WYKŁAD 10
Zwykle stosunek pomiędzy organizmami żyjącymi w biocenozach opisuje się w kategoriach wyścigu zbrojeń. Jest też hipoteza czerwonej królowej; gatunki mają prawdopodobieństwo wymarcia takie same, niezależnie od tego jak długo trwały. Gatunki muszą cały czas sobie dawać radę ze zmieniającym się środowiskiem biotycznym. Zatem upływ czasy niewiele daje, gdyż cały czas trzeba dostosowywać się do warunków odmiennych. To, że osiągnęło się lepsze właściwości w stosunku do stanu dawnego, nie znaczy, że daje to korzyści obecnie.
Ta koncepcja jest dość wątpliwej wartości. Sama koncepcja wyścigu zbrojeń natomiast jest truizmem - tak jest rzeczywiście. Skoro wszystkie organizmy ewoluują to zmieniają się się też stosunki, w których przyjdzie każdemu z nich funkcjonować. Jest to szczególnie wyraziste w układzie drapieżnik-ofiara. Ten układ jest wyścigiem zbrojeń. Selekcja działa na ofiarę w ten sposób by umożliwić ofierze przetrwanie, by uniknąć drapieżnika. Aby drapieżnik przetrwał musi wzrastać efektywność polowania. To samo tyczy się pasożytnictwa.
Są takie okoliczności, w których wyścig zbrojeń zamienia się w nierozerwalny związek, kiedy mimo pewnych start ponoszonych przez żywiciela, żywiciel bez pasożyta obejść się nie może. Np. sposób zapylania figi i osy żerujące na ich kwiatostanach wnikające w zawiązki owoców. Samice tracą wówczas skrzydła bezpowrotnie i składają jaja do zalążków w obrębie kwiatów fig, równocześnie je zapylając. Kiedy owoce dojrzeją, larwy przekształcają się w osobniki dorosłe, to wówczas osobne są funkcje płci. Faceci po utracie skrzydeł wygryzają kanał, przez który uskrzydlone samice mogą się wydostać. Po wygryzieniu kanału faceci umierają.
Są też takie osy, które wykorzystują ten kontekst. Osy te wnikają przez taki otwór w owocu, po to by złożyć jaja na czerwiach tam się znajdujących. Wykluwające się larwy żerują na czerwiach.
Są owady, które pasożytują na galasówkach. Owady te składają na nich jaja. Larwy, które się wykluwają zjadają czerwie.
Taki skomplikowany układ musiał trwać jakiś czas. Jak długo on trwa? Czy ma to związek z ewolucją fig?
Można to sprawdzić porównując molekularne drzewa rodowe fig i os.
Okazuje się, że te drzewa rodowe są ze sobą w zasadzie spójne. Oznacza to, że ewolucja fig i os odbywała się cały czas w bezpośrednim związku. Są to sytuacje dość częste, szczególnie w układach pasożyt żywiciel.
To również może się dokonywać, ale w mniej ścisły sposób na poziomie związku drapieżnik ofiara. Zwykle jest tak, że zwierzęta drapieżne polują na określony rodzaj ofiar. Ofiary odpowiadają przemianom ewolucyjnym, które umożliwiają im przetrwać presji drapieżniczek. Trwa to przez miliony lat.
Inny przykład wyrafinowania, do którego może doprowadzić selekcja i zmienność genetyczna jest to, w jaki sposób w środowisku funkcjonują modraszki (motyle). Wszystkie są meljakieśtam, są powiązane z mrówkami. U większości związek z mrówkami polega na tym, że larwa modraszka zjada mrówki, jest larwą drapieżną. Mrówkę nie jest jednak tak łatwo podjeść, aby ja potem zjeść. Sposobem na mrówki wyselekcjonowanym w ewolucji było wytwarzanie feromonów przez larwy modraszków. Te feromony imitują te, wydzielane przez mrówki, one dzięki temu odróżniają wroga od przyjaciela.
W dalszym etapie ewolucji doszło do takiego udoskonalenia feromonów modraszków, które to nakazywały mrówkom karmić larwy modraszków. Dzięki feromonom, po krótkim żerowania na liściach goryczki, larwy spadają na ziemię i mrówki chwytają jest w swoje żuwaczki (tak jak i własne larwy). I przenoszą je do mrowiska i karmią.
Jest jednak kolejna komplikacja tego układu. Otóż są gatunki gąsieniczników, które są specyficznie dostosowane do odżywiania się larwami modraszków. Gąsieniczniki te składają jaja na tych larwach. Wyległe larwy zjadają modraszki. W tę sprawę zamieszane są także mrówki, bo nie jest prosta sprawą by dostać się do wnętrza mrowiska, gdzie żyją larwy modraszków. Z tego powodu gąsieniczniki również wydzielają feromony, które skłaniają robotnice mrówek do bójek. Gdy robotnice się bija, gąsieniczniki składają jaja.
Skrajnym przykładem pasożytnictwa socjalnego jest pasożytnictwo lęgowe, którym posługują się kukułki. Aby kukułka mogła oszukać swoją ofiarę musi mieć jaja, które są trudne do odróżnienia od jaj ofiary, bo jaja odmienne są wyrzucane z gniazda. Selekcja działa w ten sposób, że jaja pasożytów lęgowych upodabniają się kształtem i barwa do jaj żywicieli. W obrębie grupy kukułek różne populacje pasożytnicze na różnych gatunkach ptaków mają jaja do nich upodobnione, a cała grupa w drodze wymiany zachowuje jedność gatunkową. Zatem w obrębie kukułek formują się grupy osobników, w których dochodzi do wyspecjalizowania specyficznej dla tej grupy formy jaj. Takie grupki nazywają się GENTES. Mamy tu doczynienia z polimorfizmem, który wyraża się nie w anatomii tylko w barwie skorupki jaja. Na poziomie genetycznym oznacza to, że są grupy genów regulujących aspekty morfologii jaja. W jednym osobniku włącza się jeden zestaw genów (w wyniku selekcji). Klarowną sytuację polimorfizmu jest dymorfizm płciowy w obrębie tego samego gatunku są różnice. Związek pomiędzy pasożytem a żywicielem bywa nierozerwalny nie tylko na zasadzie obustronnych korzyści. Co z tego, że przyszłoby fidze, że doprowadziłaby do zabezpieczenia owoców przed pasożytami, skoro wówczas figa nie mogłaby się rozwiać, bo kwiaty nie zostałyby zapylone? Koszt, który ponosi figa równoważony jest przez zysk.
Na podobnej zasadzie działają prawie wszystkie owadopylne. Kwiaty, które inwestują sporo energii w to by zostać zapylonymi: wytwarzają pyłek, którego znaczą część jest konsumowana przez owady, wytwarzają też nektar i substancje zapachowe. Są sytuacje, w których nie Moza się wyzwolić z ukaldu pasożyt ofiara w wyniku wyselekcjonowania układu, który na stale wiążą pasożyta z ofiarą. Popularnym układem jest układ toksyna odtrutka (plazmidy). Pili bakterii to przykład pasożytnictwa. O tym jak działa system toksyna i antytoksyna chyba nie muszę pisać?
Pierwotnym przodkiem wirusów DNA i RNA był prawdopodobnie plazmid. Wirusy DNA I RNA znajdują się w obrębie tych samych drzew filogenetycznych.
Wirusy to nie organizmy w dosłownym znaczeniu. Nie mają aparatu transkrypcyjnego i replikacyjnego. Są to zdziczałe plazmidy. Osłonki białkowe mają duże znaczenie przystosowawcze (wstrzykiwanie dna do ofiary). Ale pozwalają też komórce żywiciela na łatwiejsze rozpoznawanie zagrożenia, ponieważ białko łatwo zidentyfikować przy użyciu białek błonowych.
Oznakowanie naszych komórek innymi białkami niż białka wroga to cecha organizmów eukariotycznych. Ilija Mieczników, jako pierwszy zauważył zdolność rozpoznawania i likwidowania zagrożeń przez komórki wyższych organizmów. Jeżeli drażnił on kolcem akacji larwy jeżowców to te larwy się otorbiają. Za mechanizmy obrony przed zagrożeniem w przypadku jeżowców odpowiedzialne są celomocytyny - ameboidalne komórki występujące w jamie ciała jeżowców. Komórki obronne rozpoznają zagrożenia wykorzystując białko receptorowe w swojej własnej błonie. Gdy nakłuwamy jeżowca kolcem akacji to w wyniku uszkodzenia Komorek wydostają się rożne czynniki chemiczne, które przywabiają komórki obronne (fagocyty), które skupiają się w okolicy uszkodzenia.
Tych czynników sygnalizujących jest bardzo wiele, ale najbardziej znane to Chemokiny. One, zwłaszcza w odniesieniu do pierwotniejszych grup eukariontów pełnią szczególną rolę. Receptory w błonie, którą potrafią rozpoznać zagrożenie są tu bardzo ważne Fagocyty zachowują się jak autonomiczne organizmy (mają swój behawior). Potrafią one znaleźć źródło zagrożenia.
Dzięki tym czynnikom możliwe jest to, co stanowi o istocie indywiduum (osobnika). Osobnik potradi odrónic wlasne komorki od komórek obcych, bo inaczej zjadłby go własne fagocyty. Kiedy to powstało ewolucyjnie?
Wśród dziś żyjących orgainzmow, najbardziej pierwotnym który ma we krwi dwa rodzaje komorej jest Priapulus sp. . W jego krwi są erytrocyty (przenoszenie tlenu), i amebocyty ( funkcje obronne).
To jest punk wyjściowy dla wysciugu zbrojeń, który na gruncie immunologii został zapoczątkowany wraz z powstaniem tego rodzaju wyspecjalizowanych Komorek. Rzecza pasożytów zaczęła tez w związk z tym swoją ewolucję w kierunku doskonalenia. Jak i, którzy zagrażają to prowadzą?
Okazuje się, że organizmy atakujące i organizmy broniące się używaja tej samej broni czyli bialek które powoduja drogą samoorganizacji formowanie się porów w komorkach. Np. Spterptococcus atakuje nasze płuca wytwarza pory w komórkach płuc, przez które mogą wnikać czynniki zewnętrzne. Takie białka formuja też eukarionty. Perforyny u eukariontów są jednością filogenetyczną. Są one też u prokariontów , zatem musiały pojawic się bardzo dawno w ewolucji. Perforyny utworzone w błonie organizmu prowadza do ytraty równowagi somotycznej alno przez ten otwor wprowadza się czynniki indukujące nekrozę bądź apoptozę. Dawnych mechanizmów stosowanych do obrony przed zagrozeniem jest wiele. Można je ustawić w kolejne ewolucyjne zdarzenia:
Receptory sluża do identyfikacji zagrożeń i powoduja wydzielanie oktreslonej substancji z komórek. Jedną z takich substancji śą defensyny. To toksyny.. Okazalo się że defensyny są sobie homologiczne, w obrębie nieomal calego świata organizmów wyższych eukariotycznych. Toksyny grzybów, skorupiaków mają znacza część homologicznych układów. Jad dziobaka wywodzi się z defensyw. Inna gruba defensyw to ta z jadu zmuju. Różne formu defensyw wystepija również w komórkach ptaków, i sskaów. Pełnią rolę obronna w procesach immunologicznych.
Defensyny powoduja wydzielanie peptydów które lączą się z lipidami błon do których przylegają. Ich działanie może być związane z dzialaniem np. wolnych rodników. Jest bardzo duża rożnorodność receptorów, ale wszystkie zakodowane SA w genomie. Oznacza to że ich różnorodność wymaga w genomie pojawienia się wciąż różnych odcinków DNA ( w wyniku duplikacji) które podlegają osobnej ewolucji, specjalizując się do danej funkcji. Lecz jak to pomieścić w genomie? W toku ewolucji dochodziło do tego że białka mające inne funkcje są dostosowywane do funkcji obronnych. Jednymi z takich bialek są TLR - tool like receptors. U bezszczękowców czynnikiem który rozpoznaje zagrożenia jest białko TLR. TLR u minoga np. jest głównym czynnikiem obronny immunologicznej przed zagrozeniami. Wiemy że TLR-y są zakodowane na DNA. Ale niewiele można ich zakodować w genomie. Dlatego układ odpornościowu minoga i innych organizmów posługującyh się tego rodzaju czynnikiami jest stosunkowo mało efektywny - jest mala różnorodność receptorów błonowych.
RECEPTOR IDENTYFIKUJE ZAGROŻENIE KASKADA ZALEŻNOŚCI W OBRĘBIE CYTOPLAZMY JEST URUCHAMIANA KASKADA DOCIERA DO JĄDRA
Pomiędzy czynnikami wyzwalającymi kaskadę/biorącymi udział w kaskadzie (np. pektynowymi) a czynnikami charakterystycznymi dla bezkręgowców jest homologia ciągłość ewolucyjna. Układ odpornościowy nie uformowal się w szybkim czasie. Setki mln lat (jeżeli nie milardy) trwało dostosowywanie poszczególnych elementów tego układu do tego by mógł potem funkcjonować na zasadzie kombinowania różnych zestawów genów wcześniej uformowanych. Lektyny pozostają w bezpośrednim związku z białkiem które u bezkręgowcow nazywane jest malnoglobuliną i jest homologiem komplementu C3. Ten komplement jest najbardziej pierwotnym spośród elementów wchodzących w sadzy układ immunologiczny. Ten komplement jest ewolucyjnie podlączony do bezkręgowców w obrębie układu odpornościowego bezkręgowców występują homoli komplementy C3.
Jaka jest główna funkcja białek błonowych u bardziej zaawansowanych zwierząt ( u wyższych kręgowcow)?
Jednym z kluczowych zagadnień immunologii jest prezentowanie antygenu. Na powierzchni komórki są białka które mają na sobie antygen. Ten antygen jest rozpoznawany przez inne białka które w ten sposób się się uczą, które obiekty trzeba zniszczyć.
Jeżeli komórka ameboidalna znajdzie się w kontakcie z zagrożeniem, to alno zostanie przez to zagrożenie zlikwidowana, albo sama ją zlikwiduje (wchłonie i potnie). Do cięcia wykorzystywane są białka zwane proteosomami. Pocięte białka i ich fragmenty są wyrzucone na powierzchnię komórki, gdzie trafiaja do bialek prezentujących antygen, w których odpowiednia bruzda, do której pasują fragmenty pociętego białka. Te białka prezentujące noszą nazwę MHC. Ten rodzaj prezentacji pojawia się po raz pierwszy u ryb (rekinów).
Różnego rodzaju białka MHC stosowane są do różnego rodzaju antygenów. Inne są stosowane do patogenów wewnątrzkomórkowych. Te 2 rodzaje białek MHC wywodzą się ewolucyjnie ze wspólnego przodka i powstały w wyniku duplikacji genowej.
Antygen umiejscowiony w bruzdzie bialka MHC musi zostać rozpoznany przez receptor limfocytu. Ten receptor jest właściwym czynnikiem niszczącym. Musi on się dopasować do antygenu. To dopasowanie jest możliwe na zasadzie losowości. Mamy ogromną rożnorodność receptorów limfocytów, wśród których musi się znależź taki który pasuje do prezentowanego antygenu. Gdyby ten mechanizm opierał się na dziedziczeniu sekwencji w genomie, to ta różnorodność byłaby stosunkowo niewielka.
Dlatego jest czynnik o fundamentalnym znaczeniu, jest on jednym z największych wynalazków ewolucyjnych w historii na Ziemii. Jest t przykład Darwinowskich zasad poza genomem, poza szlakiem płciowym. Otóż w komorkach somatycznych grasicy (lub jej homologów) w których powstaną ameboidalne komórki odpornościowe dochodzi do rekombinacji DNA. Zachodzi zatem coś, co w normalnych warunkach następuje tylko w kompleksie synaptotemalnym podczas mejozy crossing over. Tu następuje coś podobnego do crossing over, tyle że w somatycznej komórce somatycznej grascy. W ten sposób powstaja limfocyty T. Homologi grasicy u ryb zlokalizowane są w okolicy skrzel.
Jak to się odbywa?
Mamy zapis DNA pewnej sekwencji. Ta sekwencja ulega ulega przebudowaniu i formuje właściwy łańcuch receptora który ma później działać. Potem z dwoch takich łańcuchów alfa i beta uformowany jest taki układ aminokwasów, który nigy wcześniej w przyrodzie nie występował. Dzieje się to zupełnie losowo. Jeżeli limfocytów powstanie duża różnorodność to któryś z nich dopasuje się receptorem do antygenu. Jeżeli się dopasuje , to wtedy wyzwalane są odpowiednie kaskadu ależności prowadzące do powielania tego limfocytów. Gdy za jakiś czas organizm będzie zagrożony tym samym rodzajem antygenem, to nie trzeba już powstarzać tego losowego generowania zmienności, ponieważ wystaczy tylko powielić limfocyty pamięci.
Opisany mechanizm nosi nazwę selekcji klonalnej. Jest to sposób na pojawienie się odporności nabytej. Jak raz przejdziemy odrę, to drugi raz już jej nie przejdziemy. Są 2 rodzaje limfocytów:
T mają receptory w błonie pozwalające na bezpośrednią identyfikacje zagrożenia (przez komórkę)
B wydzielają receptory do krwi. Te receptory jeśli spotkają antygen łączą się z nim. Po połączeniu receptory te koagulują antygen. Te receptory to tzw. Immunoglobuliny (przeciwciała)
Przeciwciala są najbardziej charakterystycznym aspektem układu immunologicznego u wyższych kręgowców, czworonogów, szczególnie ptaków i ssakow.
U ptaków limfocyty B prodkowane są w bursie Farbrycjusza, zaś u ssaków w szpiku kostnym.
Znamuy przejście ewolucyjne między limfocytami T a limfocytami B, ltóre są zdolne równocześnie do wyrzucania immunoglobulin do krwi oraz do fagocytozy. Jes to idealne stadium pośrednie w procesie ewolucji od klasycznego, komórkowego radzenia sobie z zagrożeniami poprzez ich identyfikację receptorami w błonie komorkowej poprzez autonomizację tych receptorów. Ta autonomizacja receptorów odbywa się poprzez samoorganizację. Na zew. Komórki wydzielane są poszczególne elementy układu immunoglobulin a one same już się potem formują. Immunoglobulinu tworzą zazwyczaj pojedyncze widelkowate układy, ale czasem tworzą stuktury krystaliczne o większej formie. Skąd wzięly się immunoglobuliny jako jednostki? Jakie jest ich ewolucyjne pochodzenie? Da się to prześledzić dzięki filogenezie molekularnej.
Wiemy że są pokrewieństwa mięszy różnego rodzaju receptorami błonowymi i immunoglobulinami. Wiemy, że immunoglobuliny są skutkiem ewolucyjnej przemiany receptorów blonowych które były wykorzystywane w reakcjach obronnych przez komorki ameboidalne. Kiedy się prześledzi ich drogi ewolucji, widać że prawie wszystkie elementy układu immunologicznego mają mniej lub bardziej wspólne pochodzenie. Zatem da się powiazać poprzez wspólnego przodka i receptory Komorek T z immunoglobulinami i również MHC z receptorami wyjściowymi. Istotne jest przede wszystkim to, że różnorodność immunoglobulin jest jeszcze większa nuż rożnorodność receptorów w błonach komórkowych limfocytów T. Jednak mechanizm jest w zasadzie taki sam widać że również sposób formowania różnorodnoci został odziedziczony. Polega to na rekombinacji rożnych zestawów genów w obrębie sekwencji kodowanej na DNA komorkowym.
Jak formowana jest rożnorodność immunoglobulin?
Wyliczono, że jest 10 do 8 rodzajów immunoglobulin, co odpowiada liczebnośći genów przekraczającej o tysiące razy to co można zakodować w genomie. Obecnie można wyselekcjonować IG na jakikolwiek związek, nie koniecznie występujący w przyrodze! Losowe generowanie zmienności, a potem działanie na to selekcją klonalną to w zasadzie pełna analogia do zjawisk dokonującyh się w przyrodzie w odniesieniu do genomu.
Otóż w wyniku pojawiania się losowych zmian w wyniku mutacji uzyskujemy zmienność wyrażającą się w fenotypie. W wyniku selekcji i losowo generowanej zmienności mamy ewolucję. Ty mamy coś posobnego, mamy losowo generowaną zmienność na ktorą dziala selekcja klonalna i uzyskujemy cos zupełnie nowego.
W trakcie życia osobnika może to prowadzić do doskonalenia, do procesu dosć daleko imitująceho ewolucję, ale tylko w czasie trwania jednego osobnika! Nie jest to zatem sytuacja homologii z procesem ewolucji biologicznej. Est to inny rodzaj zastosowania myślenia Darwinowskiego tylko w odniesieniu do niewielkiego aspekty zjawisk biologicznych. Niewiele obenie wiadomo o układzie odpornościowym stadiów pierwotnych.
Likwidacja: białka w błonie komorkowej łączą się w specyficzny sposób (jeżeli mówimy o limfT) z prezentowanym antygenem. To zmienia konformację tych białek i wyzwala kaskadę zależności biochemicznych.
Bialka, odpowiednio się zmieniając prowadzą do uformowania się w błonie otworu (poru). Po powstaniu poru z komórki, która ma zostać zniszczona wypływają jony niszcząc równowagę jonową komórki. Komórka może ulec też eksplozji osmotycznej. Przez perforyny mogą ponadto wnikać czynnika czynniki bezpośrednio zagrażające komorce (prowadzą do wymuszonej apoptozy lub nekrozy) Gdzie zachodzą wyżej opisane procesy?
Znaczna cześc procesów immunologicznych jest związana z układem limfatycznym. W czasie choroby nasze gruczoly limfatyczne są powiekszone w wyniku nagromadzenia się tam limfocytów. Układ limfatyczny jest skutkiem nieszczelności układu krwionośnego. U ryb, które mają serce pompujące krew do skrzel problem ten nie jest tak wyrazisty z 2 powodow:
Tylko na odcinku od serca do skrzel możliwy jest wyciek, a jeżeli SA to nie sposób i zaradzić, bo skrzela kontaktują się bezpośrednio ze środowiskiem zew.
Reszta układy jest niskociśnieniowa , ciśnienie krwi dopływające do serca jest stosunkowo niskie i wyciekinie stanowia problemy.
Od momentu kiedy jelita staly się dostarczycielem tleny (płuca to uchyłek jelita) układ pomowania…….