INNATE IMMUNITY

24.1 All animals have innate immunity

Nearly everything in the environment teems with pathogens ,  . Yet we do not constantly 

become ill, thanks to the immune  system , the body’s system of defenses against agents that cause disease. The 

immune systems of all animals include innate   immunity , a set of defenses that are active immediately upon 

infection and are the same whether or not the pathogen has been encountered previously (Figure 24.1A). 

 Invertebrate Innate Immunity Invertebrates rely solely on innate immunity. For example, insects have an 

exoskeleton, which is a tough, dry barrier that keeps out bacteria and viruses. Pathogens that breach these external 

defenses confront a set of internal 

defenses. Additional physical barriers, a 

low pH, and the secretion of lysozyme, 

an enzyme that breaks down bacterial 

cell walls, protect the insect digestive 

system. Circulating insect immune cells 

are capable of phagocytos is , cellular 

ingestion and digestion of foreign 

substances (see Module 5.9). The insect 

innate immune system also includes 

recognition proteins that bind to 

molecules found only on pathogens. 

Recognition of an invading microbe 

triggers the production of antimicrobial 

pep‐tides that bring about the 

destruction of the invaders. 

 Vertebrate Innate Immunity In 

vertebrates, innate immunity coexists 

with the more recently evolved system of adaptive immunity (discussed later in this chapter). In mammals, innate 

defenses include barriers such as skin and mucous membranes that protect organ systems open to the external 

environment, such as the digestive, respiratory, reproductive, and urinary systems. Nostril hairs filter incoming air, and 

mucus in the respiratory tract traps most microbes and dirt that get past the nasal filter. Cilia on cells lining the 

respiratory tract then sweep the mucus and any trapped microbes upward and out, helping to prevent lung infections. 

Microbes that breach a mammal’s external barriers, such as those that enter through a cut in the skin, are confronted by 

innate immune cells. These are all classified as white blood cells, although they are found in interstitial fluid as well as in 

the blood. Most, such as abundant neutrophi l s , are phagocytes (phagocytic cells). Macrophages  (“big eaters”) are 

large phagocytic cells that wander through the interstitial fluid, “eating” any bacteria and virus‐ infected cells they 

encounter. Natura l  k i l ler  (NK) cells attack cancer cells and virus‐infected cells by releasing chemicals that lead to cell 

death. 

Figure 24.1A An overview of animal immune systems (along with the module number where each topic is covered) 

Other components of vertebrate innate 

immunity include proteins that either 

attack microbes directly or impede their 

reproduction. Inter ferons  are proteins, 

produced by virus‐ infected cells that help 

to limit the cell‐ to‐ cell spread of viruses 

(Figure 24.1B). The virus infects a cell, 

which causes interferon genes in the 

cell’s nucleus to be turned on. The cell 

synthesizes interferon. The infected cell 

then dies, but its interferon molecules 

may diffuse to neighboring healthy cells, 

stimulating them to produce other 

proteins that inhibit viral reproduction. 

Additional innate immunity in vertebrates 

is provided by the complement  

system , a group of about 30 different 

kinds of proteins that circulate in an 

inactive form in the blood. As you’ll see later in the chapter, these proteins can act together (in complement) with other 

defense mechanisms. Substances on the surfaces of many microbes activate the complement system, resulting in a 

cascade of steps that may lead to the lysis, or bursting, of the invaders. Certain complement proteins also help trigger 

the inflammatory response, the subject of the next module. 

 

 

 

 

 

Figure 24.1B The interferon mechanism against viruses 

  Which components of innate immunity described here actually help prevent infection? Which come 

into play only after infection has occurred? 

 Answer 

24.2 Inflammation mobilizes the innate immune response

The in f lammatory   response  is a major component of our innate immunity. Any damage to tissue, whether 

caused by micro‐organisms or by physical injury— even just a scratch or an insect bite— triggers this response. You may 

see signs of the inflammatory response when your skin is cut. The area becomes red, warm, and swollen. This reaction is 

inflammation, which literally means “setting on fire.” 

 Figure 24.2 shows the chain of events when a pin has broken the skin, allowing infection by bacteria. The 

damaged cells soon release chemical alarm signals, such as his tamine . The chemicals spark the mobilization of 

various defenses. Histamine, for instance, induces neighboring blood vessels to dilate and become leaky. Blood flow to 

the damaged area in‐creases, and blood plasma passes out of the leaky vessels into the interstitial fluid of the affected 

tissues. Other chemicals, some that are part of the complement system, attract phagocytes to the area. Squeezing 

between the cells of the blood vessel wall, these phagocytic white blood cells (yellow in the figure) migrate out of the 

blood into the tissue spaces. The local increase in blood flow, fluid, and cells produces the red‐ness, heat, and swelling 

characteristic of inflammation.  

The major function of the inflammatory response is to dis‐infect and clean injured tissues. The white blood cells that  

 

migrate into the area engulf bacteria and the remains of any body cells killed by them or by the physical injury. Many of 

the white cells die in the process, and their remains are also engulfed and digested. The pus that often accumulates at 

the site of an infection consists mainly of dead white cells, fluid that has leaked from capillaries, and other tissue debris.  

The inflammatory response also helps prevent the spread of infection to surrounding tissues. Clotting proteins (see 

Module 23.14) present in blood plasma pass into the interstitial fluid during inflammation. Along with platelets, these 

substances form local clots that help seal off the infected region and allow healing to begin.  

Inflammation may be localized, as we have just described, or widespread (systemic). Sometimes microorganisms 

such as bacteria or protozoans get into the blood or release toxins that are carried throughout the body in the 

bloodstream. The body may react with several inflammatory weapons. For instance, the number of white blood cells 

Tissue injury; signaling molecules, 

such as histamine, are released. 

Dilation and increased leakiness of 

local blood vessels; phagocytes migrate to the area.

Phagocytes ( macrophages and 

neutrophils) consume bacteria and cellular debris; the tissue heals.

circulating in the blood may increase several fold within just a few hours; an elevated “white cell count” is one way to 

diagnose certain infections. Another response to systemic infection is fever, an abnormally high body temperature. 

Toxins themselves may trigger the fever, or macrophages may release compounds that cause the body’s thermostat to 

be set at a higher temperature. A very high fever is dangerous, but a moderate one may stimulate phagocytosis and 

hasten tissue repair. (How a moderate fever aids immune defenses is a subject of active debate within the medical com‐

munity.) Anti‐ inflammatory drugs, such as aspirin and ibuprofen, dampen the normal inflammatory response and thus 

help reduce swelling and fever.  

Sometimes bacterial infections bring about an overwhelming systemic inflammatory response leading to a condition 

called septic shock. Characterized by very high fever and low blood pressure, septic shock is a common cause of death in 

hospital intensive care units. Clearly, while local inflammation is an essential step toward healing, widespread 

inflammation can be devastating.

 

 

 

 

 

 

 

   

  Why is the inflammatory response considered a form of innate immunity? 

Answer 

24.3 The lymphatic system becomes a crucial battleground during infection

The l ymphat ic  system , which is involved in both innate and adaptive immunity, consists of a branching network 

of vessels, numerous l ymph  nodes— little round organs packed with macrophages and white blood cells called 

lymphocytes— the bone marrow, and several organs ( Figure 24.3). The lymphatic vessels carry a fluid called l ymph , 

which is similar to the interstitial fluid that surrounds body cells but contains less oxygen and fewer nutrients. The 

lymphatic system is closely associated with the circulatory system. If an infectious agent gets inside the body, it usually 

winds up in the circulatory system. From there, it is carried into the lymphatic system, which can usually filter it out. The 

filtered fluid can then be recycled into the circulatory system. The lymphatic system thus has two main functions: to 

return tissue fluid back to the circulatory system and to fight infection. As we noted in Module 23.11, a small amount of 

the fluid that enters the tissue spaces from the blood in a capillary bed does not reenter the blood capillaries. Instead, 

this fluid is re‐turned to the blood via lymphatic vessels. The enlargement in Figure 24.3 (bottom right) shows a 

branched lymphatic vessel in the process of taking up fluid from tissue spaces in the skin. As shown here, fluid enters the 

lymphatic system by diffusing into tiny, dead‐ end lymphatic capillaries that are intermingled among the blood 

capillaries. Lymph drains from the lymphatic capillaries into larger and larger lymphatic vessels. Eventually, the fluid 

reenters the circulatory system via two large lymphatic vessels that fuse with veins in the chest. As the close‐ up 

indicates, the lymphatic vessels resemble veins in having valves that prevent the back‐flow of fluid toward the capillaries 

(see Figure 23.7C). Also, like veins, lymphatic vessels depend mainly on the movement of skeletal muscles to squeeze 

their fluid along. The green arrows in the close‐ ups indicate the flow of lymph. When your body is fighting an infection, 

the organs of the lymphatic system become a major battleground. As lymph circulates through the lymphatic organs— 

such as the lymph node shown in Figure 24.3, top right— it carries microbes, parts of microbes, and their toxins picked 

up from infection sites anywhere in the body. Once inside lymphatic organs, macrophages that reside there permanently 

may engulf the invaders as part of the innate immune response. Lymph nodes fill with huge numbers of defensive cells, 

causing the tender “swollen glands” in your neck and armpits that your doctor looks for as a sign of infection. In addition 

to the functioning of macrophages and other components of the innate immune response, cells of the adaptive immune 

response, called lymphocytes, may be activated against specific invaders. We examine adaptive immunity next.  

   

  What are the two main functions of the lymphatic system?  

Answer 

 

ADAPTIVE IMMUNITY

24.4 The adaptive immune response counters specific invaders

All the defenses you’ve learned about so far are called innate because they’re ready “off the rack”; that is, innate 

defenses are always standing by, ready to be used in their current form. When the innate immune response fails to ward 

off a pathogen, a set of adaptive defenses, ones that are “custom‐ tailored” to each specific invader, provides a second 

line of defense. Adapt ive   immunity— also called acquired immunity— is a set of defenses, found only in 

vertebrates, that is activated only after exposure to specific pathogens. Thus, unlike innate immunity, adaptive immunity 

differs from individual to individual, 

depending on wha t pathogens they have 

been previously exposed to. Once activated, 

the adaptive immune response provides a 

strong defense against pathogens that is 

highly specific; that is, it acts against one 

infectious agent but not another. Moreover, 

adaptive immunity can amplify certain 

innate responses, such as inflammation and 

the complement system.  

Any molecule that elicits an adaptive 

immune response is called an ant igen . 

Antigens may be molecules that protrude 

from pathogens or other particles, such as viruses, bacteria, mold spores, pollen, house dust, or the cell surfaces of 

trans‐planted organs. Antigens may also be substances released into the extracellular fluid, such as toxins secreted by 

bacteria. When the immune system detects an antigen, it responds with an increase in the number of cells that either 

attack the invader directly or produce immune proteins called ant ibodies . An antibody is a protein found in blood 

plasma that attaches to one particular kind of antigen and helps counter its effects. (The word antigen is a contraction of 

“antibody‐ generating,” a reference to the fact that the foreign agent provokes an adaptive immune response.) The 

defensive cells and antibodies produced against a particular antigen are usually specific to that antigen; they are 

ineffective against any other foreign substance.  

Adaptive immunity has a remarkable “memory”; it can “remember” antigens it has encountered before and react 

against them more quickly and vigorously on subsequent exposures. For example, if a person is infected by the varicella 

zoster virus and then contracts chicken pox, the immune system “remembers” certain molecules on the virus. Should 

the virus enter the body again, the adaptive immune response mounts a quick and decisive attack that usually destroys 

the virus before symptoms appear. Thus, in the adaptive immune response, unlike innate immunity, exposure to a 

foreign agent enhances future responses to that same agent.  

Adaptive immunity is usually obtained by natural exposure to antigens (that is, by being infected), but it can also be 

achieved by vacc inat ion , also known as immunization. In this procedure, the immune system is confronted with a 

vacc ine  composed of a harmless variant or part of a disease‐ causing microbe, such as an inactivated bacterial toxin, a 

dead or weakened microbe, or a piece of a microbe. The vaccine stimulates the immune system to mount defenses 

against this harmless antigen, defenses that will also be effective against the actual pathogen because it has similar 

antigens. Once you have been successfully vaccinated, your immune system will respond quickly if it is exposed to the 

actual microbe. Such protection may last for life. 

 

In industrialized nations, routine childhood vaccination has virtually eliminated many viral diseases. In the United States, 

most children receive a series of shots starting soon after birth, including vaccinations against diphtheria/ pertussis/ 

tetanus (DPT, or “diptet”), polio, hepatitis, chicken pox, and measles/ mumps/ rubella (MMR). One of the major success 

stories of modern vaccination involves smallpox, a potentially fatal viral infection that affected over 50 million people 

per year worldwide in the 1950s. A massive vaccination effort has been so effective that there have been no cases of 

smallpox since 1977. Since 2001, however, the U. S. government has stockpiled hundreds of millions of doses of 

smallpox vaccine and has begun to vaccinate high‐ risk health‐ care and military workers in case the smallpox virus is 

used in a bioterrorist attack (Figure 24.4).  

Whether antigens enter the body naturally (if you catch the flu) or artificially (if you get a flu shot), the resulting 

immunity is called act ive   immunity  because the person’s own immune sys‐tem actively produces antibodies. It is 

also possible to acquire pass ive   immunity  by receiving premade antibodies. For example, a fetus obtains antibodies 

from its mother’s bloodstream; a baby receives antibodies in breast milk that protect the digestive tract (although these 

antibodies are broken down there and do not enter the bloodstream); and travelers sometimes get a shot containing 

antibodies to pathogens they are likely to encounter. In yet another example, the effects of a poisonous snakebite may 

be counteracted by injecting the victim with antibodies extracted from animals previously immunized against the 

venom. Passive immunity is temporary because the recipient’s immune system is not stimulated by antigens. Immunity 

lasts only as long as the antibodies do; after a few weeks or months, these proteins break down and are recycled by the 

body. 

   

  Why is protection resulting from a vaccination considered active immunity rather than passive 

immunity? 

Answer 

24.5 Lymphocytes mount a dual defense

Lymphocytes , white blood cells that spend most of their time in the tissues and organs of the lymphatic system, 

are responsible for adaptive immunity. Like all blood cells, lymphocytes originate from stem cells in the bone marrow. As 

shown in Figure 24.5A, some immature lymphocytes continue developing in the bone marrow; these become 

specialized as B lymphocytes, or B  ce l l s . Other immature lymphocytes migrate to the thymus, a gland above the heart. 

There, the lymphocytes become specialized as T 

lymphocytes, or T  ce l l s . Both B cells and T cells 

eventually make their way via the blood to the 

lymph nodes, spleen, and other lymphatic organs. 

The B cells and T cells of the adaptive immune 

response together provide a dual defense. The first 

type of defense is called the humoral   immune  

response . The humoral immune response 

involves the secretion of free‐ floating antibodies 

by B cells ( Figure 24.5B, left) into the blood and 

lymph. (The humoral response is so named 

because blood and lymph were long ago called 

body “ humors.”) The humoral system defends 

primarily against bacteria and viruses present in 

body fluids. As discussed in the last paragraph of 

Module 24.4, the humoral immune response can 

be passively transferred by injecting antibody‐ 

containing blood plasma from an immune 

individual into a nonimmune individual. As you will 

see in Module 24.9, antibodies mark invaders by 

binding to them. The resulting antigen‐ antibody 

complexes are easily recognized for destruction 

and disposal by phagocytic cells.  

The second type of adaptive immunity, 

produced by T cells (Figure 24.5B, right), is called 

the ce l l ‐mediated   immune   response . As its 

name implies, this defensive system results from 

the action of defensive cells, in contrast to the 

action of free‐ floating defensive antibody proteins 

of the humoral response. Certain T cells attack 

body cells infected with bacteria or viruses. Other T 

cells function indirectly by promoting phagocytosis 

by other white blood cells and by stimulating B 

cells to produce antibodies. Thus, T cells play a part 

in both the cell‐ mediated and humoral immune 

responses.  

When a B cell develops in bone marrow or a T 

cell develops in the thymus, certain genes in the 

Humoral immune response  

Cell‐ mediated immune response 

cell are turned on. This causes the cell to synthesize molecules of a specific protein, which are then incorporated into the 

plasma membrane. As indicated in Figure 24.5A, these protein molecules stick out from the cell’s surface. The molecules 

are ant igen   receptors , capable of binding one specific type of antigen. Each B or T cell has about 100,000 antigen 

receptors, and all the receptors on a single cell are identical— they all recognize the same antigen. In the case of a B cell, 

the receptors are almost identical to the particular antibody that the B cell will secrete. Once a B cell or T cell has its 

surface proteins in place, it can recognize a specific antigen and mount an immune response against it. One cell may 

recognize an antigen on the mumps virus, for in‐stance, while another detects a particular antigen on a tetanus‐causing 

bacterium. In Figure 24.5A, you can see that after the B cells and T cells have developed their antigen receptors, these 

lymphocytes leave the bone marrow and thymus and move via the blood‐stream to the lymph nodes, spleen, and other 

parts of the lymphatic system. In these organs, many B and T cells take up residence and encounter infectious agents 

that have penetrated the body’s outer defenses. Because lymphatic capillaries extend into virtually all the body’s tissues, 

bacteria or viruses infecting nearly any part of the body eventually enter the lymph and are carried to the lymphatic 

organs. As we will describe in Module 24.7, when a B or T cell within a lymphatic organ first con‐fronts the specific 

antigen that it is programmed to recognize, it differentiates further and becomes a fully mature component. 

 

An enormous diversity of B cells and T cells develops in each individual. Researchers estimate that each of us has mil‐

lions of different kinds— enough to recognize and bind to virtually every possible antigen. A small population of each 

kind of lymphocyte lies in wait in our body, genetically programmed to recognize and respond to a specific antigen. Only 

a tiny fraction of the immune system’s lymphocytes will ever be used, but they are all available if needed. It is as if the 

immune system maintains a huge standing army of soldiers, each made to recognize one particular kind of invader. The 

majority of soldiers never encounter their target and remain idle. But when an invader does appear, chances are good 

that some lymphocytes will be able to recognize it, bind to it, and call in reinforcements. We’ll take a closer look at the 

different types of T cells in Modules 24.11 and 24.12. 

   

  Contrast the targets of the humoral immune response with those of the cell‐ mediated immune 

response. 

Answer 

24.6 Antigens have specific regions where antibodies bind to them

As molecules that elicit the adaptive immune response, anti‐gens usually do not belong to the host animal. Most 

antigens are proteins or large polysaccharides that protrude from the surfaces of viruses or foreign cells. Common 

examples are protein‐ coat molecules of viruses, parts of the capsules and cell walls of bacteria, and macromolecules on 

the surface cells of other kinds of organisms, such as protozoans and parasitic worms. (Sometimes a particular microbe 

is called an antigen, but this usage is misleading because the microbe will almost always have several kinds of antigenic 

molecules.) Other sources of antigenic molecules include blood cells or tissue cells from other individuals, of the same 

species or of a different species. Antigenic molecules are also found dissolved in body fluids; foreign molecules of this 

type include bacterial toxins and bee venom.  

As shown in Figure 24.6, an antibody usually 

recognizes and binds to a small surface‐ exposed region 

of an antigen called an ant igenic  determinant , also 

known as an epitope. An antigen‐ binding site, a specific 

region on the antibody molecule, recognizes an antigenic 

determinant by the fact that the binding site and 

antigenic determinant have complementary shapes, like 

an enzyme and substrate or a lock and key. An antigen 

usually has several different determinants (there are 

three in the diagram here), so different antibodies (two, 

in this case) can bind to the same antigen. A single kind of antigen molecule may thus stimulate the immune system to 

make several distinct antibodies against it. Notice that each antibody molecule has two identical antigen‐ binding sites. 

We’ll return to antibody structure in Module 24.8. But first let’s see how the body produces large quantities of 

antibodies and defensive cells in response to specific infections. 

   

  Why is it inaccurate to refer to a pathogen, such as a virus, as an antigen? 

Answer 

24.7 Clonal selection musters defensive forces against specific antigens

 The immune system’s ability to defend against a wide variety of antigens depends on a process known as clonal 

selection. Once inside the body, an antigen encounters a diverse pool of B and T lymphocytes. However, one particular 

antigen inter‐acts only with the tiny fraction of lymphocytes bearing receptors specific to that antigen. Once activated by 

the antigen, these few “selected” cells proliferate, forming a clone— a genetically identical population— of thousands of 

cells all specific for the stimulating antigen. This antigen‐ driven cloning of lymphocytes— clonal selection— is a vital 

step in the adaptive immune response against infection.  

The Steps of Clonal Selection Figure 24.7A indicates how clonal selection of B cells works in the humoral immune 

response.  (A similar mechanism activates clonal selection for T cells in the cell‐ mediated immune response.) The row 

of three cells at the top of the figure represents a vast repertoire of B cells in a lymph node. Notice that each lymphocyte 

has its own specific type of antigen receptor embedded in its surface (represented by different colors in the figure). The 

cells’ receptors are in place before they ever encounter an antigen. The first time an antigen enters the body and is 

swept into a lymph node, antigenic determinants on its surface bind to the few B cells that happen to have 

complementary receptors. Other lymphocytes, without the appropriate binding sites (in the figure, the ones with the 

green and blue receptors), are not affected.  

 

Primed by the interaction with the antigen,the selected cell is activated: It grows, divides, and differentiates into 

two genetically identical yet physically distinct types of cells. Both newly produced types of cells are specialized for 

defending against the very antigen that triggered the response.  

One group of newly cloned cells is short‐ lived but fast‐ acting ef fector  ce l l s , which combat the antigen. 

Because the example in the figure involves B cells, the effector cells produced are plasma  ce l l s . Each plasma cell 

secretes antibody molecules into the blood and lymph, all of the same type. Each plasma cell makes as many as 2,000 

copies of its antibody per second and thus requires large amounts of endoplasmic reticulum, a characteristic of cells 

actively synthesizing and secreting proteins. The secreted antibodies circulate in the blood and lymphatic fluid, 

contributing to the humoral immune response. Although highly effective at combating infection, each effector cell lasts 

only 4 or 5 days before dying off. 

 A second group of cells produced by the activated B cells is a smaller number of memory cells, which differ from 

effector cells in both appearance and function. In contrast to short‐lived effector cells, memory  ce l l s  may last for 

decades. They remain in the lymph nodes, poised to be activated by a second exposure to the antigen. In fact, in some 

cases, memory cells confer lifetime immunity, as they may after vaccination against such childhood diseases as mumps 

and measles. Steps 1– 5 show the initial phase of adaptive immunity, called the pr imary   immune   response . This 

phase occurs when lymphocytes are exposed to an antigen for the first time.  

When memory cells produced during the primary 

response are activated by a second exposure to the 

same antigen— which may occur soon or long after the 

primary immune response— they initiate the 

secondary   immune   response . This response is 

faster and stronger than the first. Another round of 

clonal selection ensues. The selected memory cells 

multiply quickly, producing a large second clone of 

lymphocytes that mount the secondary response. Like 

the first clone, the second clone includes effector cells 

that produce antibodies and memory cells capable of 

responding to future exposures to the antigen. In our 

example here with B cells, the secondary response 

produces very high levels of antibodies that, though 

they are short‐ lived, are often more effective against 

the antigen than those produced during the primary 

response. 

 The concept of clonal selection is so fundamental to 

under‐standing adaptive immunity that it is worth 

restating: Each antigen, by binding to specific receptors, selectively activates a tiny fraction of lymphocytes; these few 

selected cells then give rise to a clone of many cells, all specific for and dedicated to eliminating the antigen that started 

the response. Thus, we see that the versatility of 

the adaptive immune response depends on a great 

diversity of preexisting lymphocytes with different 

antigen receptors.  

Primary versus Secondary Immune

Responses Now that we have seen how clonal 

selection works, let’s take a look at the two phases 

of the adaptive immune response in an individual. 

The blue curve in Figure 24.7B illustrates the 

difference between the two phases, triggered by 

two exposures to the same antigen. On the far left 

of the graph, you can see that the primary 

response does not start right away; it usually takes several days for the lymphocytes to become activated by an antigen ( 

called X here) and form clones of effector cells. When the effector cell clone forms, antibodies start showing up in the 

blood, as the graph shows. During this delay, a stricken individual may become ill. The antibody level reaches its peak 2– 

3 weeks after initial expo‐sure. As the antibody levels in the blood and lymph rise, the symptoms of the illness typically 

diminish and disappear. The primary response subsides as the effector cells die out.  

     The second exposure to antigen X (at day 28 in the graph) triggers the secondary immune response. Notice that 

this secondary response starts faster than the primary response, typically in 2– 7 days, versus 10– 17 days. As 

mentioned, the secondary response is also of greater magnitude, producing higher levels of antibodies, and is more 

prolonged. This is why vaccination is so effective: The vaccine induces a primary immune response that produces 

memory cells; an encounter with the actual pathogen then elicits a rapid and strong secondary immune response.  

     The red curve in Figure 24.7B illustrates the specificity of the immune response. If the body is exposed to a 

different antigen (Y), even after it has already responded to antigen X, it responds with another primary response, this 

one directed against antigen Y. The response to Y is not enhanced by the response to X; that is, adaptive immunity is 

specific.  

Although we have focused on the humoral immune response (produced by B cells) in this module, clonal selection, 

effector cells, and memory cells are features of the cell‐ mediated immune response (produced by T cells) as well. In the 

next several modules, we discuss the humoral immune response further. After that, we focus on how the cell‐ mediated 

arm of the immune system helps defend the body against pathogens. 

 

  What is the immunological basis for referring to certain diseases, such as mumps, as childhood 

diseases? 

Answer 

24.8 Antibodies are the weapons of the humoral immune response

B cells are the “frontline warriors” of the humoral immune response. Plasma cells— the effector cells produced during 

clonal selection of B cells (as shown in Figure 24.7A)— make and secrete antibodies, proteins that serve as molecular 

weapons of defense.  

We have been using Y‐ shaped symbols to represent antibodies, and their shape actually does resemble a Y, as the 

computer‐ generated rendering of an anti‐body molecule in Figure 24.8A illustrates. Figure 24.8B is a simplified diagram 

explaining antibody structure. Each antibody molecule is made up of four polypeptide chains, two identical “heavy” 

chains and two identical “light” chains. In both figures, 

the parts colored in shades of pink represent the fairly 

long heavy chains of amino acids that give the molecule 

its Y shape. Bonds (the black lines in Figure 24.8B) at 

the fork of the Y hold these chains together. The two 

green regions in each figure are shorter chains of amino 

acids, the light chains. Each of the light chains is bonded 

to one of the heavy chains. As Figure 24.8A indicates, 

the bonded chains actually intertwine.  

An antibody molecule has two related functions in 

the humoral immune response: to recognize and bind 

to a certain antigen and to assist in neutralizing the 

antigen it recognizes. The structure of an antibody 

allows it to perform both of these functions. Notice in 

Figure 24.8B that each of the four chains of the 

molecule has a C ( constant) region, where amino acid 

sequences vary little among different antibodies, and a 

V ( variable) region, where the 

amino acid sequence varies 

extensively among 

antibodies. At the tip of 

each arm of the Y, a pair of 

V regions forms an 

ant igen ‐  binding  s i te , a 

region of the molecule 

responsible for the antibody’s 

recognition‐ and‐ binding 

function. A huge variety in 

the three‐ dimensional 

shapes of the binding sites 

of different antibody 

molecules arises from a 

similarly large variety in the 

amino acid sequences in the V 

regions; hence the term 

  

variable. The top left of Figure 24.8B illustrates such a fit, with the recognized antigen colored gold. The great structural 

variety of antigen‐ binding sites accounts for the diversity of lymphocytes and gives the humoral immune system the 

ability to react to virtually any kind of antigen.  

The tail of the antibody molecule, formed by the constant regions of the heavy chains, helps mediate the disposal of 

the bound antigen. Antibodies with different kinds of heavy‐ chain C regions are grouped into different classes. Humans 

and other mammals have five major classes of antibodies, called IgA, IgD, IgE, IgG, and IgM ( Ig stands for 

immunoglobulin, another name for antibody). Each of the five classes differs in where it’s found in the body and how it 

works. However, all five classes of antibodies perform the same basic function: to mark invaders for elimination. We 

take a closer look at this process next. 

 

 

 

   

How is the specificity of an antibody molecule for an antigen analogous to an enzyme’s specificity for 

its substrate?  

Answer 

  

24.9 Antibodies mark antigens for elimination

Antibodies do not kill pathogens. Instead, antibodies mark a pathogen by combining with it to form an antigen‐ antibody 

complex. Weak chemical bonds between antigen molecules and the antigen‐ binding sites on antibody molecules hold 

the complex together. Once marked in this manner, other immune system components bring about the destruction of 

the antigen.  

As Figure 24.9 illustrates, the binding of antibodies to antigens can trigger several mechanisms that disable or 

destroy an invader. In neutralization, antibodies bind to sur‐face proteins on a virus or bacterium, thereby blocking its 

ability to infect a host cell and presenting an easily recognized structure to macrophages. This increases the likelihood 

that the foreign cell will be engulfed by phagocytosis. Another an‐tibody mechanism is the agglutination ( clumping 

together) of viruses, bacteria, or foreign eukaryotic cells. Because each antibody molecule has at least two binding sites, 

antibodies can hold a clump of invading cells together. Agglutination makes the cells easy for phagocytes to capture. A 

third mech‐anism, precipitation, is similar to agglutination, except that the antibody molecules link dissolved antigen 

molecules to‐gether. This makes the antigen molecules precipitate; that is, they separate, in solid form, from the 

surrounding liquid. Precipitation, like the other effector mechanisms discussed so far, enhances engulfment by 

phagocytes.  

One of the most important steps in the humoral immune response is the activation of the complement system ( see 

Module 24.1) by antigen‐ antibody complexes. Activated complement system proteins ( right side of the figure) can 

attach to a foreign cell. Once there, several activated proteins may form a complex that pokes a hole in the plasma 

mem‐brance of the foreign cell, 

causing cell lysis, or rupture.  

Taken as a whole, this figure 

illustrates a fundamental concept 

of adaptive immunity: All 

antibody mechanisms involve a 

specific recognition‐ and‐ attack 

phase followed by a nonspecific 

destruction phase. Thus, the 

antibodies of the humoral 

immune response, which identify 

and bind to foreign invaders, 

work with the components of 

innate immunity, such as 

phagocytes and complement, to 

form a complete defense system. 

 

 

 

   

How does adaptive humoral immunity interact with the body’s innate immune system?  

Answer 

24.11 Helper T cells stimulate the humoral and cell- mediated immune responses

The antibody‐ producing B cells of the humoral immune response make up one army of the adaptive immune response 

network. The humoral defense system identifies and helps destroy invaders that are in our blood, lymph, or interstitial 

fluid— in other words, outside our body cells. But many invaders, including all viruses, enter cells and reproduce there. It 

is the cell‐ mediated immune response produced by T cells that battles pathogens that have already entered body cells.  

Whereas B cells respond to free antigens present in body fluids, T cells respond only to antigens present on the 

surfaces of the body’s own cells. Recall from Module 24.7 that effector cells act quickly against an antigen. There are 

two main kinds of effector T cells. Cytotox ic  T  ce l l s  attack body cells that are infected with pathogens; we’ll discuss 

these T cells in Module 24.12. Helper  T  ce l l s  play a role in many aspects of immunity. They help activate cytotoxic T 

cells and macrophages and even help stimulate B cells to produce antibodies. Other types of T cells include memory T 

cells, analogous to memory B cells.  

Helper T cells interact with other white blood cells— including macrophages and B cells— 

that function as ant igen ‐present ing  ce l l s   (APCs) . All of the cell‐ mediated immune 

response and much of the humoral immune response depend on the precise interaction of antigen‐ presenting cells and 

helper T cells. This interaction activates the helper T cells, which can then go on to activate other cells of the immune 

system. As its name implies, an antigen‐ presenting cell presents a foreign antigen to a helper T cell. Consider a typical 

antigen‐presenting cell, a macrophage. As shown in Figure 24.11, the macrophage ingests a microbe or other foreign 

particle and breaks it into fragments— foreign antigens  . Then molecules of a special protein  belonging to the 

macro‐phage, which we will call a se l f  prote in  (because it belongs to the body), bind the foreign antigens— 

nonsel f  molecules— and display them on the cell’s surface. (Each of us has a unique set of self proteins, which 

serve as identity markers for our body cells.) Helper T cells recognize and bind to the combination of a self protein and 

a foreign antigen— called a self‐nonself complex  — displayed on an antigen‐ presenting cell. This double‐ 

recognition system is like the system banks use for safe‐ deposit boxes: Opening your box requires the banker’s key 

along with your specific key.  

The ability of a helper T cell to specifically recognize a unique self‐ nonself complex on an antigen‐ presenting cell 

depends on the receptors (purple) embedded in the T cell’s plasma membrane. A T cell receptor actually has two binding 

sites: one for antigen and one for self protein. The two binding sites enable a T cell receptor to recognize the overall 

  

shape of a self‐ nonself complex on an antigen‐ presenting cell. The immune response is specific because the receptors 

on each helper T cell bind only one kind of self‐ nonself complex on an antigen‐ presenting cell.  

The binding of a T cell receptor to a self‐ nonself complex activates the helper T cell. Several other kinds of signals can 

enhance this activation. For example, certain proteins secreted by the antigen‐ presenting cell, such as interleukin‐ 1 ( 

green arrow), diffuse to the helper T cell and stimulate it.  

Activated helper T cells promote the immune response in several ways, with a major mechanism being the secretion 

of additional stimulatory proteins. One such protein, interleukin‐ 2 ( blue arrows), has three major effects. First, it 

makes the helper T cell itself grow and divide, producing both memory cells and additional active helper T cells. This 

positive‐ feedback loop amplifies the cell‐ mediated defenses against the antigen at hand. Second, interleukin‐ 2 helps 

activate B cells, thus stimulating the humoral immune response. And third, it stimulates the activity of cytotoxic T 

cells, our next topic.   

 

 

   

How can one helper T cell stimulate both humoral and cell‐mediated immunity? 

Answer 

  

24.12 Cytotoxic T cells destroy infected body cells

As you have just learned, two types of T cells participate in the cell‐ mediated immune response: helper T cells and 

cytotoxic T cells. Helper T cells activate many kinds of cells, including cytotoxic T cells, the only T cells that actually kill 

infected cells.  

Once activated, cytotoxic T cells identify infected cells in the same way that helper T cells identify antigen‐ presenting 

cells. An infected cell has foreign antigens— molecules belonging to the viruses or bacteria infecting it— attached to self 

proteins on its surface (Figure 24.12). Like a helper T cell, a cytotoxic T cell carries receptors that can bind with a self‐ 

nonself complex on the infected cell.  

Cytotoxic T cells also play a role in protecting the body against the spread of some cancers. About 20% of human 

cancers are caused by viruses. Examples include the hepatitis B virus, which can trigger liver cancer, and the human 

papillomavirus ( HPV), which can trig‐ger cervical cancer. When a human cancer cell harbors such a virus, viral proteins 

may end up on the surface 

of the infected cell. If they 

do, they may be recognized 

by a cytotoxic T cell, which 

can then destroy the 

infected cell, halting the 

proliferation of that 

cancerous cell.  

The self‐ nonself 

complex on an infected 

body cell is like a red flag to 

cytotoxic T cells that have 

matching receptors. As 

shown in the figure, a cytotoxic T cell binds to the infected cell. The binding activates the T cell, which then 

synthesizes several toxic proteins that act on the bound cell, including one called perforin ( ). Perforin is discharged 

from the cytotoxic T cell and attaches to the infected cell’s plasma membrane, making holes in it. T cell enzymes ( ) then 

enter the infected cell and promote its death by apoptosis, programmed cell death. The infected cell is destroyed, and 

the cytotoxic T cell may move on to destroy other cells infected with the same pathogen.  

 

 

 

   

Compare and contrast the T cell receptor with the antigen receptor on the surface of a B cell. 

Answer 

  

24.16 Malfunction or failure of the immune system causes disease

Our immune system is highly effective, protecting us against most potentially harmful invaders. But when the system 

fails to function properly, serious disease can result.  

Autoimmune  diseases   result when the immune system goes awry and turns against some of the body’s own 

molecules. In systemic lupus erythematosus (lupus), for example, B cells produce antibodies against a wide range of self 

molecules, such as histones and DNA released by the normal breakdown of body cells. Lupus is characterized by skin 

rashes, fever, arthritis, and kidney malfunction. Rheumatoid arthritis is another antibody‐ mediated autoimmune 

disease; it leads to damage and painful inflammation of the cartilage and bone of joints (Figure 24.16). In type 1 (insulin‐ 

dependent) diabetes mellitus, the insulin‐ producing cells of the pancreas are 

attacked by cytotoxic T cells. In multiple sclerosis ( MS), T cells react against the 

myelin sheath that surrounds parts of many neurons ( see Figure 28.2), causing 

progressive muscle paralysis. Recent re‐search suggests that Crohn’s disease, a 

chronic inflammation of the digestive tract, may be caused by an autoimmune 

reaction against normal flora (bacteria) that inhabit the intestinal tract.  

Gender, genetics, and environment all influence susceptibility to autoimmune 

disorders. For example, many autoimmune diseases afflict females more than 

males; women are two to three times more likely to suffer from MS and 

rheumatoid arthritis and nine times more likely to develop lupus. The cause of this 

sex bias is an area of active research and debate.  

Most medicines for treating autoimmune diseases either suppress immunity in general or are limited to the 

alleviation of specific symptoms. However, as research scientists learn more about these diseases and about the normal 

operation of the immune system, they hope to develop more effective therapies.  

In contrast to autoimmune diseases are a variety of defects called immunodef ic iency  diseases  in which an 

immune response is defective or absent. People born immunodeficient are thus susceptible to frequent and recurrent 

infections. In the rare congenital disease severe combined immunodeficiency (SCID), both T cells and B cells are absent 

or inactive. People with SCID are extremely vulnerable to even minor infections. Until recently, their only hope for 

survival was to live behind protective barriers (providing inspiration for “bubble boy” stories in the popular media) or to 

receive a successful bone marrow transplant that would continue to supply functional lymphocytes. Since the early 

1990s, medical researchers have been testing a gene therapy for this disease, with some success (see Module 12.10). 

Immunodeficiency is not always an inborn condition; it may be acquired later in life. In addition to AIDS, another 

example is Hodgkin’s disease, a type of cancer that damages the lymphatic system and can depress the immune system. 

Radiation therapy and the drug treatments used against many cancers can also disrupt the immune system. There is 

growing evidence that physical and emotional stress can harm immunity. Hormones secreted by the adrenal glands 

during stress affect the numbers of white blood cells and may suppress the immune system in other ways. The 

association be‐tween emotional stress and immune function also involves the nervous system. Some neurotransmitters 

secreted when we are relaxed and happy may enhance immunity. In one study, college students were examined just 

after a vacation and again during final exams. Their immune systems were impaired in various ways during exam week; 

for example, interferon levels were lower. These and other observations indicate that general health and state of mind 

affect immunity. 

 

 

 

What is a probable side effect of autoimmune disease treatments that suppress the immune system? 

Answer