителиальные клетки внутри тонкой кишки человека.

Фагоцито́з (от др.-греч. φαγεῖν «пожирать» и κύτος «клетка») — это клеточный процесс, при котором твёрдые частицы захватываются и перевариваются специализированными клетками, называемыми фагоцитами. Этот механизм играет ключевую роль в иммунной системе многоклеточных организмов, а также служит способом питания для некоторых одноклеточных. Фагоциты, такие как нейтрофилы и макрофаги, используют фагоцитоз для уничтожения патогенов и удаления клеточного дебриса. Процесс включает несколько этапов: распознавание частицы, её поглощение путём образования фагосомы и последующее переваривание с помощью лизосомальных ферментов.

История

Открытие фагоцитоза связано с именами нескольких выдающихся учёных XIX века. В 1862 году немецкий физиолог Эрнст Геккель наблюдал поглощение частиц красителя клетками крови беспозвоночных. Канадский врач Уильям Ослер в 1876 году отметил способность лейкоцитов поглощать частицы угольной пыли. Однако ключевой вклад в изучение фагоцитоза внёс русский биолог Илья Ильич Мечников.

Летом 1882 года, наблюдая за личинками морской звезды, Мечников заметил, как подвижные клетки окружают и поглощают введённые в тело личинки шипы розы. Это наблюдение натолкнуло его на мысль о защитной функции таких клеток. Мечников провёл серию экспериментов с дафниями, вводя в их организм споры грибов. Он обнаружил, что особые подвижные клетки атаковали чужеродные тела, пытаясь их переварить.

В 1883 году на съезде естествоиспытателей и врачей в Одессе Мечников впервые сообщил об открытии явления фагоцитоза. Он назвал клетки, способные поглощать и переваривать чужеродные частицы, «фагоцитами». Эти исследования легли в основу клеточной теории иммунитета, за разработку которой Мечников в 1908 году был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Фагоциты

Фагоциты — это специализированные клетки иммунной системы, способные к захвату и перевариванию чужеродных или повреждённых частиц. У человека выделяют два основных типа профессиональных фагоцитов: нейтрофилы и моноциты. Нейтрофилы — наиболее многочисленные лейкоциты крови, быстро реагирующие на инфекцию. Они первыми мигрируют к месту воспаления и эффективно уничтожают патогены.

Моноциты циркулируют в крови и могут превращаться в макрофаги при проникновении в ткани. Они обладают более длительным сроком жизни и способны к многократному фагоцитозу. Такие клетки не только уничтожают патогены, но и участвуют в презентации антигенов, стимулируя адаптивный иммунный ответ.

Помимо защитной функции, фагоциты играют важную роль в поддержании тканевого гомеостаза, удаляя отмершие клетки и клеточный дебрис. У некоторых животных фагоцитарной активностью обладают и другие типы клеток, например, ооциты, плацентарные клетки и клетки пигментного эпителия сетчатки глаза.

Этапы фагоцитоза

Фагоцитоз — это сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя ряд последовательных этапов:

1. Хемотаксис:

Процесс начинается с хемотаксиса — направленного движения фагоцитов к месту инфекции или воспаления. Клетки реагируют на химические сигналы, называемые хемоаттрактантами. Эти вещества могут быть продуктами жизнедеятельности микроорганизмов, компонентами комплемента (С3а, С5а) или цитокинами, выделяемыми активированными клетками в очаге воспаления. Особую роль играют хемокины — специфическая группа цитокинов, ответственная за привлечение иммунных клеток.

1. Адгезия:

На этом этапе происходит прикрепление фагоцита к объекту фагоцитоза. Адгезия обусловлена наличием на поверхности клеток специальных рецепторов, распознающих молекулы на поверхности чужеродных частиц. Например, лектиноподобные рецепторы фагоцитов связываются с углеводными остатками на поверхности бактерий.

Процесс адгезии может усиливаться благодаря опсонизации — покрытию объекта фагоцитоза специфическими белками (опсонинами), такими как антитела или компоненты комплемента.

1. Активация мембраны:

После адгезии происходит активация мембраны фагоцита. Этот этап характеризуется сложными биохимическими процессами внутри клетки. Активируется протеинкиназа С, происходит выход ионов кальция из внутриклеточных депо. Важную роль играют переходы золь-гель в системе клеточных коллоидов и перестройки актин-миозинового цитоскелета. Эти процессы подготавливают клетку к следующему этапу — погружению объекта.

1. Погружение:

На этой стадии происходит обволакивание объекта фагоцитоза участком мембраны фагоцита. Мембрана образует псевдоподии — пальцевидные выросты, которые окружают частицу. Этот процесс требует значительной реорганизации цитоскелета клетки и затрат энергии.

1. Образование фагосомы:

Когда псевдоподии смыкаются вокруг объекта, формируется везикула, называемая фагосомой. Фагосома содержит поглощённую частицу и отделена от цитоплазмы фагоцита мембраной.

1. Формирование фаголизосомы:

На этом этапе происходит слияние фагосомы с лизосомами — внутриклеточными органеллами, содержащими гидролитические ферменты. В результате образуется фаголизосома — везикула, в которой создаются оптимальные условия для уничтожения и переваривания поглощённого объекта.

1. Киллинг и расщепление:

В фаголизосоме происходит уничтожение (киллинг) и переваривание поглощённого объекта. Этот процесс осуществляется с помощью различных механизмов:

• Кислородзависимый путь: образование активных форм кислорода (супероксид–анион, пероксид водорода).
• Кислороднезависимый путь: действие лизоцима, дефенсинов и других антимикробных белков.
• Снижение pH внутри фаголизосомы.
• Активность гидролитических ферментов (протеазы, нуклеазы, липазы).

1. Выброс продуктов деградации:

Заключительный этап фагоцитоза включает выведение непереваренных остатков и продуктов деградации из клетки. Часть продуктов может использоваться для презентации антигенов и активации других компонентов иммунной системы.

Важно отметить, что фагоцитоз может быть завершённым или незавершённым. При завершённом процессе происходит полное уничтожение и переваривание объекта. Незавершённый — характерен для некоторых патогенных микроорганизмов, способных выживать внутри фагоцитов, например, микобактерий туберкулёза.

Простейшие организмы

Фагоцитоз играет ключевую роль в жизнедеятельности многих простейших организмов. Амёбы и некоторые виды губок используют фагоцитоз как основной способ питания, который называется фаготрофным. Этот метод отличается от осмотрофного питания, при котором питательные вещества всасываются через клеточную мембрану.

Инфузории обладают специализированной структурой для фагоцитоза — цитостомом, или клеточным ртом. Эта бороздка или камера на поверхности клетки служит местом поглощения пищевых частиц. После захвата добычи цитостомом формируется пищеварительная вакуоль, где происходит переваривание.

У амёб фагоцитоз осуществляется путём образования псевдоподий — временных выростов цитоплазмы, которые окружают и поглощают пищевые частицы. Этот процесс позволяет амёбам питаться бактериями, другими простейшими и даже мелкими многоклеточными организмами.

Некоторые паразитические простейшие, такие как малярийный плазмодий, используют модифицированную форму фагоцитоза для проникновения в клетки хозяина. Этот механизм играет важную роль в их жизненном цикле и патогенности.