כדי להגן מפני פתוגנים התפתחו מספר מנגנונים המזהים ומנטרלים אותם. אפילו במיקרואורגניזמים פשוטים כמו חיידקים קיימת מערכת אנזימים המגנה עליהם מפני זיהום נגיפי. מנגנונים חיסוניים פשוטים נוספים התפתחו באיקריוטיים הקדמוניים ונותרו בצאצאיהם המודרניים, כגון בצמחים ובחרקים. מנגנונים אלו כוללים בין היתר פפטידים אנטימיקרוביאלים הידועים כדפנסינים, פאגוציטוזה ומערכת המשלים. במהלך האבולוציה של בעלי-החוליות ובפרט בבני אדם, התפתחו מנגנוני הגנה מורכבים אף יותר, שהקנו יתרון לאורגניזמים שבהם התפתחו. אחד ממאפייניה הבולטים והחשובים של מערכת החיסון בבעלי חוליות, לצד יכולתה לזהות במדויק מספר עצום של פתוגנים, הוא הזיכרון החיסוני. חשיפה של מערכת החיסון לגורם זר או לפתוגן עמו היא התמודדה בעבר, מעוררת תגובת זיכרון (Memory Response), המתאפיינת במהירות גבוהה יותר ובעוצמה חזקה יותר. תגובת הזיכרון מאפשרת למערכת החיסון לפעול ביתר נמרצות כנגד הפתוגן, לסלקו ביעילות ולמנוע התפתחות מחלה.
חומר זר או פתוגן המסוגל לעורר את מערכת החיסון מכונה אנטיגן. חשיפה של מערכת החיסון לאנטיגן עשויה לגרום לסוגים שונים של תגובה חיסונית, בהתאם למאפייניו הביוכימיים של האנטיגן, אופן חדירתו לגוף וכמותו.
התגובה החיסונית.
התגובה החיסונית נחלקת אפוא לשני שלבים עיקריים, הקשורים זה בזה קשר הדוק: שלב הכרה ושלב תגובה. ראשיתה של התגובה החיסונית בהכרה, אשר משמעותה זיהוי הפתוגן על ידי מערכת החיסון. מערכת החיסון מסוגלת לזהות באופן ספציפי ומדויק מגוון עצום, למעשה כמעט אינסופי, של פתוגנים שונים, והיא מצטיינת בכושר הבחנה דק להבדלים מזעריים בין פתוגן אחד למשנהו. לאחר שמערכת החיסון מזהה גורם זר, כגון מיקרואורגניזם או פתוגן אחר, היא מפעילה נגדו תגובה חיסונית תוך גיוס מגוון רחב של תאים ומולקולות, הפועלים יחד במטרה לנטרל את הפולש הזר או לסלקו. תגובה חיסונית זו, שבאמצעותה מערכת החיסון מנטרלת או מסלקת את הפתוגן, מכונה "תגובה אפקטורית" (Effector Response). מערכת החיסון משתמשת במנגנונים אפקטוריים רבים ומגוונים, אשר כל אחד מהם מותאם לטיפול בסוג אחר של פתוגן.
מערכת החיסון מסוגלת להבחין בין "עצמי" ל"זר", כלומר בין מולקולות ותאים השייכים לגוף עצמו לבין מולקולות ותאים ממקור זר, באופן אשר מבטיח כי התגובה החיסונית תופעל אך ורק כנגד גורמים זרים לגוף. הבחנה זו בין "עצמי" ל"זר" מכונה סבילות חיסונית (), והיא מהווה מנגנון חיוני שתפקידו למנוע גרימת נזק עצמי לגוף. כאשר קיים פגם או ליקוי במנגנון הסבילות החיסונית עלולות להתפתח מחלות אוטואימוניות, שבהן מערכת החיסון תוקפת מרכיבים עצמיים של הגוף. הסבילות החיסונית היא גם מה שמקשה על מציאת תרומת איבר מתאים להשתלה.
חיסון מולד וחיסון נרכש.
מערכת החיסון נחלקת לשתי מערכות משנה: מערכת החיסון המולדת, המכונה גם חיסון מולד או חסינות מולדת (innate immunity), ומערכת החיסון הנרכשת, המכונה גם חיסון נרכש או חסינות נרכשת (acquired immunity ,adaptive immunity). שתי המערכות שונות זו מזו במהותן, אך הן שלובות זו בזו ופועלות בשיתוף פעולה ובתיאום. כל אחת משתי המערכות מפעילה מנגנונים שונים אשר מעוררים, מגבירים ומייעלים את התגובה של המערכת השנייה. יתרה מכך, שתי המערכות תלויות זו בזו: רכיבים שונים של מערכת החיסון המולדת נחוצים לצורך תפקודה היעיל של מערכת החיסון הנרכשת, ולהפך. שילוב זה בין שתי המערכות מאפשר הגנה מיטבית לגוף מפני פתוגנים.
ניתן לומר כי מערכת החיסון המולדת מהווה את קו ההגנה הראשון של הגוף מפני פתוגנים, מרגע החשיפה לאנטיגן ועד שמערכת החיסון הנרכשת נכנסת לפעולה. מנגנוני ההגנה הבלתי-ספציפיים של המערכת המולדת מצליחים, בדרך כלל, לסלק בכוחות עצמם את המיקרואורגניזמים והפולשים הזרים האחרים. מנגנוני החיסון הנרכש נחוצים לייעול התגובה החיסונית, בפרט כאשר מנגנוני ההגנה המולדים אינם אפקטיביים או כאשר פתוגנים מצליחים לחמוק מהם, וכן לצורך יצירת זיכרון חיסוני.
מערכת החיסון המולדת.
מערכת החיסון המולדת קיימת באורגניזם החל משלב ההתפתחות העוברית. ככלל, מערכת זו מתאפיינת בכך שרכיביה השונים פועלים באופן בלתי-ספציפי, כלומר כל תא או מולקולה השייכים אליה פועלים כנגד מגוון רחב של פתוגנים, רק על בסיס ההבחנה בין "עצמי" ל-"זר".
מחקרים מצאו כי תאי גזע מסוימים במוח, מקושרים למערכת החיסונית עוד לפני שעוברים התמיינות תאים לתאים במערכת החיסון. עוד נמצא כי תאים אלה הם בעלי זיכרון חיסוני שמאפשר להם "להפעיל" את מערכת החיסון כל פעם שיש צורך בכך.
מערכת החיסון המולדת כוללת ארבעה מנגנוני הגנה עיקריים:
מערכת החיסון הנרכשת.
מערכת החיסון הנרכשת מתפתחת במהלך חיי האורגניזם עקב חשיפתו לפתוגנים, והיא מתייחדת בכך שרכיביה פועלים באופן בררני וספציפי: כל תא או מולקולה המשתייכים אליה מסוגלים לפעול כנגד פתוגן מסוים אחד ויחיד. לכן, בניגוד לתגובה החיסונית המולדת, שהיא זהה באופן עקרוני בקרב כל הפרטים המשתייכים למין מסוים, התגובה החיסונית הנרכשת משתנה מפרט אחד באוכלוסייה למשנהו בהתאם לניסיון האישי שרכש, כלומר בהתאם לפתוגנים אליהם נחשף במהלך חייו. מאפיין מרכזי נוסף המייחד את מערכת החיסון הנרכשת הוא היכולת לייצר זיכרון חיסוני.
מערכת החיסון הנרכשת כוללת את הלימפוציטים מסוג B ו-T ואת הנוגדנים.
הזרועות האפקטוריות של מערכת החיסון.
מקובל לחלק את מנגנוני התגובה החיסונית, כלומר המנגנונים האפקטוריים, לשתי זרועות: זרוע הוּמוֹרָאלית וזרוע תאית. כל אחת משתי הזרועות כוללת הן מרכיבים בלתי-ספציפיים ממערכת החיסון המולדת והן מרכיבים ספציפיים ממערכת החיסון הנרכשת. שתי הזרועות פועלות בשיתוף פעולה ובוויסות הדדי.
הזרוע ההומוראלית (The Humoral Branch), המכונה גם תגובה הומוראלית (Humoral Response) או חסינות הומוראלית (Humoral Immunity) (הומוראלי = של נוזלי הגוף) מקנה הגנה בעיקר מפני מיקרואורגניזמים ופתוגנים חוץ-תאיים, אשר גדלים ומתרבים מחוץ לתאי המאכסן, בנוזלי הגוף.
הזרוע ההומוראלית כוללת שני מרכיבים עיקריים:
הזרוע התאית (The Cellular Branch), המכונה גם חסינות תאית (Cell-Mediated Response או Cellular Immunity), מספקת הגנה בעיקר מפני מיקרואורגניזמים ופתוגנים תוך-תאיים, אשר פולשים לתוך תאי המאכסן ומתרבים בתוכם, כגון נגיפים (וירוסים), חיידקים תוך-תאיים, פרוטוזואה וכיוצא באלה. כמו כן היא פועלת לחיסול תאים סרטניים ותאים שמקורם ברקמת שתל זרה. תפקיד מרכזי נוסף של הזרוע התאית הוא להפעיל ולווסת את התגובה ההומוראלית, ובפרט לשפעל לימפוציטים מסוג B שבאו במגע עם אנטיגן, ולגרום להם להתחלק ולהתמיין לתאי פלזמה מפרישי נוגדנים אשר מתאימים באופן ספציפי לאנטיגן זה.
הזרוע התאית כוללת מספר מרכיבים:
שתי מערכות החיסון, המולדת והנרכשת, עושות שימוש ברכיבים מן הזרוע ההומוראלית ומן הזרוע התאית. כך, המערכת המולדת כוללת את הפגוציטים השונים, תאי ההרג הטבעיים וכן את מערכת "המשלים". המערכת הנרכשת כוללת את הנוגדנים ואת הלימפוציטים מסוגים B ו-T. תאי ההרג הטבעיים, מערכת "המשלים" וחלק מהפאגוציטים, אשר משתייכים באופן עקרוני למערכת המולדת, הבלתי-ספציפית, פועלים לעיתים באופן ספציפי במנגנון מיוחד אשר נקרא הרעלת תאים תלוית נוגדנים (Antibody-Dependent Cell-Mediated Cytotoxicity, ובר"ת ADCC). במנגנון זה נוגדנים מזהים באופן ספציפי תאי מטרה, ומסמנים אותם כיעד לחיסול בידי תאי הרג טבעיים, מערכת "המשלים" ופגוציטים מסוימים.
תיאום התגובה החיסונית.
הפעלת תגובה חיסונית אפקטיבית, המשלבת תאים ומרכיבים רבים ושונים, מצריכה תיאום מורכב בין מערכת החיסון המולדת למערכת הנרכשת, ובין הזרוע ההומוראלית לזרוע התאית. תיאום זה מתבצע בעיקר בידי קבוצה של חלבונים המכונים ציטוקינים. הציטוקינים הם חלבונים או גליקופרוטאינים בעלי משקל מולקולרי נמוך, המופרשים על ידי תאי דם לבנים (לויקוציטים) ותאים אחרים בגוף בתגובה לגירויים שונים. הם משמשים כמעין שליחים המעבירים מסרים בין תאיה השונים של מערכת החיסון וכן בין מערכת החיסון ליתר תאי הגוף, ובכך הם מסייעים לוויסות התגובה החיסונית ולהסדרתה.
מערכת החיסון המולדת מעוררת ומכווינה את תגובות מערכת החיסון הנרכשת בעיקר על ידי הפרשת ציטוקינים מתאימים והצגת אנטיגנים (Antigen Presentation) לתאי T מסייעים (Th) על ידי תאים מציגי-אנטיגן. תאים מציגי-אנטיגן (תאים דנדריטיים, מקרופאגים ולימפוציטים מסוג B) בולעים אנטיגן בתהליך של אנדוציטוזה ולאחר מכן מציגים מקטעים פפטידיים של האנטיגן על שטח פני הממברנה שלהם על-גבי מולקולות MHC מטיפוס II. תאי T-המסייעים מזהים באמצעות קולטן תא ה-T שלהם (TCR) קומפלקסים אלה של אנטיגן הנישא על מולקולת MHC מטיפוס II, ובאמצעות סיגנל מעורר נוסף הניתן על ידי התא מציג-האנטיגן, הם עוברים שפעול ומסוגלים להתרבות ולגייס מגוון של תאים ומולקולות לתגובה חיסונית כנגד האנטיגן.