Имунитет — урок по биология

1. Три линии на защита

Около нас и в нас живеят безброй , , и . Повечето са безвредни или полезни, но някои са . Имунната система – клетки, органи и вещества, които разпознават и унищожават чуждото – ги държи настрана. Тя действа на три нива:

	Бариери	Вроден имунитет	Придобит имунитет
примери	кожа, лигавици и слуз, стомашна киселина, лизозим в сълзите	фагоцити, възпаление, комплемент, интерферони, NK клетки, треска	B-лимфоцити и антитела, T-лимфоцити
специфичност	няма	разпознава общи белези на микробите	всеки лимфоцит – един-единствен антиген
скорост	винаги на място	минути до часове	дни (първия път около седмица)
памет	няма	почти няма	има – втория път е бърз и силен

Клетките на имунната система са . Всички те започват живота си в червения костен мозък. B-лимфоцитите узряват там, а T-лимфоцитите отиват да „учат“ в тимуса – жлеза зад гръдната кост, която е най-голяма в детството. Тези два органа са първичните лимфоидни органи. Във вторичните – лимфните възли, далака, сливиците, лимфоидната на червата – лимфоцитите срещат антигените. Затова при гърлобол „подуват“ възлите на шията: в тях се размножават лимфоцити. ги носи из тялото.

2. Вроденият имунитет

Вроденият имунитет се ражда с нас и действа веднага. Той не разпознава точно този щам грип, а общи белези, които имат много микроби и нямат нашите клетки – например вещества от стената на бактериите или двуверижна РНК на вирусите. Затова реагира еднакво бързо и при първата, и при десетата среща.

О

Клетки и вещества на вродения имунитет

Неутрофилите (най-многобройните левкоцити) и макрофагите (узрели моноцити) поглъщат и смилат микроби – фагоцитоза. Естествените убийци (NK клетки) убиват заразени с вирус и ракови клетки. Комплементът – около 30 белтъка в плазмата – пробива мембраната на бактериите и ги „белязва“ за фагоцитите. Интерфероните, отделени от заразена с вирус клетка, предупреждават съседните да се защитят. Мастоцитите в тъканите отделят хистамин.

Фагоцитозата е открита през 1882 г. от Иля Мечников: той забожда трън от роза в прозрачна на морска звезда и на сутринта вижда, че трънът е обграден от подвижни клетки, които „ядат“ чуждото. Как клетката поглъща частици, виж в Мембрана и транспорт ().

Когато се порежеш или в раната влязат бактерии, започва възпаление. Мастоцитите отделят хистамин, който разширява капилярите и ги прави по-пропускливи: кръвта приижда, плазмата излиза в тъканта и неутрофилите се промушват през стените на съдовете към микробите. Затова възпалението има четири белега, описани още от римлянина Целз преди около 2000 години: зачервяване, затопляне, подуване и болка. Гнойта е мъртви неутрофили и бактерии. Ако микробите влязат в кръвта, пирогените предизвикват треска.

Пример

Защо при настинка носът „тече“, а при порязване мястото се зачервява и подува?

При настинка лигавицата на носа е възпалена: хистаминът и други вещества разширяват съдовете и правят стените им пропускливи.
Жлезите отделят повече слуз, а през стените на капилярите излиза течност – тя изтича от носа и отмива вирусите.
При порязване разширените съдове носят повече кръв (зачервяване и затопляне), течността излиза в тъканта (подуване) и дразни нервните окончания (болка).
Това не е „повреда“, а защита: така фагоцитите и белтъците на плазмата бързо стигат до мястото на нахлуването.

3. Придобитият имунитет: антигени и лимфоцити

Придобитият (специфичният) имунитет се изгражда след среща с конкретен микроб. Антиген е всяко вещество, което лимфоцитите могат да разпознаят – обикновено или от повърхността на микроб, отрова, полен, чужда клетка. Лимфоцитът не разпознава цялата молекула, а малко участъче от нея – епитоп. Един микроб има много антигени, а всеки антиген – много епитопи.

О

B- и T-лимфоцити

B-лимфоцитите имат по мембраната си рецептори – закрепени антитела – и разпознават свободни антигени. Активираният B-лимфоцит се превръща в плазмени клетки, които отделят антитела (хуморален имунитет). T-лимфоцитите разпознават само парчета от антигени, показани върху MHC белтъци на друга клетка. T-хелперите (CD4) насочват и „разрешават“ отговора на B-лимфоцитите и на другите клетки, а цитотоксичните T-лимфоцити (CD8, T-убийци) убиват заразени и ракови клетки (клетъчен имунитет).

MHC (главният комплекс на тъканната съвместимост, при човека наричан HLA) са белтъци-„витрини“ върху клетките. MHC клас I има почти всяка клетка с ядро: тя непрекъснато показва на повърхността си парченца от собствените си белтъци. Ако в клетката се размножава вирус, на витрината се появяват вирусни пептиди и T-убиецът я унищожава. MHC клас II имат само антиген-представящите клетки – макрофагите, дендритните клетки и B-лимфоцитите: те поглъщат микроби и показват парчетата им на T-хелперите. Така вроденият и придобитият имунитет са свързани: дендритната клетка улавя микроба в тъканта, носи го в лимфния възел и там „запалва“ T-хелперите.

Най-трудната задача на лимфоцитите е да не нападат собственото тяло. В тимуса T-лимфоцитите, които биха реагирали силно на собствените белтъци, загиват – повечето от новите T-клетки там не оцеляват. Тази имунна толерантност понякога се проваля, и тогава идват автоимунните болести.

4. Антителата

Антителата (имуноглобулини, Ig) са Y-образни белтъци. Всяко е сглобено от четири вериги – две тежки и две леки, свързани с дисулфидни мостове. Двата върха на „Y“ са променливата част: тя е различна при всеки клон B-лимфоцити и пасва на един епитоп като ключ на ключалка. Затова едно антитяло хваща две еднакви молекули антиген. Опашката (постоянната част) определя класа и какво ще последва.

Клас	Форма	Къде и за какво
IgM	пентамер (5 „Y“)	първи при първичния отговор; 10 върха – силно слепва микробите
IgG	мономер	най-много в кръвта; главен при вторичния отговор; минава през плацентата
IgA	главно димер	в слюнката, сълзите, слузта на червата и в майчиното мляко
IgE	мономер	закрепено на мастоцитите; срещу паразитни червеи и при алергии
IgD	мономер	рецептор по мембраната на наивните B-лимфоцити

Антителата рядко убиват сами. Те неутрализират – покриват вируса или отровата и те не могат да се закачат за клетките; слепват микробите на бучки (аглутинация) и ги белязват – фагоцитите и комплементът разпознават опашките на антителата. Слепването на от антитела е причината за опасността при погрешно кръвопреливане – за и виж в Кръв и кръвообращение и Генетика на човека.

Пример

В тялото има около 20 000 гена, а различните антитела са милиарди. Откъде идва това разнообразие?

Генът за тежката верига не е готов, а е на парчета: при човека има около 40 работещи V, 25 D и 6 J сегмента (числата се различават по източници).
Всеки B-лимфоцит при узряването си изрязва ДНК и съединява по един V, D и J: $40 \cdot 25 \cdot 6 = 6000$ варианта.
Леката верига (κ или λ) се сглобява от V и J: около $40 \cdot 5 + 30 \cdot 4 = 320$ варианта. Заедно: $6000 \cdot 320 \approx 1{,}9 \cdot 10^6$ .
При съединяването се губят и добавят нуклеотиди наслуки, а по-късно и точкови мутации – разнообразието става над $10^{11}$ . За това откритие Сусуму Тонегава получава Нобелова награда през 1987 г.

5. Клонална селекция и памет

Разнообразието на рецепторите се създава преди срещата с микроба – наслуки. Всеки лимфоцит има рецептори само от един вид. Когато в тялото влезе антиген, той се свързва с малкото лимфоцити, чиито рецептори му пасват, и само те се размножават. Идеята е на австралиеца Франк Макфарлейн Бърнет (1957 г.) и е много близка до от Естествен отбор: разнообразие наслуки, после отбор и размножаване на пасващите.

Т

Клонална селекция

1) Наслуки се образуват милиони клонове лимфоцити с различни рецептори; онези, които разпознават собственото, се отстраняват. 2) Антигенът активира само клоновете, чиито рецептори му пасват (B-лимфоцитите обикновено с помощта на T-хелпер). 3) Активираният лимфоцит се дели многократно – образува се клон от еднакви клетки. 4) Повечето стават ефекторни клетки (плазмени клетки или T-убийци), а част – дълго живеещи клетки на паметта.

дни0

деления0клетки1памет0антитела/s0

От милионите различни B-лимфоцити само клонът с рецептор, който пасва на епитопа (тук – № 20), се свързва с антигена. Другите остават незасегнати – антигенът „избира“ клона, а не го създава.

💡 Моделът: рецепторът и епитопът пасват, когато зъбчетата и вдлъбнатините се допълват. Активираният лимфоцит се дели около два пъти на ден (грубо), 9 от 10 дъщерни клетки стават плазмени и всяка прави около 2000 антитела в секунда (оценките варират). Истинските клонове са не 27, а милиони до милиарди: тежката верига се сглобява от около 40 V, 25 D и 6 J гена (6000 начина), леката – по около 320 начина; заедно 6000 · 320 ≈ 1,9 милиона, а неточните съединения добавят още много пъти повече.

При първата среща нужните лимфоцити са малко и докато се размножат, минават около седмица – болестта има време да се развие (първичен отговор). Първо се появява IgM, а по-късно – IgG. При втората среща срещу антигена чакат хиляди клетки на паметта: вторичният отговор идва след 2–3 дни, прави главно IgG и е много пъти по-силен. По време на отговора B-лимфоцитите в лимфните възли мутират рецепторите си и се отбират тези, които хващат антигена най-здраво – затова антителата при вторичния отговор и пасват по-добре.

ден60

IgM (1-ви)227IgG (1-ви)84IgG (2-ри)7169до защита4,5 дни

Вторичен отговор: клетките на паметта реагират след 2–3 дни и правят почти само IgG – около 86 пъти повече, отколкото при първата среща. Затова втори път човек обикновено не се разболява. На този принцип работят ваксините и реваксинациите.

💡 Моделът: при първа среща синтезът на IgM е най-силен около 8-ия ден, а на IgG – около 14-ия; при втора среща със същия антиген клетките на паметта правят IgG още на 5–7-ия ден. Антителата се разграждат с полуживот около 5 дни (IgM) и около 21 дни (IgG). Скалата е логаритмична: всяко деление е 10 пъти повече. В деня на второто срещане от първия отговор са останали 24 единици IgG. Числата са условни – при различните антигени и хора те силно се различават, но формата на кривите е типична.

6. Ваксини и колективен имунитет

Имунитетът може да е активен – тялото само прави антитела и клетки на паметта (след преболедуване или ваксина), или пасивен – получава готови антитела. Пасивният действа веднага, но изчезва за седмици до месеци, защото антителата се разграждат, а памет няма. Естествен пасивен имунитет е IgG, минал през , и IgA в майчиното мляко; изкуствен – серум с антитела срещу змийска отрова или тетанус.

О

Ваксина

Препарат, който съдържа антигени на микроба, но не причинява болестта, и така създава клетки на паметта. Видове: живи отслабени микроби (морбили, паротит, рубеола), убити микроби (бяс, някои ваксини срещу грип), части от микроба – белтъци и полизахариди (хепатит B, HPV), обезвредени токсини – анатоксини (тетанус, дифтерия) и иРНК или вирусен вектор, по които клетките сами правят белтък на вируса (COVID-19).

Думата „ваксина“ идва от латинското vacca – крава, в памет на Дженър. Сто години по-късно Луи Пастьор прави ваксини срещу антракс и бяс, а за ваксините Каталин Карико и Дрю Вайсман получават Нобелова награда през 2023 г. Повечето ваксини се правят на няколко дози: втората (реваксинация) предизвиква вторичен отговор и много повече клетки на паметта.

Ваксината пази не само ваксинирания. Нека един болен заразява средно $R_0$ души, когато всички около него са податливи (основно репродуктивно число). Ако част от хората са имунни, той заразява по-малко – $R = R_0 \cdot (1 - p)$ , където $p$ е делът на имунните. Когато $R < 1$ , всяко поколение болни е по-малко от предишното и епидемията угасва.

Т

Праг на колективния имунитет

R < 1, когато делът на имунните е p > 1 − 1/R₀. Ако ваксината пази само дял E от ваксинираните, нужният ваксинален обхват е (1 − 1/R₀) / E. Тогава болестта не може да се разпространява и пази и тези, които не могат да бъдат ваксинирани – бебета, болни от рак, хора с отслабен имунитет.

R₀2,5обхват40ефект.95

R1,55праг60,0 %пик болни4,5 %преболедували38,2 %

R = R₀ · (1 − обхват · ефективност) = 2,5 · (1 − 0,40 · 0,95) = 1,55

R = 1,55 > 1 – епидемията тръгва. За да спре, трябва ваксинирани поне 63,2 % от хората. Обърни внимание: дори под прага всяка ваксинация намалява и пика, и общия брой болни.

💡 Моделът SIR: всеки болен е заразен 7 дни и заразява средно R₀ души, ако всички около него са податливи; ваксинираните и защитени започват направо като имунни. Прагът на колективния имунитет е 1 − 1/R₀ – тогава всеки болен заразява средно по-малко от един човек. Стойностите на R₀ за болестите са примерни: различните изследвания дават различни числа (за морбили обикновено 12–18, за сезонния грип – около 1,2–2), а R₀ зависи и от това колко гъсто и как живеят хората. Населението е смесено равномерно и затворено – истинските епидемии са по-сложни.

Пример

За полиомиелита R₀ е около 5–7 (по различни оценки). Какъв е прагът на колективния имунитет?

При $R_0 = 5$ : $1 - \frac{1}{5} = 0{,}8 = 80\ \%$
При $R_0 = 7$ : $1 - \frac{1}{7} \approx 0{,}857 \approx 86\ \%$
Колкото по-заразна е болестта, толкова по-близо до 100 % трябва да е обхватът – при морбили (R₀ около 12–18) над 92–94 %.

7. Когато имунитетът греши

Алергията е силен отговор срещу безвреден антиген (алерген) – полен, прах, ядки, отрова на пчела. При първата среща се образуват IgE, които се закачат за мастоцитите. При следващата среща алергенът свързва тези IgE и мастоцитите изсипват хистамин: кихане, сълзене, сърбеж, при астма – свиване на . Най-опасната форма е анафилактичният шок: съдовете се разширяват в цялото тяло и налягането пада. Спасява го инжекция с .

При автоимунните болести толерантността се проваля и имунната система напада собствени клетки. Примери са тип 1 (разрушават се β-клетките на ), (обвивките на нервните влакна) и ревматоидният артрит (ставите).

При трансплантация присадката – , , сърце – носи чужди MHC (HLA) белтъци и T-лимфоцитите я отхвърлят. Затова се търси донор с възможно най-близки HLA (най-често роднина), а пациентът пожизнено пие лекарства, които потискат имунитета – и става по-уязвим за инфекции. Роговицата на окото почти няма съдове и обикновено се присажда без проблеми.

8. ХИВ и СПИН

ХИВ (вирусът на човешкия имунен дефицит) е – виж Микроорганизми. Той се закача за белтъка CD4 и влиза главно в T-хелперите – диригентите на целия придобит имунитет. Вирусната пренаписва РНК в ДНК и тя се вгражда в на клетката. Години наред човек може да няма оплаквания, но броят на T-хелперите бавно спада. Под около 200 в микролитър кръв (при здрав човек – обикновено 500–1500) настъпва СПИН – синдромът на придобитата имунна недостатъчност: човек умира от инфекции и тумори, които здравата имунна система лесно спира.

Ваксина срещу ХИВ все още няма: вирусът мутира много бързо, защото обратната транскриптаза греши често, и непрекъснато сменя антигените си. Съвременните лекарства (антиретровирусна терапия) обаче спират размножаването му: днес лекуваният човек с ХИВ може да живее почти колкото здравия, а при неоткриваемо количество вирус в кръвта не го предава по полов път.

9. Имунитет при другите организми

Вроден имунитет имат всички многоклетъчни – и растенията, и насекомите. Растенията нямат подвижни имунни клетки: заразената клетка често сама загива заедно с микроба, а сигналите предупреждават останалата част от растението. Насекомите имат фагоцити и много антимикробни пептиди. Придобит имунитет с антитела, B- и T-лимфоцити и MHC има само при челюстноустите – от акулите до човека. Дори бактериите имат своя „имунна памет“: системата пази парчета от ДНК на , които са ги нападали, и разпознава следващото им нападение – тя е в основата на генната редакция от Биотехнологии.

10. Тренажор

Праг на колективния имунитет, ефективно R, растеж на клон, на антителата, верижно заразяване и от V, D и J .

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

6\ \mathrm{h},\ 2\ \text{дни}

Един активиран B-лимфоцит се дели на всеки 6 часа. Колко клетки има клонът след 2 дни?

11. Имунитетът в числа

0 / 6

🔴 Морбили

Един болен от морбили заразява средно около 15 души, ако никой не е имунен. Две дози от ваксината пазят около 97 % от ваксинираните. Какъв процент от хората трябва да са имунни, за да не може болестта да се разпространява? Какъв трябва да е ваксиналният обхват?

🍼 Антителата на мама

Новороденото има в кръвта си IgG от майката (минали през плацентата) – 1600 единици срещу даден вирус. Полуживотът на IgG е около 21 дни, а за защита са нужни поне 100 единици. След колко дни бебето остава без тази защита?

🧬 Фабрика за антитела

Един B-лимфоцит се активира и 5 дни се дели на всеки 12 часа. 90 % от клетките стават плазмени и всяка прави около 2000 антитела в секунда. Колко клетки има клонът? Колко милиарда антитела на час правят плазмените клетки?

📈 Огнище

В затворен лагер един болен заразява средно 3 души, а между две поколения на заразяване минават около 5 дни. Колко нови болни ще има в 6-ото поколение (след около месец), ако всичко започва от един човек и никой не е имунен? Колко са заболелите общо, заедно с първия?

🩸 ХИВ без лечение

Здравият човек има около 1000 T-хелпера (CD4 клетки) в микролитър кръв. При нелекувана ХИВ инфекция в този пример те намаляват с около 60 на година, а под 200 в микролитър се казва, че човек е болен от СПИН. След колко години се стига дотам?

💉 Недостатъчен обхват

За една болест R₀ = 4. Ваксинирани са 70 % от хората, а ваксината пази 90 % от тях. Ще спре ли епидемията? Какъв обхват е нужен?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

12. ⚠️ Чести грешки

Антибиотици и вируси

✗ Антибиотиците помагат при грип и настинка.

✓ Антибиотиците действат на бактериите. Срещу вирусите не помагат, а безразборната им употреба създава устойчиви бактерии.

Антиген и антитяло

✗ Антигенът е това, което тялото произвежда срещу микроба.

✓ Антигенът е чуждото, което се разпознава; антитялото е белтъкът, който тялото прави срещу него.

Кой се учи

✗ Лимфоцитите сменят рецептора си така, че да пасне на новия микроб.

✓ Рецепторите се създават наслуки преди срещата; антигенът само избира пасващия клон (клонална селекция).

Ваксина и лекарство

✗ Ваксината лекува вече започнала болест.

✓ Ваксината подготвя имунната система предварително. Готови антитела (пасивен имунитет) могат да помогнат и след заразяване.

Колективен имунитет

✗ Щом аз съм ваксиниран, другите не ме засягат.

✓ Под прага 1 − 1/R₀ болестта се разпространява и стига до тези, които не могат да се ваксинират или при които ваксината не е подействала.

ХИВ и СПИН

✗ ХИВ и СПИН са едно и също.

✓ ХИВ е вирусът; СПИН е последният стадий на нелекуваната инфекция, когато T-хелперите са много малко.

13. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кое е част от вродения (неспецифичния) имунитет?

Избери отговор (или натисни 1–4)

14. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

15. Обобщение

✓ Три линии на защита: бариери (кожа, лигавици), вроден имунитет (фагоцити, възпаление, комплемент, интерферони) и придобит имунитет (лимфоцити)
✓ Възпалението: хистамин → разширени и пропускливи капиляри → зачервяване, затопляне, подуване, болка
✓ Антигенът се разпознава по епитопите си; B-лимфоцитите → плазмени клетки → антитела (хуморален имунитет)
✓ T-хелперите (CD4) координират, T-убийците (CD8) убиват заразени клетки, разпознати по MHC клас I (клетъчен имунитет)
✓ Антитяло: 2 тежки + 2 леки вериги; IgM първо, IgG – най-много и минава през плацентата, IgA – в секретите, IgE – алергии
✓ Клонална селекция: рецепторите се създават наслуки, антигенът избира и размножава пасващия клон; остават клетки на паметта
✓ Вторичният отговор е по-бърз, по-силен и главно с IgG – на това се основават ваксините
✓ $R = R_0 (1 - p)$ ; прагът на колективния имунитет е $1 - \frac{1}{R_0}$
✓ Алергии (IgE, хистамин), автоимунни болести, отхвърляне на присадки (HLA); ХИВ унищожава T-хелперите → СПИН

💡 Интересен факт

Почти 80 години преди Дженър, през 1717 г., лейди Мери Уортли Монтегю, съпруга на британския посланик в Цариград, описва в писмо как местни жени отварят малка драскотина и поставят в нея гной от лек случай на едра шарка. Заразените така обикновено боледуват леко и после са защитени. Самата тя е преболедувала едра шарка и има белези по лицето, затова прави процедурата на сина си, а след връщането си в Англия я популяризира. Тази вариолация е рискована – понякога човек умира от истинска шарка, – и ваксината на Дженър с безопасната кравя шарка постепенно я измества.