Blutgruppen-Modell: Agglutinations-Reaktionen und

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Blutgruppen-Modell:
Agglutinations-Reaktionen und Vererbung
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Betriebsanleitung
0 ZWECK UND BESCHREIBUNG
Mit dem Blutgruppen-Modell können die Agglutinations-Reaktionen der AB0- und Rhesus-Blutgruppen demonstriert
und erarbeitet werden. Dies erfolgt mit Hilfe von Kunststoffsymbolen, die an einer Metalltafel magnetisch haften.
Man kennt heute über 130 verschiedene Blutgruppensysteme, deren Erblichkeit durch Familienuntersuchungen erwiesen ist. Was Blutgruppen sind, wie sie bestimmt werden,
welchen Erbgängen sie folgen und welche praktische Bedeutung sie haben, läßt sich am besten an den Beispielen
des klassischen AB0- und des Rhesus-Systems erläutern,
denen nach wie vor das größte Interesse zukommt. Die
Kenntnis der AB0-Blutgruppe ist bei Bluttransfusionen, die
Kenntnis des Rhesusfaktors bei der Vermeidung von vorgeburtlichen Kindesschädigungen von lebenserhaltender
Bedeutung. Vaterschaftsausschlüsse bei Unterhaltsklagen,
bei Vaterschaftsanfechtungsklagen und bei Kindesvertauschungen lassen sich in vielen Fällen bereits über die AB0und Rhesus-Bestimmung führen. Bei positiven serologischen Vaterschaftsnachweisen wird in jedem Fall eine Vielzahl weiterer Erythrozyten- und Serumgruppen hinzugezogen. In der Kriminalistik dient die Bestimmung der AB0Blutgruppe aus Blutflecken oder Speichel zur Identifizierung von Tätern, in der frühgeschichtlichen Forschung ermöglicht die Blutgruppenbestimmung aus Knochen Rückschlüsse auf frühe Populationswanderungen. Angesichts
der vielfachen Bedeutung der Blutgruppen stellen sie im
Rahmen der Humanbiologie ein reizvolles Thema dar, dessen Behandlung erfahrungsgemäß einige didaktische
Schwierigkeiten bereitet. Das nachstehend beschriebene
Modell ermöglicht eine klare und einprägsame Einführung
in das Zusammenspiel von Blutkörperchen-Antigenen und
Serum-Antikörpern bei der Blutgruppen-Agglutinationsreaktion sowie eine Einführung bzw. Vertiefung der Grundgedanken und -begriffe der Mendel-Genetik und Chromosomentheorie am Beispiel der AB0- und der Rhesus-Blutgruppen.
1.
BLUTGRUPPEN UND
AGGLUTINATIONSREAKTION
Unter Agglutination versteht man die Zusammenballung der
roten Blutkörperchen, die eintritt, wenn man einen Tropfen
Blut einer Person mit einem Tropfen Serum einer bestimmten anderen Person vermischt. Ehe man die Agglutinationsreaktion und die Blutgruppen anhand des Modells erklärt, sollte man eine Blutgruppenbestimmung praktisch
durchführen (z.B. mit künstlichem Blut 64240.00 bzw.
64241.00).
1.1 AB0-Blutgruppen
Zur Erklärung von Befunden über das AB0-Blutgruppensystem benötigt man aus dem Symbolsatz
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die drei roten Scheiben, welche rote Blutkörperchen
darstellen,
die an den Scheiben anschiebbaren Antigen-Symbole
mit den Aufschriften A (dunkelblau) und B (orange)
die Symbole der Antikörper mit den Aufschriften Anti-A
(hellblau) und Anti B (hellgelb)
(Die Farben der Antikörper-Symbole entsprechen der Färbung der handelsüblichen Testseren Anti-A und Anti-B)
–
die Symbole der Blutgruppenbezeichnungen A, B, AB,
0 (weiß).
Damit lassen sich folgende Befunde und Interpretationen
veranschaulichen:
1.1.1 Zustandekommen der Agglutination
Man schiebt an die drei Blutkörperchenscheiben gleichabständig je 5 Antigensymbole A und fügt die drei Antikörpersymbole Anti-A hinzu. Das Zusammenpassen der Spitze
des Antigen-Symbols mit der Kerbe des Antikörper-Symbols veranschaulicht die Schlüssel-Schloß-Vorstellung der
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Antigen-Antikörper-Beziehung, die beiden einander gegenüberliegenden Kerben den Begriff des „bivalenten Antikörpers“, der sich mit zwei Antigenen verbinden kann. Über
die drei bivalenten Antikörper können die drei Modellblutkörperchen „agglutiniert“ werden. Entsprechendes gilt für
die Antigensymbole B und die Antikörper Symbole Anti-B
(Abb. 1).
1.1.2 Bestimmung der ABO-Blutgruppen
Es kommt darauf an, zu verdeutlichen, daß die Blutgruppenzugehörigkeit sich auf die Blutkörperchen-Antigene bezieht.
Um die vier Fälle von Abb. 2 nacheinander durchzuspielen,
schiebt man jeweils die Antigensymbole einer Zeile des
Schemas an die Modellblutkörperchen und fügt die Antikörpersymbole Anti-A bzw. Anti-B der Testseren hinzu. So
lassen sich die Ergebnisse der Agglutinationstabelle veranschaulichen. Es wird deutlich, daß Träger der Blutgruppe
AB beide Antigene besitzen und es deshalb sowohl mit
Anti-A als auch mit Anti-B Serum zur Agglutination kommt,
andererseits Träger der Blutgruppe 0 weder Antigen A
noch Antigen B besitzen und es deshalb mit keinem der beiden Testseren zur Agglutination kommt.
Abb.2: Schema zur Blutgruppenbestimmung
1.1.3 Bluttransfusionsschema
Hier ist es wichtig, das natürliche Vorkommen der Anti-A
bzw. Anti-B Antikörper im Blutserum bei Personen der Blutgruppen A, B und 0 zu betonen („Isoantikörper“) und hervorzuheben, daß Transfusionsunfälle vor der Kenntnis der
Blutgruppen immer dann aufgetreten sind, wenn das Blutserum des Empfängers Antikörper enthielt, welche Blutkörperchen des Spenders agglutinieren konnten.
Zur Veranschaulichung der Verhältnisse kann man
zunächst die bei Trägern der verschiedenen Blutgruppen
vorkommenden Antigen-Antikörper-Kombinationen entsprechend dem Schema von Abb. 3 nacheinander an der
Magnettafel vorstellen: Dazu heftet man ein Modellblutkörperchen auf die linke Seite der Magnettafel, schiebt Antigen-A-Symbole an, Anti-B-Antikörpersymbole daneben und
das Symbol der Blutgruppe A darüber. Entsprechend kann
man die anderen Blutgruppen darstellen bzw. darstellen
lassen.
Um die Konsequenzen willkürlicher Transfusionen zu veranschaulichen, schreibt man über die linke Seite der
Magnettafel „Empfänger“, über die rechte Seite „Spender“,
heftet links ein Modellblutkörperchen mit Antigenen und die
drei Antikörpersymbole einer bestimmten Blutgruppe an
und rechts zwei Modellblutkörperchen mit Antigenensymbolen einer anderen Blutgruppe. Antikörpersymbole läßt
man rechts mit der Begründung weg, daß ihre Konzentration bei der Transfusion im Blut des Empfängers so stark
verdünnt wird, daß ihre Agglutinationswirkung auf Empfänger-Blutkörperchen vernachlässigt werden kann. Indem
man an die Spenderblutkörperchen nacheinander die Antigensymbole schiebt und die Transfusion durch eine Bewegung auf die linke Tafelseite hin simuliert, kann man anschaulich zeigen, wann Agglutination mit einem bestimmten Empfänger-Blut eintreten würde und wann nicht. Dabei
wird auch die Bezeichnung von Trägern der Blutgruppe AB
als „Universalempfänger“, von 0 als „Universalspender“
verständlich. Bezeichnungen, die allerdings heute keine
praktische Bedeutung mehr besitzen, da Transfusionen ohnehin nur zwischen Blut von Angehörigen der gleichen Blutgruppe durchgeführt werden.
Abb.3: Transfusionsschema
frei in Körperflüssigkeiten, wie z.B. in Speichel, in der Samenflüssigkeit oder im Urin. Auch daraus kann die Blutgruppe bestimmt werden, allerdings nicht aufgrund einer
Agglutinationsreaktion sondern aufgrund eines feinen Antigen-Antikörperniederschlags, eines sog. Präzipitats. Um
dies an der Magnettafel zu demonstrieren, fügt man zu
einer Reihe von freien Antigen-Symbolen die passenden
Antikörpersymbole und läßt diese auf beiden Seiten mit Antigenen absättigen. Die Blutgruppenbestimmung aus Speichel, z. B. von Briefmarken auf Erpresserbriefen oder aus
Samenflüssigkeit in Opfern von Sexualverbrechern, wird in
der Kriminalistik zur Einengung des Kreises potentieller
Täter eingesetzt.
1.1.5 Ergänzende Hinweise zu den Antigenen und
Antikörpern des AB0-Systems
Die AB0-Antigene sind in chemischer Hinsicht Mucopolysaccharide. Sie werden in den ersten Embryonalmonaten
gebildet, so daß eine Blutgruppenbestimmung schon beim
Neugeborenen mit Erfolg durchgeführt werden kann. Die
Isoantikörper Anti-A und Anti-B sind Proteine. Sie entwickeln sich erst im 3. bis 6. Monat nach der Geburt. In dieser Zeit erfolgt die Besiedlung des Darms mit Escherichia
coli-Bakterien, auf deren Zellwand man ebenfalls die Antigene A und B nachgewiesen hat. So kann man vermuten,
daß die Entstehung der Antikörper Anti-A und Anti-B von
den Escherichia coli Antigenen A und B ausgelöst wird:
Eine „0“ Person, die auf ihren Blutkörperchen weder Anoch B-Antigene trägt, immunisiert sich gegen die Escherichia coli Antigene, bildet also sowohl Anti-A als auch AntiB-Antikörper. Eine „A“-Person, für die das A-Antigen ja nicht
1.1.4 Ausscheidung von Blutgruppen-Antigenen
Bei 75% der weißen Bevölkerung kommen die Antigene
des AB0-Systems nicht nur auf den roten Blutkörperchen
und anderen Gewebezellen vor, sondern finden sich auch
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fremd ist, bildet nur Anti-B, eine „B“-Person nur Anti-A und eine „AB“-Person
weder Anti-A noch Anti-B. Dieser Vorstellung steht die Hypothese gegenüber, daß
die Anti-A und die Anti-B-Antikörper direkt unter genetischer Kontrolle entstehen.
1.2 Die Rhesus-Blutgruppen
Zur Erläuterung der Rhesus-Blutgruppen
benötigt man aus dem Symbolsatz
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–
–
2 Blutkörperchen-Symbole
die daran anschiebbaren AntigenSymbole mit der Aufschrift „Rh“ (dunkelgrün)
das Symbol der Antikörper mit der
Aufschrift „Anti-Rh“ (hellgrün)
die Symbole der Bezeichnungen
der Blutgruppen Rh* und rhAbb. 4:
Herüberschieben des Antikörpers, Verbindung der beiden
Blutkörperchen und schließlich durch ihre Entnahme kann
man die Blutkörperchenzerstörung im Kind andeuten. Der
austretende Blutfarbstoff bedingt die Gelbsucht des Neugeborenen, die ungenügende Sauerstoffversorgung die
Schädigung des Gehirns.
Da das Prinzip der Agglutionationsreaktion bereits bei den
AB0-Blutgruppen mit drei Blutkörperchen-Symbolen dargestellt wurde, kann man sich hier mit weniger Symbolen begnügen. Es kann veranschaulicht werden:
1.2.1 Die Bestimmung der Rhesus-Blutgruppe
Rhesuspositive Menschen (85% der Bevölkerung) tragen
auf ihren roten Blutkörperchen spezielle Rh*-Antigene - im
Modell durch Anschieben der Rh*-Symbole darstellbar -,
rhesusnegativen Menschen (15% der Bevölkerung) fehlt
dieses Antigen - im Modell durch die blanke Blutkörperchenscheibe ohne angeschobene Symbole darstellbar. Das
Rhesus-Testserum Anti-Rh* (=Anti-D), das aus Seren von
rhesusnegativen Menschen oder von Tieren, die mit Rh*Blutkörperchen immunisiert worden sind, gewonnen wird,
agglutiniert Rh*-Blut. Zur Demonstration der Rhesus-Bestimmung im Modell gibt man an der Magnettafel ein AntiRh*-Symbol zu zwei Modellblutkörperchen, die einmal je
ein Rh*-Antigen tragen, einmal ohne Antigen bleiben. Im ersten Fall kann man Agglutination zeigen, die Blutgruppe
wird mit Rh* bezeichnet, im zweiten Fall gibt es keine Agglutination, die Blutgruppe wird mit rh- bezeichnet.
1.2.3 Die Vermeidung der Sensibilisierung der Mutter
Spritzt man einer rhesusnegativen Mutter sofort nach der
Geburt ihres ersten rhesuspositiven Kindes eine bestimmte
Menge Rh*-Antikörper, so bildet sie selbst keine Antikörper.
Die Begründung hierfür kann man an der Magnettafel zeigen, wenn man wieder die Situation von Kind1 herstellt,
dann zwei Rh*-Blutkörperchen auf die Seite der Mutter
übertreten läßt („bei der Geburt“) und das Rh*-AntikörperSymbol hinzufügt („nach der Geburt“). Die übergetretenen
Blutkörperchen werden sofort agglutiniert und durch Abbau
unschädlich gemacht.
2. BLUTGRUPPEN UND IHRE VERERBUNG
Als Voraussetzung für den sinnvollen Einsatz dieser Modellerweiterungen zur Blutgruppengenetik sollte bei den
Schülern mindestens das Prinzip der Reduktion des diploiden Chromosomensatzes bei den Reifeteilungen und des
Zusammentretens haploider Keimzellen bei der Befruchtung bekannt sein. Sind darüber hinaus die Grundbegriffe
und -vorstellungen der Mendelgenetik und der Chromosomentheorie bereits an einem anderen Beispiel erarbeitet,
so kann bei der Behandlung der Genetik der AB0-Blutgruppen darauf zurückgegriffen werden. Neu einzuführen
sind dann lediglich Erscheinung und Begriff der multiplen
Allelie und der Kodominanz. Es ist aber durchaus möglich,
die Grundgedanken und Begriffe der Mendelschen Regeln
und der Chromosomentheorie der Vererbung mit Hilfe des
Blutgruppen-Modells erstmals einzuführen.
1.2.2 Die Rhesus-Unverträglichkeitsreaktion
Ein senkrechter Strich in der Mitte der Metalltafel markiere
die Membran zwischen mütterlichem, rhesusnegativem
Blut (links), dargestellt durch eine Blutkörperchenscheibe
(ohne anschiebbare Symbole) und kindlichem, rhesuspositivem Blut (rechts), dargestellt durch zwei Blutkörperchenscheiben mit angeschobenen Rh*-Antigen-Symbolen (vergleiche dazu Abb. 4). Während der Geburt des ersten Kindes (Kind1) treten bei der Ablösung des Mutterkuchens
Blutkörperchen des Kindes in den mütterlichen Kreislauf
über, was man durch Wegwischen eines Teils der Membranlinie und Hindurchschieben eines Blutkörperchens von
rechts nach links simuliert. Die von den Rh*-Antigen veranlaßte Produktion von Rh*-Antikörpern deutet man durch
Hinzufügen des entsprechenden Symbols an. Die Verhältnisse während einer zweiten Schwangerschaft kann man
veranschaulichen, wenn man an der Tafel den Index von
Kind1 in Kind2 verwandelt, die Membranlinie wiederherstellt
und rechts das zweite Modellblutkörperchen wiedereinsetzt.
Im Unterschied zur ersten Schwangerschaft enthält jetzt
das Blut der Mutter Rh*-Antikörper. Diese treten bereits vor
der Geburt des Kindes durch die unverletzte Membran in
den Kreislauf des Kindes über und führen zur Agglutination
und anschließenden Auflösung von Blutkörperchen. Durch
2.1 AB0-Blutgruppen
Zur übersichtlichen Darstellung bzw. Ableitung der Grundkenntnisse über die Genetik der AB0-Blutgruppen enthält
der Symbolsatz zusätzlich streifenförmige Chromosomenmodelle. Auf ihnen sind an einer bestimmten Stelle außerhalb der Mitte, dem damit markierten Genort (Locus) die
Gen-(Allel-)symbole A oder B oder 0 aufgedruckt.
Diese sind in Kursivschrift gehalten, um sie von den Buchstaben A und B zu unterscheiden, die die Blutgruppen-Antigene bezeichnen. Die drei weißen Ringe, die ebenso wie
die Chromosomenstreifen auf den Blutkörperchenscheiben
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haften, sollen Zellkerne symbolisieren. Mit Ring versehene Blutkörperchenscheiben können dadurch wahlweise zu kernhaltigen Blutkörperchen-Bildungszellen (Erythroblasten)
umgedeutet werden.
2.1.1 Grundvorstellungen über die
Genetik der AB0-Blutgruppen
Entsprechend Abb. 5 heftet man eine
Blutkörperchenscheibe an die Magnettafel, erklärt sie durch Hinzufügen des Ringes zur kernhaltigen Bildungszelle und setzt ein Chromosomenpaar z.B. mit dem Genpaar AA
ein. Durch Aufschieben von AntigenSymbolen A und Anheftung des Symbols für die Blutgruppe A kann man
den Zusammenhang zwischen Gen
und Merkmal erläutern und die
Grundbegriffe einführen bzw. vertiefen:
↓ Abb. 6
Abb. 5
Unter der Wirkung eines Gens (Erbanlage, Allel) A entsteht in der Zelle
das Antigen A, wird in die Zellmembran eingebaut und kann mit dem
Anti-A-Serum nachgewiesen werden:
Blutgruppe A. Da bereits ein Allel A
zur Ausprägung des Merkmals
genügt und ein Allel 0 daneben keine
nachweisbare Wirkung entfallet, kann
das Erscheinungsbild, der Phänotyp
der Blutgruppe A, entweder vor dem
reinerbigen homozygoten Genotyp
AA, oder dem mischerbigen, heterozygoten Genotyp A0 herrühren. Deshalb bezeichnet man das Gen A als
dominant, das Gen 0 als rezessiv.
Entsprechendes gilt für die Blutgruppe B. Liegt dagegen der mischerbige Genotyp AB vor, so verwirklichen beide Gene nebeneinander ihre Antigenmerkmale A und B
und stellen den Blutgruppen-Phänotyp AB dar. Man bezeichnet deshalb
das Verhältnis der beiden Allele A
und B zueinander als kodominant.
Sind schließlich zwei rezessive
0-Allele vorhanden, so können weder
ein A noch ein B-Antigen ausgebildet
werden und es entsteht der Phänotyp
der Blutgruppe 0.
Bei den Gruppen AB und 0 kann im
Gegensatz zu den Gruppen A und B
somit eindeutig vom Phänotyp auf
den Genotyp geschlossen werden.
Die Tatsache, daß an einem Genort
mehr als zweierlei Allele vorkommen,
z.B. dreierlei, A, B oder 0, bezeichnet
man als multiple Allelie, die entsprechenden Allele als multiple Allele.
Eine einprägsame Zusammenfassung über den Zusammenhang von
Genotyp und Phänotyp kann man
unter Weglassung der Zellscheiben
entsprechend Abb. 6 zusammenstellen.
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Abb. 7
2.1.2 Erbgänge
der AB0-Blutgruppen
Mit Hilfe der Blutgruppen-Symbole für
den Phänotyp und der ChromosomenGen-Symbole für den Genotyp lassen
sich einfach und übersichtlich Erbgänge der AB0-Blutgruppen darstellen
(Abb. 7). Dabei kann für jeden Fall die
Wahrscheinlichkeit abgelesen werden,
mit der ein Kind eine bestimmte Blutgruppe erhalten wird. Im linken Beispiel
beträgt sie für jede Blutgruppe 25%, im
rechten 100% für die Blutgruppe 0.
2.1.3 Anwendungsbeispiele
Man kann mittels des Modells an folgendem Beispiel von den Schülern
Gutachterprobleme lösen lassen, wenn
man die Blutgruppen-Phänotypen der
Probanden vorgibt und die Genotypen
erschließen läßt. In einer Entbindungsanstalt wurden in einer Nacht vier Kinder geboren und versehentlich nicht
gekennzeichnet. Ihre Blutgruppen
konnten als A, AB, B und 0 ermittelt
werden. Die Bestimmung der Blutgruppen der Elternpaare ergab: 0x0, ABx0,
AxB und BxB. Welches Kind gehört
eindeutig zu welchem Elternpaar?
Indem man jedem Phänotypensymbol
an der Magnettafel die möglichen Kombinationen der Chromosomen-GenSymbole zuordnet, gelangt man durch
Ausschluß zur richtigen Lösung.
Abb. 8
2.2 Untergruppen A1 und A2
Während die Untergruppen des ABOSystems für Bluttransfusionen keine
Rolle spielen, ist ihre Kenntnis bei der
Erstellung von Vaterschaftsgutachten
mitunter von ausschlaggebender Bedeutung.
Je zwei Antigen-Symbole in der dunkelblauen Farbe von A tragen die Bezeichnungen A1 und A2. Sie weichen in
der Gestaltung der Spitze geringfügig
voneinander ab, so daß man veranschaulichen kann, daß beide mit dem
gewöhnlichen Anti-A-Serum reagieren können, es aber möglich ist, sie durch
Spezialseren Anti-A1 und Anti-A2 (auf deren Darstellung im Modell verzichtet
wurde) nachzuweisen. Zur Behandlung der Genetik der beiden Untergruppen
sind je drei Chromosomenstreifen vorgesehen mit den Aufdrucken A1 und A2.
Für die Lösung von Gutachteraufgaben ist die Kenntnis notwendig, daß sich
Gen A1 dominant über Gen A2 verhält. Folgendes Beispiel soll mit Hilfe des Modells gelöst werden:
Ein Kind hat die Blutgruppe A2, die Mutter 0. Der Ehemann mit der Blutgruppe
A1 beschuldigt einen Mann, Vater des Kindes zu sein, der ebenfalls die Blutgruppe A1 hat. Eine Entscheidung ist möglich durch den Befund, daß die Mutter des Ehemanns die Gruppe A1, die Mutter des Beschuldigten B hatte.
Zunächst stellt man mit den Blutgruppen-Symbolen den Fall dar (Abb. 8 oben),
dann fügt man mittels der Chromosomen-Gen-Symbole die möglichen Genoty5
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pen hinzu (Abb. 8 unten) und gelangt so zur Entscheidung, daß der Ehemann der Vater ist.
2.3 Rhesus-Blutgruppen
Die Genetik des vollständigen Rhesus-Systems
ist noch nicht restlos geklärt. Eine Theorie besagt, daß drei benachbarte Genorte mit je mindestens zwei Allelen C-c, D-d und E-e vorliegen,
wobei D=Rh* und d=rh- für die Sensibilisierungsreaktion verantwortlich ist. Im Modell sind lediglich diese beiden Gene vorgesehen und durch je
drei Chromosomenstreifen vertreten. Um zum
Ausdruck zu bringen, daß der Rhesus-Genort auf
einem anderen Chromosomenpaar liegt als der
Genort der AB0-Allele, sind die „Rhesus-Chromosomen“ kürzer gestaltet.
Abb. 9 zeigt die Modelldarstellung einer Blutkörperchenbildungszelle eines homozygoten, rhesuspositiven und die eines heterozygoten, rhesusnegativen Menschen. Daraus ist ersichtlich,
daß sich das Rh—Gen dominant gegenüber dem
rh—Gen verhält. Erbgänge und Anwendungsbeispiele bzgl. des Rhesusfaktors können analog zu
Abb. 7 und 8 dargestellt werden.
2.4 Dihybrider Erbgang
Die Kombination der Symbole des AB0-Systems
und des Rhesus-Systems gestattet die anschauliche Ableitung der Grundlagen für die Gesetzmäßigkeiten des dihybriden Erbganges. Entscheidend ist dabei die Demonstration der Zufälligkeit der Anordnungsmöglichkeiten der beiden
Chromosomenpaare bei der Reduktionsteilung.
Darüber hinaus bietet das Modell die Möglichkeit
an, die Konsequenzen durchspielen zu lassen,
die sich bei der Kombination eines kodominanten
und eines dominant-rezessiven Allelpaares für
die Zahl der Phänotypen ergeben. So dient das
Modell nicht nur zur Vermittlung und Veranschaulichung von Kenntnissen, sondern auch
als Anstoß zu problemlösendem Denken.
Abb. 9
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