Einführung in die Immunbiologie Reihe 1 Verlauf Material S1 LEK Glossar Mediothek Materialübersicht " M1 (Ab) Krankheitserreger M2 (Ta) Das Immunsystem – eine Übersicht M3 (Ab) Die unspezifische Immunabwehr M4 (Ab) Die spezifische Immunabwehr M5 (Ab) Die humorale Immunantwort M6 (Ab) Cytokine – Botenstoffe des Immunsystems M7 (Ab) Antikörper M8 (Ab) Die zellvermittelte Immunantwort M9 (Tb) Überblick über das Immunsystem M 10 (Ab) Die Schutzimpfung M 11 (Ab) Monoklonale Antikörper II/C U A H C M 12 (Ab) Selbst und Fremd M 13 (Ex) Blutgruppenbestimmung M 14 (Ab) Fehlfunktionen des Immunsystems M 15 (Ab) Aids S R Die Erläuterungen und Lösungen finden Sie ab Seite 20. M1 O V Krankheitserreger Aufgabe Recherchieren Sie in Partnerarbeit im Internet oder in Fachbüchern zu den folgenden Gruppen von Mikroorganismen: a) Viren b) Bakterien c) Pilze d) Einzeller (Protozoen) Beantworten Sie dabei für jede Gruppe die folgenden Fragen: 1. Geben Sie an, wie groß die unterschiedlichen Mikroorganismen ungefähr sind (nennen Sie dabei im Hinblick auf die Größe eine Bandbreite). 2. Nennen Sie mindestens drei Artbeispiele pro Gruppe. 3. Erläutern Sie, welche Krankheiten von diesen Mikroorganismen übertragen werden. 4. Gibt es auch nützliche Mikroorganismen? Führen Sie, wenn möglich, Beispiele auf. 5. Beschreiben Sie in wenigen Stichworten, wie sich die einzelnen Gruppen vermehren. zur Vollversion 51 RAAbits Biologie Januar 2007 Einführung in die Immunbiologie Reihe 1 M2 Verlauf Material S2 LEK Glossar Mediothek Das Immunsystem – eine Übersicht Das menschliche Immunsystem hat die Aufgabe, uns vor Krankheitserregern zu schützen. Es besteht aus einem Netzwerk aus Organen, Zellen, Abwehr- und Botenstoffen. Im Laufe der Evolution haben sich zwei aufeinander abgestimmte Abwehrsysteme entwickelt: die angeborene, unspezifische Abwehr und die spezifische Abwehr. Letztere wird erst im Laufe des Lebens aufgebaut und immer wieder neu angepasst. II/C Unspezifische Abwehr • Haut • Schleimhäuteund derenSekrete(auch Magensäure) • Phagozytotischeweiße Blutzellen • BakterizideundvirostatischeProteine • Entzündungsreaktion U A Spezifische Abwehr • Lymphozyten • Antikörper H C S R Abbildung 1: Diese Stäbchenbakterien (Vibrio Cholerae) sind die Krankheitserreger der Cholera O V Abbildung 2: Übersicht über das Immunsystem (unspezifische und spezifische Immunantwort) 51 RAAbits Biologie Januar 2007 zur Vollversion Einführung in die Immunbiologie Reihe 1 M5 Verlauf Material S5 LEK Glossar Mediothek Die humorale Immunantwort Die Zellen der spezifischen humoralen Abwehr sind die B-Lymphozyten (B-Zellen). Beim Menschen werden sie im Knochenmark gebildet. Das „B“ soll an das Knochenmark erinnern (engl. bone marrow). Es gibt folgende B-Lymphozytenarten: • B-Zellen: Die Zellmembran der B-Zellen besitzt viele Rezeptoren für ein bestimmtes Antigen. Eine bestimmte B-Zelle kann also nur ein Antigen spezifisch erkennen und binden. B-Zellen erkennen frei umherschwimmende Antigene, die sich außerhalb der Körperzellen befinden, wie z. B. die meisten Bakterien. Beim Kontakt einer B-Zelle mit einem passenden Antigen teilt sich diese mehrfach, es entstehen viele gleichartige B-Zellen (Zell-Klon). Die meisten dieser B-Zellen entwickeln sich zu Plasmazellen, einige zu Gedächtniszellen. Die B-Zelle kann man sich auch als eine kleine Fabrik mit wenig Produktionsfläche vorstellen. II/C U A • B-Plasmazellen: Sie sind deutlich größer als die ursprünglichen B-Zellen und produzieren riesige Mengen spezifischer Antikörper (10 Millionen Antikörper pro Stunde und Zelle). Die Plasmazellen leben nur wenige Wochen. Aus der kleinen Fabrik ist nun eine große geworden: Die Produktionsfläche wurde extrem erweitert und es werden Antikörper am Fliessband hergestellt. H C • B-Gedächtniszellen: Sie speichern Informationen über ein bestimmtes Antigen und stimulieren bei erneutem Antigenkontakt die rasche Bildung von Plasmazellen, die wiederum die passenden Antikörper erzeugen. Gedächtniszellen sind langlebig. S R Die Aktivierung von B-Zellen Die Aktivierung von B-Zellen verläuft in zwei Schritten. Der erste Schritt ist die Bindung eines passenden Antigens an die spezifischen Rezeptoren der B-Zellen. Im zweiten Schritt sind Makrophagen und bestimmte T-Zellen, die sogenannten T-Helferzellen (T H-Zellen), beteiligt. O V Dringt ein Fremdstoff in den Körper ein, so wird er von Makrophagen gefressen oder spezifisch von B-Zellen erkannt und gebunden (1). Im Zellinneren werden die Eindringlinge abgebaut und Teile der Antigene an sogenannte MHCProteine der Makrophagen bzw. der B-Zellen gebunden (2). Dieser MHC-Antigen-Molekülkomplex wird in die Zellmembran integriert, womit Makrophagen und B-Zellen zu sogenannten antigenpräsentierenden Zellen (APC) geworden sind (3). Die T-Helferzellen (T H-Zellen) besitzen ebenfalls spezifische Rezeptoren, die den Komplex aus Antigenteilen und MHC-II-Proteinen erkennen. Durch eine Bindung an den MHC-AntigenKomplex werden die T H -Zellen aktiviert: Sie teilen sich und auch die Nachkommenzellen sind auf diesen bestimmten Molekülkomplex MHC-Proteine (major histocompatibility complex = Gewebsverträglichkeits-Proteine) spielen eine sehr wichtige Rolle im Immunsystem: Sie ermöglichen die Selbst-FremdErkennung, indem sie die Zellen eines Organismus als körpereigene Zellen markieren und so wie ein Art „Ausweis“ fungieren. MHC-Proteine sind auf allen Zellen des Körpers zu finden. Es gibt zwei Klassen dieser Proteine (MHC-I, MHC-II), die sich in ihrem Bau unterscheiden. MHC-Klasse-I-Proteine befinden sich auf allen kernhaltigen Zellen, also auf fast allen Körperzellen. MHC-Klasse-II-Proteine finden sich auf Makrophagen und B-Zellen. Da es mindestens 20 MHC-Gene gibt und zahlreiche Allele jedes Gens, ist es so gut wie unmöglich, dass zwei Menschen die gleichen MHC-Marker auf ihren Zellen tragen. zur Vollversion 51 RAAbits Biologie Januar 2007 Einführung in die Immunbiologie Reihe 1 Verlauf Material S6 LEK Glossar Mediothek spezialisiert. Wurde eine T H-Zelle durch Bindung eines Antigen-MHC-Komplexes aktiviert, so produziert sie Cytokine. Dabei handelt es sich um Botenstoffe, mit denen die Zellen des Immunsystems kommunizieren. Die Cytokine aktivieren nun ganz spezifisch solche B-Zellen, die mit dem Antigen bereits Kontakt hatten (4). Die Kombination aus diesen beiden Schritten ist das Signal für die B-Zelle, sich zu teilen und sich zu Plasmazellen zu differenzieren, die Antikörper produzieren (5). In der Regel bedarf es für eine humorale Immunantwort, also der Antikörperproduktion, sowohl die Antigenbindung durch B-Zellen als auch die Aktivierung durch die Cytokine der T-Helferzellen. II/C a U A H C S R O V Ablauf einer humoralen Immunantwort: Die Nummern beziehen sich auf einzelne Textpassagen Aufgabe 1 Bei der Immunabwehr wird zwischen primärer und sekundärer Immunantwort unterschieden. Erläutern Sie, was damit gemeint ist. Aufgabe 2 Erklären Sie den Begriff „immunologisches Gedächtnis“. Aufgabe 3 Das Immunsystem jedes Menschen muss lernen, was fremd und was nicht fremd ist. Wie und wann könnte das geschehen? Aufgabe 4 Die MHC-Protein-Kombination eines Menschen ist einzigartig. Welche Ausnahme gibt es? 51 RAAbits Biologie Januar 2007 zur Vollversion Einführung­in­die­Immunbiologie Reihe 1 M7 Verlauf Material S­8 LEK Glossar Mediothek Antikörper Antikörper sind­Proteine,­die­Antigene­sehr­wirkungsvoll­erkennen­und­binden­können.­ Gegen­jedes­körperfremde­Antigen­wird­ein­eigener­Antikörper­gebildet!­Es­gibt­also­mehrere­ Millionen­Antikörpertypen.­Antikörper­zerstören­Fremdstoffe­in­der­Regel­nicht­direkt,­sie­ lösen­vielmehr­Reaktionen­aus,­die­zu­deren­Zerstörung­führen:­ •­ Neutralisation:­Antikörper­binden­an­ein­Antigen,­wodurch­dieses­blockiert­wird­(z.­B.­ kann­ein­Virus,­dessen­Rezeptoren­mit­Antikörpern­blockiert­sind,­nicht­mehr­in­eine­ Zelle­eindringen).­ II/C •­ Das­„Bepflastern“­ von­Erregern­ oder­Fremdstoffen­ mit­Antikörpern­ markiert­diese­ Eindringlinge als „fremd“­und­sie­werden­von­Fresszellen­aufgenommen. •­ Antikörper­weisen­zwei­Antigenbindungsstellen­auf.­Dadurch­kann­es­zu­großen­AntigenAntikörper-Komplexen­kommen,­die­von­Fresszellen­aufgenommen­werden.­ U A •­ Antikörper­aktivieren­das­Komplementsystem­(siehe­M­8). Antikörper­heißen­auch­Immunglobuline­(Ig).­Es­gibt­fünf­Klassen­(IgG,­IgM,­IgE,­IgA,­IgD)­ von­Antikörpern,­die­auf­verschiedene­Arten­von­Antigenen­zu­jeweils­anderen­Zeitpunkten­ einer­Infektion­und­an­unterschiedlichen­Stellen­des­Körpers­wirken. H C S R O V Ein­Antikörper­besteht­aus­vier­ Polypeptidketten:­ zwei­ ident ischen­ schweren Ket ten­ und­zwei­identischen­leichten­ Ketten.­ Beide­ besitzen­ eine­ konstante Region­(die­Aminosäuresequenz­ variiert­ kaum)­ und­ eine­ variable­ Region­ (die­Aminosäuresequenz­variiert­stark).­Die­variablen­Enden­ des­ Y-förmigen­ Moleküls­ sind­ die­Antigenbindestellen.­ Abbildung­:­Auf bau­eines­Antikörpers Aufgabe 1 Beschreiben­Sie,­mit­welcher­Struktur­ Antikörper­ein­Antigen­erkennen. Aufgabe 2 Erläutern­ Sie,­ auf­ welche­ Weise­ Antikörper­Antigene­„zerstören“.­ Abbildung­2:­Ausbildung­eines­Antigen-AntikörperKomplexes­mithilfe­von­Antikörpern­ 51 RAAbits Biologie Januar 2007 zur Vollversion Einführung in die Immunbiologie Reihe 1 M9 Verlauf Material S 11 LEK Glossar Mediothek Überblick über das Immunsystem II/C U A H C S R O V zur Vollversion 51 RAAbits Biologie Januar 2007 Einführung in die Immunbiologie Reihe 1 M 11 Verlauf Material S 13 LEK Glossar Mediothek Monoklonale Antikörper Das Prinzip der Herstellung monoklonaler Antikörper geht auf Georges Köhler und Cesar Milstein zurück, die dafür im Jahr 1984 den Nobelpreis für Medizin verliehen bekommen haben. Mit ihrer Methode können Antikörper im Reagenzglas in beliebigen Mengen gegen jedes denkbare Antigen hergestellt werden. Monoklonale Antikörper sind heute aus der Medizin und der Forschung nicht mehr wegzudenken. Eine natürliche Antikörperproduktion verläuft polyklonal, d. h. es werden Antikörper gegen mehrere Antigene eines Fremdstoffes gebildet. Bei der Herstellung monoklonaler Antikörper werden antikörperproduzierende B-Zellen mit Zellen aus einem Myelom, einer Tumorart, dessen Zellen unbegrenzt teilungsfähig sind, verschmolzen. Es entstehen hybride Zellen, die unbegrenzt lebensfähig sind und Antikörper produzieren. II/C U A Ablauf bei der technischen Herstellung monoklonaler Antikörper: 1. Einer Maus wird ein bestimmtes Antigen gespritzt. 2. Es kommt zur Bildung von B-Plasmazellen, die Antikörper herstellen. 3. Die B-Zellen werden isoliert und mit Myelomzellen fusioniert. H C 4. Es entstehen hybride Zellen, die nur eine Sorte Antikörper produzieren. 5. Die verschiedenen Antikörper werden getestet. Dabei wird ermittelt, welcher Antikörper das Antigen am besten bindet und die entsprechende Hybridzelle selektiert. 6. Durch Zellteilung erhält man aus der Hybridzelle identische Nachkommenzellen (Klone), die alle den gewünschten monoklonalen Antikörper produzieren können. S R Monoklonale Antikörper spielen eine wichtige Rolle in der Diagnostik, weil sie sehr genau bestimmte Antigene (z. B. Krankheitserreger oder andere Moleküle) aufspüren und erkennen können. Ein bekanntes Beispiel ist der Schwangerschaftstest, bei dem Antikörper das Schwangerschaftshormon HCG (Human Chorion Gonadotropin) nachweisen. Einige Antikörper sind inzwischen auch als Medikamente zugelassen. Häufig werden sie bei Autoimmunerkrankungen oder Krebs eingesetzt. Seit 1998 existiert beispielsweise für das Non Hodgkin Lymphom, einem Lymphdrüsen-Krebs, ein Antikörper. Dieser erkennt die Krebszellen, bindet daran und markiert die Zellen auf diese Weise für eine Zerstörung. In Zukunft soll es auch monoklonale Antikörper gegen allergisches Asthma und Heuschnupfen geben. O V Aufgabe 1 Erläutern Sie die Bedeutung des Wortes „monoklonal“. Aufgabe 2 Beschreiben Sie die Eigenschaften von monoklonalen Antikörpern. Aufgabe 3 Bestimmte monoklonale Antikörper kommen im menschlichen Körper zum Einsatz. Ihre Herstellung erfolgt aber in Mäusen. Welches Problem ergibt sich daraus? zur Vollversion 51 RAAbits Biologie Januar 2007