Introduzione, principi e cenni storici

INTRODUZIONE ALLA IMMUNOBIOLOGIA E IMMUNITA’ ADATTATIVA
CORSO DI IMMUNOLOGIA
AA 2008-2009
Corso di Laurea Triennale BCM e BU
CONCETTI DI BASE IN IMMUNOLOGIA
Componenti del sistema immunitario
Principi dell’immunità innata e dell’immunità acquisita adattativi
Il riconoscimento ed i meccanismi effettori dell’immunità acquisita
IMMUNITA’ INNATA
La linea principale di difesa dell’organismo
Il sistema del complemento e l’immunità innata
I recettori del sistema immunitario innato
Risposte innate indotte dalle infezioni
RICONOSCIMENTO DELL’ANTIGENE
Prof Maurizio Mattei
Prof.ssa Carla Montesano
Introduzione, principi e cenni storici
RICONOSCIMENTO DELL’ANTIGENE DA PARTE DEI RECETTORI DEI LINFOCITI T E B
La struttura dell’anticorpo
L’interazione tra anticorpo e antigene
Riconoscimento dell’antigene da parte dei linfociti T
LA FORMAZIONE, SUI LINFOCITI, DEI RECETTORI PER GLI ANTIGENI
L’origine della diversità delle immunoglobuline
Il riarrangiamento dei geni per i recettori delle cellule T
Le variazioni strutturali delle regioni costanti delle immunoglobuline
PRESENTAZIONE DELL’ANTIGENE AI LINFOCITI T
Generazione dei ligandi del recettore dei linfociti T
Il sistema Maggiore di Istocompatibilità
SVILUPPO DEL REPERTORIO RECETTORIALE DEI LINFOCITI MATURI
LA TRASMISSIONE DEL SEGNALE ATTRAVERSO I RECETTORI DEL SISTEMA IMMUNITARIO
Principi generali della trasmissione del segnale transmembrana
La struttura del recettore dell’antigene e le vie di trasmissione del segnale
Altre vie di trasmissione del segnale che influenzano il comportamento dei linfociti
Modalità esame: orale
LO SVILUPPO E LA SOPRAVVIVENZA DEI LINFOCITI
La formazione dei linfociti nel midollo osseo e nel timo
Il riarrangiamento dei segmenti genici che codificano il recettore per l’antigene e sviluppo dei linfociti
Interazione con antigeni autologhi e sopravvivenza dei linfociti, selezione positiva e negativa
Sopravivenza e maturazione dei linfociti nei tessuti linfoidi periferici
Testi consigliati:
Autore/i: Abbas – Licthman
Titolo: Fondamenti di Immunologia
Editore: Piccin
LA RISPOSTA IMMUNITARIA ACQUISITA ADATTATIVA
IMMUNITA’ MEDIATA DALLE CELLULE T
Differenziazione delle cellule T effettrici
Proprietà delle cellule T effettrici
Citotossicità mediata dalle cellule T
Attivazione dei macrofagi da parte delle cellule TH1 CD4
IMMUNITA’ UMORALE
Attivazione dei linfociti B da parte delle cellule T
Distribuzione e caratteristiche funzionali degli isotipi delle immunoglobuline
Distruzione dei patogeni legati ad anticorpi mediata dai recettori Fc
RISPOSTA IMMUNITARIA ADATTATIVA CONTRO LE INFEZIONI
Agenti infettivi causa di malattia
Corso della risposta adattativa alle infezioni
Sistema immunitario delle mucose
Memoria immunitaria
Vaccini
Autore/i: Janeway –Travers et al
Titolo: Immunobiologia
Editore Piccin
Autore/i: Male – Roitt et al
Titolo: Immunologia
Editore Elsevier Masson
Ricevimento studenti: tutti i martedì dalla 11.00 alle 12.00
FISIOLOGIA E FISIOPATOLOGIA DELLA RISPOSTA IMMUNITARIA
Deficienze dei meccanismi di difesa dell’ospite
Ipersensibilità e allergia
Autoimmunità e trapianto
Cenni storici (1)
INTRODUZIONE
AL SISTEMA IMMUNITARIO
•
Il sistema immunitario si è evoluto per proteggerci da agenti patogeni.
•
Fagociti e linfociti sono mediatori chiave di immunità.
•
Specificità e memoria sono due caratteristiche essenziali della risposta
immunitaria adattiva.
l'immunità naturale era particolarmente efficiente) erano considerati uomini
•
Gli antigeni sono molecole che sono riconosciuti da recettori su linfociti.
pii o santi in quanto non avevano alcuna colpa da espiare, mentre coloro che
•
Una risposta immunitaria si verifica in due fasi: riconoscimento ed
eradicazione dell'antigene.
particolarmente efficiente) erano peccatori in grado di redimersi. I peccatori
•
La vaccinazione si basa sulla specificità e la memoria dell’immunità
adattativa.
•
L'infiammazione è una risposta al danno tissutale.
•
•
Il sistema immunitario può commettere errori (immunopatologia).
La normale reazione immunitaria può creare problemi nel contesto di
alcune applicazioni della medicina moderna, per esempio trasfusione di
sangue e reazioni responsabili del rigetto del trapianto.
Fin dal 2000 a. C. si riteneva che la MALATTIA avesse un'origine MAGICA o
DIVINA: gli individui che non si ammalavano (ovvero quelli nei quali
si
ammalavano
e
con
successo
guarivano
(immunità
acquisita
gravi, invece, non avendo possibilità di redenzione, morivano travolti da
atroci sofferenze. Queste convinzioni sono state di fatto condivise fino a poco
più di un secolo fa.
1
Cenni storici (3)
Cenni storici (2)
Nel Medio Evo il COLLE ("Equibus Dei gratia ego immunis evasi") utilizza il
In realtà, Il termine "IMMUNITAS" veniva già usato ai tempi dell'antica Roma per
intendere un'esenzione dal pagare alcune tasse o adempiere a obblighi;
termine IMMUNITAS in riferimento ad una caratteristica fisiologica dell'uomo,
ovvero alla possibilità di non ammalarsi durante una epidemia di peste.
successivamente il termine è stato utilizzato dalla Chiesa con lo stesso
significato.
Durante tutto il Medio Evo si trova l'utilizzo consueto del mitridaticum, un
430 a.c. TUCIDIDE pone di fatto i primi concetti immunologici osservando,
medicamento particolare, ovvero un agente tossico che preso in piccole dosi
durante l'epidemia di peste ad Atene, che un individuo non può essere
proteggeva l'organismo. Tale usanza deriva il nome dal re del Ponto
colpito due volte dalla malattia.
(MITRIDATE VI): ossessionato dalla paura di essere avvelenato dai suoi
39-65 d.C. MARCUS ANNAEUS LUCANUS utilizza forse per la prima volta il
nemici, per difendersi era solito prendere, giornalmente, un po' di veleno.
termine IMMUNITAS in senso medico nel poema epico "Pharsalia"
riferendosi alla resistenza verso il morso di serpenti dimostrata da alcuni
individui in qualche tribù del Nord Africa.
1540 FRACASTORO pone il problema della possibilità di immunizzare se stessi
contro la febbre pestilenziale.
541 d.c. PROCOPIO osserva che chi si era ammalato di peste poteva assistere
caritatevolmente coloro che erano malati, senza il rischio di ammalarsi una
seconda volta.
1660 data di fondazione della Royal Society a Londra, società nata con l'intento
di divulgare le nozioni scientifiche.
Cenni storici (4)
Cenni storici (5)
1714 EMANUELE TIMONI e JACOB PYLARINI pubblicano una lettera indirizzata
alla Royal Society in cui riportano l'osservazione di quello che accadeva a
1721-1722 Royal Experiment: si può definire come il primo vero trial clinico,
Costantinopoli (oggi Istanbul) da più di 40 anni, ovvero la pratica della
organizzato per volere della corona, che ha dimostrato in primo luogo la non
"variolazione". Con tale pratica si era soliti inserire sotto cute del materiale
tossicità, quindi l'efficacia della variolazione. Alcuni condannati a morte
biologico proveniente da croste prelevate dai casi favorevoli di vaiolo. Gli
furono variolizzati e tenuti sotto osservazione per un certo periodo. Cinque
individui si ammalavano lievemente e non prendevano in seguito il vaiolo. In
su 6 svilupparono una lieve infezione, guarita spontaneamente in breve
realtà questa usanza derivava da una molto più antica praticata in Cina,
tempo. Il sesto, che aveva già avuto il vaiolo, non si ammalò per nulla. Quindi
secondo la quale il vaiolo poteva essere prevenuto facendo inalare (narice di
qualche condannato fu mandato in luoghi dove era in corso un'epidemia di
destra per gli uomini e di sinistra per le femmine!) le croste essiccate
vaiolo, ed obbligato ad assistere ed accudire persone malate (dormendo
prelevate da coloro che erano guariti. Tale pratica di variolazione, grazie
nello stesso letto di bimbi ammalati). Questo non si ammalò, dimostrando
all'opera di Lady Mary Wortley Montagu (moglie dell'ambasciatore inglese a
così l'efficacia della pratica preventiva. Re Giorgio I quindi fece variolizzare
Costantinopoli, e futuro fondatore del British Museum) che cercò di
(con successo) i propri figli.
diffonderla vaccinando anche i propri figli, venne accettata dai londinesi,
soprattutto dalla aristocrazia, all'interno della quale divenne perfino una
moda da seguire.
Edward Jenner
Cenni storici (6)
1798: JENNER (considerato il padre dell'immunologia). Il suo pregio fu quello di
riesumare i vecchi insegnamenti e le osservazioni del passato raccolti dalla
Royal Society, riportando alla luce l'usanza, che ormai alla fine del 1700 era
passata di moda, di variolare gli individui. Alla fine del 1700, Jenner scoprì
che donne che quotidianamente mungevano il latte bovino, risultavano
immunizzate (ovvero "protette") contro il vaiolo. La deduzione di Jenner fu
che doveva esserci una relazione tra il virus del vaiolo bovino e quello che
causava la malattia nell'uomo, e che l'infezione con il primo conferiva
immunità al secondo. Egli modificò pratica della variolizzazione, preparando
un "vaccino" allestito dalle pustole vaiolose delle vacche, avendo osservato
che gli allevatori che si ammalavano di una forma lieve, presa appunto dalle
vacche, venivano risparmiati dalla forma di vaiolo umano, molto più
pericoloso.
2
Efficacacia della vaccinazione per alcune
malattie infettive
Cenni storici (7)
Nel secolo successivo, il campo dell'immunologia era dominato da Francesi e
Tedeschi, che enfatizzarono certi aspetti del sistema immunitario, in
particolare anticorpi e tossine, definiti come "meccanismi" di protezione,
ovvero insieme di molecole che erano ritrovate nei sieri. Nulla, però, si
sapeva di quelle che erano le cellule coinvolte nella risposta immunitaria.
Questo campo di opinioni monolitico, che faceva perno sulla teoria di una
risposta
fondamentalmente
umorale,
fu
scisso nel XIX secolo da
METCHNIKOFF, uno zoologo russo (ritenuto il "papà" dello yoghurt), che
dopo avere viaggiato per tutta l'Europa, approdò sulle coste della Sicilia, e
qui, cominciò a studiare particolari specie di pesci.
Cenni storici (8)
Cenni storici (9)
L'esperimento, estremamente semplice, ma determinante, di Metchnikoff, fu
Metchnikoff, in ogni caso, può essere definito il padre dell'immunologia
quello di iniettare particelle estranee in larve trasparenti, che vivevano
comparata, poiché, mentre all'epoca, tutti gli studi erano focalizzati sui
nell'acqua. Quello che notò, fu che non appena queste particelle venivano
mammiferi, le sue osservazioni si basarono invece su specie animali inferiori.
iniettate nella larva, delle "minicellule" della larva si precipitavano a formare
Egli vinse poi il premio Nobel nel 1908, insieme a Paul Ehrlich, e lasciò la
una barriera contro le particelle estranee di granuloma, ivi iniettate. Da
Sicilia per recarsi a Parigi dove lavorò presso l'Istituto Pasteur, nel cui atrio
questo semplice esperimento, nacque l'ipotesi che delle cellule fossero
oggi riposano le sue ceneri.
responsabili del fatto che l'organismo potesse riconoscere ciò che è estraneo
(NON-SELF), da ciò che non è estraneo ciò che è proprio (SELF). Anche se
questa osservazione era estremamente semplice, creò una spaccatura fra i
dogmi tedeschi relativi all'immunità umorale, ed i sostenitori di Metchnikoff,
ovvero della presenza di una immunità cellulo-mediata.
Storia e impatto dell’immunologia
Il virologo tedesco Harald Zur Hausen e i francesi Francoise BarreSinoussi e Luc Montagnier hanno vinto il premio Nobel 2008 per la
Medicina. Lo comunica L'Accademia di Stoccolma. Il Nobel e'
stato assegnato a Zur Hausen per le ricerche sulle cause del tumore
alla cervice. La dottoressa Barre-Sionoussi e il virologo Luc
Montagnier sono stati insigniti per le scoperte sul virus dell'Aids.
(AGI) - Stoccolma, 6 ott. -
Koch’s
Kohler & Milstein
Postulati
Abs Monoclonali
Metchnikoff
Fagocitosi
Müller Jenner
Wright Miller
Batteri Vaccinazione
Antisieri T cells
Jansen
Microscopio
1600
1700
1800
1900
2000
1955
30
Paesi con
più di un
caso di vaiolo 15
per mese
200 anni
WHO annuncia
dopo Jenner eradicazione vaiolo
0
1965
1970
1975
1980
3
Cenni storici (10)
Cenni storici (11)
Tutte queste osservazioni fanno la storia dell'Immunologia che come la storia della
Terra può essere divisa in varie età:
Età dell'oro:
Preistoria
- 1948 Maggiore Sistema di istocompatibilità nel topo (Snell)
- medioevo prime osservazioni sull’immunità e prime pratiche di immunizzazione
Età della pietra:
- 1958 Maggiore Sistema di Istocompatibilità nell'uomo (Dausset)
- 1958 teoria della selezione clonale e tolleranza immunitaria (Burnet, Medawar)
- 1700 pratica della variolizzazione
- 1798 vaccinazione con il virus vaccino (Jenner)
- 1959 struttura e genetica delle immunoglobuline (Porter, Edelman)
- 1965 linfociti T helper (Claman, Miller)
Età del ferro:
- 1880 vaccinazione contro il colera dei polli (Pasteur)
- 1885 fagocitosi (Metchnikoff)
- 1890 ipersensibilità ritardata nell'infezione tubercolare (Koch)
- 1887 siero antitossina (Erlich, Von Behring, Kitasato)
- 1898 complemento (Bordet)
- 1901 gruppi sanguigni ed apteni chimici (Landsteiner)
- 1929 metodi quantitativi per la determinazione degli Ag e Ab (Heidelberger)
- 1940 antigene Rh
- 1971 teoria della rete idiotipica (Jerne)
- 1972 linfociti suppressor (Gershon)
Cenni storici (12)
Definizione
Età del nucleare:
Immunologia è lo studio dei meccanismi di protezione verso macromolecole esterne o
- 1972 geni della risposta immunitaria (McDevitt, Benacerraf)
verso (micro)organismi invasori e le modalità di risposta contro questi.
- 1974 restrizione genetica per MHC (Zinkernagel, Doherty)
- 1975 anticorpi monoclonali (Kohler, Milstein)
Questi microrganismi
- 1976 riarrangiamento per la diversità anticorpale (Tonegawa)
- 1983/84 sequenza del DNA codificante Il-2 e IL-1 (Taniguchi)
- 1984 sequenza del DNA codificante il recettore del linfocita
invasori, includono virus, batteri, funghi, protozoi e più in
generale parassiti. In aggiunta a questo, l’immunologia studia le risposte che
possono svilupparsi contro le nostre stesse proteine (o altre molecole)
T
(Mak,
nell’autoimmunità e contro nostre cellule aberranti nell’immunità contro i tumori.
Tonegawa)
- 1987 cristallografia del MHC (Strominger)
- 1990 identificazione dei peptidi naturali associati a MHC
- 2001 identificazione della struttura del recettore dei linfociti T gamma/delta
Prima linea di difesa (1)
Perchè studiare immunologia?
Malattie infettive
Meccanismi di patogenicità
Sviluppo vaccini
Malattie causate da un sistema immune disturbato
ALLERGIA: Risposta immune verso materiale innocuo e.g. ASMA
AUTOIMMUNITA’: Immunità Anti-self e.g. MULTIPLE SCLEROSIS
GRAFT REJECTION: Risposta immune verso TESSUTO TRAPIANTATO
IMMUNODEFICIENZA: Difetti nella risposta immune e.g. SCID
La nostra prima linea di difesa contro microrganismi esterni sono le barriere tissutali,
come ad esempio la pelle che blocca l’entrata di organismi nel corpo. Se,
comunque, questa barriera viene superata, nel corpo sono presenti cellule in
grado di rispondere rapidamente ed efficacemente alla presenza di organismi
ospiti. Queste cellule comprendono macrofagi e neutrofili in grado di captare,
fagocitare ed eliminare microrganismi indesiderati senza la necessità di anticorpi.
Allo stesso tempo altri meccanismi vengono immediatamente innescati in
presenza di un microrganismo ospite, tra questi la deprivazione mediante
molecole solubili di nutrienti essenziali per l’organismo invasore (come ad
Manipolazione dell’immunità per curare malattie
esempio ferro), ed anche attraverso la presenza di alcune molecole presenti sulla
IMMUNOSOPPRESSIONE: Trattamento delle malattie immuni
IMMUNOREGOLAZIONE: Interventi immunoterapeutici
superficie degli epiteli, nelle secrezioni (esempio nelle lacrime e nella saliva) e nel
circolo sanguigno.
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Seconda linea di difesa (1)
Prima linea di difesa (2)
Una seconda linea di difesa è il sistema immune specifico o adattativo, il quale può
impiegare anche giorni per iniziare una risposta specifica in una prima invasione
Questa forma di immunità, viene definita immunità innata o non specifica legata al
(rappresentata ad esempio da un’infezione da un organismo mai incontrato fino a
sistema immune innato o non specifico, la cui caratteristica è quelle di essere
quel momento) Nella risposta immune specifica, noi vediamo la produzione di
in grado in ogni momento di attuare una risposta all’invasione da parte di
anticorpi (proteine solubile in grado di legare gli antigeni sconosciuti) e le risposte
microrganismi.
cellulo-mediate dove alcune specifiche cellule riconoscono patogeni esterni e
sono in grado di distruggerli. Nel caso di virus o tumori, questa risposta è inoltre,
vitale, per il riconoscimento e la distruzione delle cellule infettate dal virus o delle
cellule tumorali. La risposta ad un secondo round di infezione, è generalmente
più rapida rispetto all’infezione primaria, fenomeno determinato dall’attivazione di
cellule B e T memoria. Le cellule del sistema immunitario interagiscono con le
altre attraverso un’ampia varietà di segnali e molecole solubili, al fine di mettere
in atto una risposta immune coordinata ed efficace.
Seconda linea di difesa (2)
Questi segnali, possono essere proteine come le linfochine, prodotte dalle cellule
del sistema linfoide, citochine prodotte da cellule del sistema immune e
chemochine prodotte da altre cellule nell’ambito della risposta immune, in
grado di stimolare le stesse cellule del sistema immune.
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Principi (1)
E` noto che l'evoluzione utilizza molte generazioni per ottimizzare la struttura di
un organismo all'ambiente in cui vive: maggiore il tempo di evoluzione più
sofisticato e complesso sara` il risultato.
Nei vertebrati, due sono i sistemi che sotto una forte pressione evoluzionistica
hanno sviluppato uno straordinario grado di complessità ed efficienza: il
sistema nervoso (SN) ed il sistema immunitario (SI).
Questi sistemi rispondono in maniera controllata e rapida ad eventi esterni, il
primo a stimoli di natura fisica, il secondo a quelli di natura chimica.
La specificità e la velocità di reazione, la fine regolazione, e la memoria sono
caratteristiche comuni dei sistemi nervoso ed immunologico.
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Caratteristiche basilari delle risposte
immunitarie specifiche
Specificità, memoria ed autolimitazione
delle risposte immunitarie
Principi (2)
Il complesso ambiente multicellulare dei vertebrati rappresenta un invitante sito di
invasione microbica ed uno scopo primario del SI e` di distruggere i
microrganismi che entrano e di neutralizzarne gli effetti tossici. Tuttavia, la
multicellularità dei vertebrati e la continua differenziazione cellulare favorisce
la trasformazione neoplastica di alcune cellule: nuovo compito del SI è di
riconoscere e distruggere le cellule che ormai non sono piu` "proprie" (self).
Sia i microrganismi che le cellule tumorali rappresentano sostanze estranee,
cioè antigeniche, o più propriamente un mosaico antigenico.
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6
Ipotesi della selezione clonale (2)
Principi (3)
Le cellule del SI deputate al riconoscimento e alla discriminazione del self dal
non self sono i linfociti.
Il processo di riconoscimento degli antigeni da parte dei linfociti avviene tramite
recettori di membrana che sono in grado di legare selettivamente una
particolare sequenza di amminoacidi di un antigene (determinante
antigenico o epitopo).
Poichè le possibili combinazioni aminoacidiche formanti un epitopo sono enormi,
l'ampio spettro della specificità recettoriale (diversity) dei linfociti è stato
acquisito durante l'evoluzione mediante complessi fenomeni genetici di
mutazione e ricombinazione.
Linfociti con il medesimo recettore saranno quindi attivati dal medesimo
epitopo e proliferando daranno origine ad un clone cellulare con la medesima
specificita` antigenica.
Principi (4)
La risposta immune (RI) può essere suddivisa didatticamente in due settori:
-
risposta umorale o anticorpale;
-
risposta cellulo-mediata.
Questa suddivisione si basa sulle due classi di linfociti responsabili della RI,
linfociti chiamati B e T a seconda del loro sito di differenziazione:
-
B = Borsa di Fabrizio o midollo osseo
-
T = Timo.
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Numero normale delle cellule circolanti
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Componenti della risposta immune
Maturazione dei linfociti
Morfologia del timo
Principi (5)
I linfociti B secernono il loro recettore di membrana e tale molecola proteica
(immunoglobulina o anticorpo) complementare alla sequenza antigenica
(antigene-specifica) svolge la funzione effettrice dei linfociti B. Anche i
linfociti T una volta attivati dell'antigene rilasciano una serie di molecole
chiamate linfochine che rappresentano la fine rete di comunicazione tra le
cellule proprie della risposta immune e/o quelle ad essa collegate.
Sottopopolazioni linfocitarie
Classi di linfociti
8
Principi (6)
I linfociti T in base al loro fenotipo possono essere suddivisi in sottopopolazioni
con funzioni diverse.
Esistono così:
-
linfociti T helper che favoriscono la maturazione di diverse risposte effettrici
sia umorali che cellulari;
-
linfociti T citotossici che esplicano funzioni citolitiche.
La diversita` sostanziale tra il meccanismo di attivazione del linfocita B e T e` che
il recettore del linfocita T riconosce una sequenza di aminoacidi (epitopo)
associata a prodotti del Maggiore Sistema di Istocompatibilita` (MHC); in
altre parole il linfocita T riconosce il non self associato al proprio self. Al
contrario, il linfocita B non riconosce tale associazione (epitopo + MHC) ma
e` in grado di legare solo l'epitopo, come sequenza aminoacidica lineare o
conformazionale.
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9
INTRODUZIONE AL SISTEMA
IMMUNITARIO
• Il sistema immunitario si è evoluto per proteggerci da agenti
patogeni. Patogeni intracellulari infettare le cellule individuali (ad
esempio i virus), mentre gli agenti patogeni extracellulari dividere
extracellularly entro i tessuti o le cavità del corpo (ad esempio molti
batteri)
• Fagociti e linfociti sono mediatori chiave di immunità. Phagocytes
interiorizzare agenti patogeni e li degradano. Linfociti (B e cellule T)
recare recettori che riconoscono specifici componenti molecolari degli
agenti patogeni e hanno funzioni specializzate. Cellule B rendere
anticorpi, linfociti T citotossici (CTLs) virally uccidere le cellule infette,
e cellule T helper coordinare la risposta immunitaria diretta dalla
cellula-cellula interazioni e il rilascio di citochine.
• Specificità e memoria sono due caratteristiche essenziali della
risposta immunitaria adattiva. Di conseguenza il sistema immunitario
monta una risposta più efficace in seconda e successive incontri con un
particolare antigene. Non adattativi (innata) risposte immunitarie non
alterano in esposizione ripetuta per un agente infettivo.
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• Specificità e memoria sono due caratteristiche essenziali della risposta
immunitaria adattiva. Di conseguenza il sistema immunitario monta una
risposta più efficace in seconda e successive incontri con un particolare
antigene. Non adattativi (innata) risposte immunitarie non alterano in
esposizione ripetuta per un agente infettivo.
• Gli antigeni sono molecole che sono riconosciute da recettori su linfociti.
Cellule B di solito riconoscere intatto antigene molecole, cellule T che
riconoscono i frammenti di antigene sulla superficie di altre cellule.
• Una risposta immunitaria si verifica in due fasi: riconoscimento ed
eradicazione dell'antigene. Nella prima fase di selezione clonale comporta il
riconoscimento del particolare antigene da cloni di linfociti, con l'espansione
clonale di cloni di T e B e differenziazione delle cellule effettrici e alla
memoria delle cellule. Nella fase effettrici, questi linfociti coordinare uno
risposta immunitaria, che elimina la fonte di antigene.
• La vaccinazione si basa sulla specificità e la memoria dell’immunità
adattativa. La vaccinazione si basa sugli elementi chiave di immunità
adattativa, vale a dire la specificità e la memoria. Memoria consentire cellule
del sistema immunitario di montare una risposta molto più forte, relativa ad un
secondo incontro con l'antigene.
• L'infiammazione è una risposta al danno tissutale. Esso consente di
anticorpi, complemento sistema di molecole, leucociti e ad entrare nel
tessuto al sito di infezione, con conseguente fagocitosi e la distruzione
degli agenti patogeni. Linfociti sono anche tenuti a riconoscere e
distruggere le cellule infette nei tessuti.
• Il sistema immunitario può commettere errori (immunopatologia).
Questo può portare ad immunodeficienza, ipersensibilità, o malattie
autoimmuni.
• La normale reazione immunitaria può creare problemi nel contesto di
alcune applicazioni della medicina moderna, per esempio trasfusione di
sangue e reazioni responsabili del rigetto del trapianto.
10
Termini immunologici
Cosa dovremmo conoscere alla fine di questa lezione
•I termini usati in immunologia;
ANTIGENI (Ag)
Sono sostanze riconosciute da
• Le caratteristiche e l’interdipendenza dell’immunità innata e acquisita;
Corso di Immunologia
• ANTICORPI (Immunoglobuline, Ig, Ab) e
• LINFOCITI T (T CELLS)
• I nomi e le funzioni delle cellule del sistema immune;
• La struttura e la funzione degli organi linfoidi periferici;
A.A. 2008-09
• Lo scopo del ricircolo linfocitario;
Anticorpi sono prodotti da
LINFOCITI B (B CELLS)
Linfociti T aiutano le cellule B a produrre anticorpi:
T HELPER (Th)
Linfociti T uccidono cellule infette
T CITOTOSSICI (CTL)
• Come le cellule comunicano nel sistema immune e come si puo’
verificare questo;
Introduzione all’immunologia:
filogenesi del sistema immune e
cellule dell’immunità
• Come la distribuzione clonale dei recettori per gli antigeni nel sistema
immune permette diversi riconoscimenti, la tolleralza verso il self e la
memoria;
• Come I compartimenti invasi da patogeni abbiano necessità di differenti
meccanismi effettori dell’immunità.
1/118
2/118
Sistema immune (1)
Sistema immune (2)
Osservazioni iniziali (prima metà del XX secolo) notarono che dal midollo osseo si
Un primo contributo venne verso la metà degli anni '50 dagli studi fatti su un organo
moltiplicava una linea di cellule staminali, che poi, si differenziavano in due
linfoide che si trova nella regione della cloaca, presente negli uccelli, detto
possibili linee cellulari:
BORSA DI FABRIZIO.
Riconoscimento antigenico
Esso venne inizialmente rimosso, per essere studiato, ma subito non si capì a cosa
1. Alcune si dirigevano nel timo dove si sviluppavano cellule indirizzate contro ciò
che sarebbe poi riconosciuto come non-self, mentre venivano distrutte quelle
servisse.
Erroneamente si suppose che quest'organo, connesso all'apparato digerente di
che avrebbero potuto intervenire contro cellule proprie del nostro organismo.
questi uccelli, fosse in un certo modo assimilabile all'appendice presente
2. Altre, invece, erano programmate per diventare LINFOCITI B, destinati poi a
nell'uomo; in realtà, solo intorno alla metà degli anni '60 si capì che la Borsa di
Fabrizio, non era altro che il midollo osseo di questi animali, dove le cellule B e i
migrare in periferia, in organi quali la milza e i linfonodi.
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pro genitori delle cellule B venivano generati.
Esistono due diversi sistemi di riconoscimento:
1. PATTERN RECOGNITION RECEPTORS presenti nelle primitive specie
invertebrate, costituiti da recettori a largo spettro, che sono in grado di
riconoscere carboidrati e proteine su cellule estranee. Sono recettori che
devono necessariamente riconoscere grandi famiglie di molecole, presenti su
altre cellule, e la loro origine è da collocarsi in particolari famiglie di animali che
sono i Tunicati e i Protocordati.
2. CLONAL REARRANGING GENES associati al riconoscimento dell'antigene da
parte dei linfociti B e T .
Per "clonal rearranging gene" si intende un gene riarrangiato in maniera clonale, in
Nulla, però, si sapeva su cosa controllasse entrambe le risposte né da dove
grado di attivare la moltiplicazione della cellule che lo possiede (e solo quella
originassero i vari tipi cellulari.
cellula) in grandi quantità, dopo che il recettore, detto appunto clonotipico, è
stato innescato.
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Organi linfoidi
Distribuzione dei tessuti linfoidi nel corpo umano
Distribuzione dei tessuti linfoidi nel corpo umano
Tessuti organizzati nei quali I linfociti interagiscono con cellule non linfoidi
Siti di maturazione & inizio della risposta immune acquisita
ORGANI LINFOIDI CENTRALI
(o primari o generativi):
TIMO – Maturazione cellule T
MIDOLLO OSSEO – Maturazione cellule B
ORGANI LINFOIDI PERIFERICI(o secondari):
LINFONODI
POLPA BIANCA MILZA
TESSUTI LINFOIDI ASSOCIATI ALLA MUCOSA
TESSUTI LINFOIDI ASSOCIATI ALLA CUTE
Attivazione cellule T e B
Intrappolamento antigene
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Sistema linfatico
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Organizzazione di un linfonodo
Linfonodo
4. Centro germinale
(sito di intensa
proliferazione cellue B)
3. Follicolo
linfoide secondario
2. Follicolo linfoide
primario (area cellule B)
Paracorticale
(area cellule T)
1. Vasi linfatici afferenti.
Linfociti e Ag drenati
dai tessuti entrano qui.
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5. Zona midollare
(Area Macrofagi &
Plasmacellule)
6. Vaso linfatico
efferente
Arteria
Vena
Seno midollare
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Legame dei linfociti alle venule ad endotelio alto
LINFOCITI NAIVE entrano
nel sangue, raggiungono
gli organi linfoidi periferici
e ricircolano
Cellule & antigeni da un sito di infezione
e intrappolati nel tessuto linfoide drenante.
Cellule proliferano e ri-entrano nel
POOL DEI LINFOCITI RICIRCOLANTI
e ricircolano negli organi linfoidi periferici
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Sequenze di eventi nelle risposte immunitarie
in vivo
Vie di ricircolazione linfocitaria
Ricircolo linfocitario
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Traffico dei linfociti attraverso il linfonodo
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Organizzazione del tessuto linfoide nella milza
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Componenti cellulari del sistema immunitario
associato alla cute
Milza polpa bianca
Sezione trasversale
Il sistema immunitario associato alle mucose
Seno marginale
Corona cellule B
Polpa rossa
Centro germinale
Zona marginale
Zona periarteriolare
linfocitica – Area cellule T
Arteriola centrale
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Organizzazione del tessuto linfoide associato
all’intestino
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Fasi della risposta immune
Immunità attiva e passiva
Cellule B organizzate in follicoli di notevoli dimensioni ed altamente attivi, mentre le cellule T
occupano l’area tra i follicoli. L’antigene entra attraverso l’epitelio specializzato costituito dalle
cellule M (Membranose). Nonostante le differenze con altri tessuti linfoidi, la struttura di base
viene mantenuta.
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Risposta immune
Barriere
Invasione
& infezione
Immunità innata ed immunità specifica
Immunità innata
Pelle & Membrane mucose
Rigenerazione rapida, movimenti
peristaltici, estrusione mucociliare,
vomito, urine e lacrime, tosse
Immunità naturale per resistere alle infezioni
• Presente dalla nascita
• Non è antigene-specifica
Immunità innata
+
+
• Non aumenta per una seconda esposizione
Difese cellulari e umorali
Lisozima saliva, secrezioni
sebaceo/mucose, acidità stomaco,
organismi commensali, proteine
complemento, fagocitosi, cellule NK
• Non mantiene memoria
• Usa componenti cellulari e umorali
• E’ scarsamente efficace senza immunità acquisita
Infiammazione
Immunità acquisita
Anche coinvolta nel triggering e amplificazione della
risposta immune acquisita
Difese cellulari e umorali
Anticorpi, citochine, cellule T helper ,
cellule T citotossiche
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Fasi della risposta linfocitaria
Tipi di immunità specifica o acquisita
Immunità acquisita
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Immunità specifica indotta dal patogeno
• Si attiva quando il patogeno entra nell’organismo
•Acquisita per esperienza precedente
• Conferisce immunità patogeno specifica
• Aumentata da una seconda esposizione
• Mantiene memoria
• Usa componenti cellulari e umorali
• E’ scarsamente efficace senza immunità innata
Anticorpi riflettono le infezioni alle quali un individuo è stato esposto –
strumento diagnostico per infezioni
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L’immunità specifica potenzia i meccanismi
effettori dell’immunità naturale
Ematopoiesi
Leucociti: 7,25+1,7(x106)/ml
Granulociti: 58,5% di cui Neutrofili 55% (34,6-71,4)
Eosinofili 3% (0-7,8)
Basofili 0,5% (0-1,8)
Linfociti: 35% (19,6-52,7)
Monociti: 6,5% (2,4-11,8)
A -Nell’immunità innata, i microrganismi attivano il complemento (C) direttamente per la via alternativa,
con conseguente uccisione dei microbi. Gli anticorpi prodotti nell’ambito della risposta umorale specifica
potenziano l’attivazione del complemento innescando la via classica, con conseguente aumento
dell’efficienza dell’eliminazione dei microrganismi.
B - I fagociti inglobano e distruggono alcuni microrganismi direttamente nella fase di risposta innata.
Successivamente i linfociti T attivati nel corso della risposta immune specifica, interagiscono con i
fagociti potenziandone l’attività microbicida, con conseguente aumento dell’efficienza ed efficacia di
uccisione dei microrganismi.
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Linfociti
Immunità acquisita
Macrofagi
Monociti
Fagocitosi
Presentazione Ag
Neutrofili
PMN
Fagocitosi
Anti-batterica
Eosinofili
Immunità
anti-parassiti
Basofili
?Protezione della
superficie mucosale?
Cellule del
Sistema Immune
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Cellule mieloidi dell’immunità innata ed acquisita
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Phagocytes:
Phagocytes:
Neutrophils
Neutrophils
Neutrophils (polymorphonuclear: PMN) are most important cellular components in bacterial
destruction. They are relatively large and most abundant white blood cells with lobed nucleus and
cytoplasmic granules (lysosomes). They are identified by their characteristic morphology. In
addition, monoclonal antibodies against characteristic cell surface protein, cluster differentiation
marker, CD66 can be used to identify these cells.
Progenitori
linfoidi comuni
phagocytosis,
intracellular killing,
inflammation and tissue
damage
Cellule
staminali
pluripotenti
Progenitori
mieloidi
characteristic nucleus,
cytoplasm
Mast cellule Protezione della
granules and CD66
membrane marker.
superficie mucosale
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Phagocytes:
Phagocytes:
Characteristics
Characteristicsof
ofNeutrophil
NeutrophilGranules
Granules
Neutrophils
Neutrophils
Direct
Directantimicrobial
antimicrobialactivity
activityof
ofNeutrophils
Neutrophils
PMN granules are of two kinds: primary (azurophilic) and secondary (specific).
Polymorphonuclear
Neutrophils
• Recruited on site of
infection by
proinflammatory
cytokines and
chemoattractant
molecules
• Activated by IFN-γ, TNFα, IL-1, IL-6, IL-8, GMCSF
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Antimicrobial
Antimicrobialactivity
activityof
ofNeutrophils
Neutrophils
DEFENSINS
DEFENSINS
Crystal structure of
Human β-defensin-2
primary granules
secondary granules
azurophilic; characteristic
of young neutrophils;
specific for mature neutrophils
contain cationic proteins,
lysozyme, defensins,
proteases and
myeloperoxidase
contain lysozyme, NADPH
oxidase, lactoferrin and B12binding protein
Primary azurophilic granules are characteristic of immature and very young neutrophils. They
contain NADPH oxidase co-factors, cationic proteins, defensins (small molecular weight proteins),
proteases (elastase, cathepsin G, etc.), lysozyme and, characteristic for them, myeloperoxidase.
Secondary granules are more characteristic of (specific for) mature neutrophils. They contain
lysozyme and NADPH oxidase cofactors, lactoferrin and B-12-binding protein, the last two are
characteristic for these granules.
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Phagocytes:
Phagocytes:
Macrophages
Macrophages
• Permeabilization of
cellular membranes
• Induction of single strand
DNA breaks
• Modulation of cytokine
production
• Aspecific bacterial
opsonization
• Chemotactic activity
phagocytosis, intracellular
and extra-cellular killing,
tissue repair, antigen
presentation for specific
immune response
characteristic nucleus and
CD14 membrane marker.
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Macrophages
Macrophages
Mononuclear phagocytes are the other population of phagocytic cells and include monocytes in circulation,
histiocytes in tissues, microglilal cells in the brain, Kupffer cells in the liver and macrophages in serous
cavities and lymphoid organs, They also have granules similar to those in neutrophils, although not as
abundant. They are recognized by their morphology, ability to adhere on glass/plastic surface, phagocytic
property and CD14 marker. All phagocytic cells have receptors for a variety of molecules. Most pertinent to
non-specific immunity are Scavenger and TOLL-like receptors and receptors for the Fc part of IgG,
complement, interferons, TNF and certain bacterial components. Interaction of organisms with these
receptors promotes phagocytosis and phagocyte activation for a more efficient killing of pathogens.
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O2 dependent and
independent bacterial
killing in neutrophils
• O2-dependent
antimicrobial mechanisms
relies on NADPH Oxidase
complex, that leads to
HOCl
• O2-independent
mechanisms encompass
the content of granules
(lysozyme, gelatinase,
defensins)
phagocytose
phagocytose&&kill
killintracellularly
intracellularly
identified
identifiedby
byCD14
CD14
adherent
adherentof
ofplastic
plasticand
andglass
glass
surfaces
surfaces
activated
activatedby
bycytokines
cytokines
kill
killboth
bothintracellular
intracellularorganisms
organisms
kill
killmalignant
malignantand
andaltered
alteredself
self
targets
targets
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Maturazione dei fagociti mononucleati
Funzione dei macrofagi e induzione della
risposta infiammatoria
Morfologia dei fagociti mononucleati
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Fagociti
Quando un macrofago incontra un microrganismo (es. batterio) nei tessuti, questo rilascia citochine che
incrementano la permeabilità dei vasi sanguigni, permettendo ai fluidi ed alle proteine di passare nei
tessuti. Inoltre, secernono anche chemochine che hanno la funzione di richiamare i neutrofili nel sito di
infezione. I cambiamenti interessano anche l’adesività delle cellule endoteliali dei vasi sanguigni
permettendo alle cellule di aderire alle pareti di questi vasi e di attraversarli. Dai vasi sanguigni, passano
prima i neutrofili poi i macrofagi. L’accumulo di fluidi e cellule nel sito d’infezione causa rossore,
gonfiore, calore e dolore (rubor et tumor cum calore et dolore), conosciuti nel complesso come
infiammazione. I macrofagi ed i neutrofili sono le principali cellule infiammatorie, successivamente alla
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loro attivazione, anche i linfociti contribuiscono a questo processo.
Le cellule dendritiche danno inizio alla
risposta immunitaria acquisita
Le cellule dendritiche immature, residenti nei tessuti infettati, catturano i patogeni ed i loro
antigeni tramite la macropinocitosi o tramite fagocitosi mediata da recettori. Queste cellule
vengono stimolate dal riconoscimento di un patogeno a migrare, tramite le vie linfatiche, nei
linfonodi regionali, dove arrivano come cellule dendritiche non fagocitiche completamente mature.
Qui le cellule dendritiche mature incontrano ed attivano i linfociti T naive antigene-specifici, i quali
entrano nei linfonodi dal sangue tramite un vaso specializzato conosciuto, per le sue cellule
endoteliali cubiche, come High Endothelial Venule (HEV) - Venula ad Endotelio Alto
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Phagocyte
PhagocyteResponse
Responseto
toInfection
Infection
Phagocyte
PhagocyteResponse
Responseto
toInfection
Infection
Initiation
Initiationof
ofPhagocytosis
Phagocytosis
Chemotaxis:
Bacteria produce N-formyl-methionine-containing peptides which are powerful
The
TheSOS
SOSSignals
Signals
Attachment via
attractants (chemotactic) for phagocytic cells. Many bacteria also act on proteins of the
––N-formyl
N-formylmethionine
methionine
––Clotting
Clottingsystem
systempeptides
peptides
––Complement
Complementproducts
products
ScavengerR
complement and clotting systems to produce peptides that cause vasodialation, vascular
IgG FcR
permeability and expression of adherence molecules on vascular endothelial cells. They
Phagocyte
Phagocyteresponse
response
CR
also induce, on phagocytic cells, expression of proteins (e.g., integrins) that promote
––Vascular
Vascularadherence
adherence
––Diapedesis
Diapedesis
––Chemotaxis
Chemotaxis
––Activation
Activation
––Phagocytosis
Phagocytosisand
andkilling
killing
Toll-like R
binding to endothelial cells. Phagocytic cells respond to chemotactic peptides of
bacterial and host origin and migrate across the capillary wall (diapedesis) to the site of
infection/inflammation.
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Recettori e risposte funzionali dei fagociti
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Attivazione e funzioni effettrici dei macrofagi
Pathways
Pathwaysof
ofIntracellular
IntracellularKilling
Killing
Intracellular Killing
oxygen-dependent
myloperoxidase-independent
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oxygen-independent
myeloperoxidase-dependent
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Phagocyte
PhagocyteResponse
Responseto
toInfection
Infection
Pathways
Pathwaysof
ofIntracellular
IntracellularKilling
Killing
Mediators
Mediatorsof
ofOxygen
OxygenIndependent
IndependentKilling
Killingin
inthe
thePhago-lysosome
Phago-lysosome
Phagosome-lysosome fusion:
Phagosome, soon after its formation, fuses
Three modes of intracellular killing:
with granules (lysosomes) to form a phago-
It should be apparent from the preceding discussion that there are three
pathways of killing by phagocytes: (1) by lysosomal antibacterial
substances (lactoferrin, cationic proteins, lysozyme, defensins, proteases,
etc.) without the requirement of respiratory burst (oxygen-independent
killing); (2) by products of respiratory burst (super-oxide,singlet oxygen,
hydroxyl radical, hydrogen peroxide, etc.) without the need for
myeloperoxidase (oxygen-dependent,myeloperoxidase-independent killing):
and (3) by halogenation of bacterial proteins catalyzed by meyloperoxidase
(oxygen-dependent,
myeloperoxidase-dependent
killing).
These
processes occur simultaneously and act synergistically. A defect in any of
these pathways, for example, a deficiency of NADPH oxidase (cytochrome
b558) components (p91, p22, 947 p61-phox), myeloperoxidase, etc. would
impair the killing activity of phagocytes and render the host more susceptible
to pyogenic infections.
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Phagocyte
PhagocyteResponse
Responseto
toInfection
Infection
lysosome. As mentioned earlier, lysosomes
Effector Molecule
contain a variety of anti-microbial substances
(e.g.,
lysozyme,
lactoferrin,
defensins,
transferrin,
proteases,
and
etc.)
microorganisms to these substances and their
of the respiratory burst (hexose monophosphate shunt) which results in the production of
superoxide anion, singlet oxygen, hydroxyl ion and hydrogen peroxide. These
molecules are microbicidal and cause killing of organisms in the phagosome.
Lysozyme
Hydrolyses mucopeptides in
the cell wall
Lactoferrin
Deprives pathogens of iron
Hydrolytic enzymes (proteases)
Digests killed organisms
destruction. Also, fusion of phagosome with
primary
granules
(in
newly
recruited
phagocytes) that contain myeloperoxidase
results
in the production of
halogenation
of
bacterial
OCl-, and
proteins
and
bacteriolysis.
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Glucose +NADP+
G-6-P-dehydrogenase
NADPH + O2
Cytochrome b558
2O2
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myeloperoxidase
2OCL- + H2O
2O2
H2O2 + 1O2
OCl- + H2O
1O -+ Cl-+
2
+ 2H+
Superoxide dismutase
2 H2 O2
.OH + OH- + 1O2
catalase
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Oxygen Dependent Myeloperoxidase
Dependent Reactions
H2 O2 + Cl-
-
+ 2H+
-
Pentose-P
+ NADPH
NADP++ O2
Superoxide dismutase
2O2 + H2O2
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Respiratory
Respiratory Burst
Burst
Oxygen Dependent Myeloperoxidase
Independent Reactions
The process of attachment and phagosome formation is accompanied by the activation
Damage to microbial
membranes
phago-
lysosome fusion results in the exposure of
Respiratory Burst
Respiratory burst and phagocytosis:
Function
Cationic proteins (cathepsin)
H2O
-
H2O2 + O2
-
H2O + O2
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Nitric
NitricOxide
OxideDependent
DependentKilling
Killing
TNF
TNF
Nitric Oxide
Nitric Oxide
γ
IFN
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