Immunbiologie
Skriptum
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Der Forschungsinhalt der Immunbiologie sind die Funktionen und Fehlfunktionen der körperlichen Abwehrmechanismen. Sie beschäftigt sich mit den biologischen und biochemischen Grundlagen des Immunsystems.
Antigene
Antigene sind Substanzen, die artfremd sind. Das Immunsystem erkennt, dass dieser Stoff nicht zu unserem Körper gehört und wird dadurch aktiviert. Die Bildung von Antikörpern wird angestoßen.
Antigene sind meistens Proteine, können aber auch Fette und Kohlenhydrate sein. Darüber hinaus können auch andere kleine Moleküle oder Ionen, die selbstständig keine Immunreaktion hervorrufen können, sondern erst durch die Bindung an ein körpereigenes Molekül Antigen-Eigenschaften erhalten, als Antigene fungieren. Diese Stoffe werden Haptene (halbe Antigene) genannt.
Die Bereiche von Antigenen, die von Antikörpern erkannt und gebunden werden könenn nennt man Epitope.
Antikörper
Antikörper werden von Plasmazellen produziert.
Bei der erworbenen Immunabwehr werden die B-Lymphozyten dazu gebracht, sich zu vermehren, in Plasmazellen zu differenzieren und Antikörper zu produzieren. Ein Synonym für Antikörper ist Immunglobulin (Ig).
Antikörper folgen dem Schlüssel-Schlossprinzip – das bedeutet, es gibt jeweils für ein Antigen nur einen Antikörper.
Antikörper sind Glykoproteine, die aus vier Ketten bestehen:
- zwei identische schwere Ketten
- zwei identische leichte Ketten
Diese Ketten sind über Disulfidbrücken miteinander verbunden.
Des Weiteren gibt es auf Antikörpern konstante und variable Domänen. Diese Aufteilung ist unabhängig von leichten und schweren Ketten. Im Gesamten erinnert die Anordnung der Kette an ein Y oder eine Steinschleuder.
Die Antikörper werden weiters in zwei weitere Fragmente eingeteilt:
- Fab-Fragment
- Fc-Fragment
Das Fab-Fragment enthält die variablen Domänen der leichten und schweren Kette, das Fc-Fragment enthält nur die schweren Ketten.
An der variablen Domäne und somit im Fab-Fragment des Antikörpers befindet sich das Paratop – das Gegenstück zum Epitop vom Antigen. Hier binden die Antikörper an das Antigen mit schwächeren intermolekularen Kräften.
Die Gelenksregion verbindet das Fab-Fragment mit dem Fc-Fragment.
Es gibt fünf unterschiedliche Klassen von Antikörpern. Die schwere Kette bestimmt die Zugehörigkeit eines Antikörpers zu einer Klasse.
Die Klassen dienen der Kategorisierung der Funktionen der Immunglobuline:
- IgM
Die Antikörper der IgM Klasse sind Pentamere, das bedeutet sie bestehen aus 5 Antikörpern. Das J-Peptid hält sie zusammen. Bei IgMs gibt es 10 Paratope, somit sind sie für eine Verklumpung von Antigenen geeignet. IgM Antikörper erkennen AB0-Blutgruppensysteme.
- IgG
Die Antikörper der IgG Klasse sind Monomere und die häufigsten Antikörper im Blutplasma. Diese Klasse ist als einzige plazentagängig. Das bedeutet sie erreicht auch den Embryo und bietet dem Neugeborenen einen Nestschutz durch die mütterliche IgG-Antikörper. Des Weiteren erkennt man an dieser Klasse die durchgemachten Infektion oder Impfungen.
- IgA
Die Antikörper der Klasse IgA sind die Dimere wirken hauptsächlich neutralisierend und spielen eine Rolle zwischen Mutter und Säugling.
- IgD
Die Antikörper der Klasse IgD kommen als Rezeptoren auf B-Zellen vor.
- IgE
Die Antikörper der Klasse IgE sind Monomere. Sie sind hauptsächlich verantwortlich bei der Parasitenabwehr, Aktivierung von Mastzellen und sie lösen anaphylaktischen Reaktionen im Rahmen von Allergien aus.
Bei einer Entzündungsreaktion werden immer zuerst Antikörper der Klasse IgM synthetisiert. Mit dem Vorgang der sogenannten class switch recombination werden die Antikörper der Klassen synthetisiert, welche am sinnvollsten für die jeweilige Aufgabe sind.
Impfung
Es gibt zwei Arten von Immunisierungen:
- aktive Immunisierung
- passive Immunisierung
Die aktive Immunisierung wird mittels abgeschwächter Erreger bewerkstelligt, die zu der entwicklung einer eigenständigen Immunität führen, während bei der passiven Immunisierung Antikörper für die kurzfristige Immunabwehr eingesetzt werden.
Bei der aktiven Immunisierung bildet der Körper selbst Antikörper, da er auf eine abgeschwächte Form des Erregers reagiert. Dies führt dazu, dass die Impfung deutlich länger aktiv ist als bei der passiven Immunisierung. Allerdings dauert es eine gewisse Zeit, bis der Impfschutz in Kraft tritt, da zuerst die Immunantwort ablaufen muss.
Bei der passiven Immunisierung werden die Antikörper direkt verabreicht. Die Immunisierung ist sofort aktiv, hält aber meist deutlich kürzer an.
Da Antikörper Proteine sind, müssen sie auch im Rahmen der Proteinbiosynthese produziert werden. Daraus folgt, dass es auch Gene für Antikörper geben muss.
Diese Gene liegen zum einen in einem relativ großen Abschnitt auf dem Chromosom 14 für die schwere Kette der Immunglobuline und zum anderen auf den Chromosomen 2 und 12. Die Genabschnitte, die für verschiedene Varianten dieser Ketten codieren, sind in großer Zahl vorhanden.
Die Immunglobuline bestehen grundlegend aus zwei
identischen langen (schweren, engl.: heavy) H-Ketten und zwei identischen kurzen (leichten, engl.: light) L-Ketten (κ- oder λ-Kette). Diese Ketten haben jeweils einen konstanten (C-) und einen variablen (V(D)J-)Anteil.
Kette | Genort | Domänen |
h-Kette | Chromosom 14 | VH, DH, JH |
κ-Kette | Chromosom 2 | VL, JL |
λ-Kette | Chromosom 22 | VL, JL |
Bei der Bildung der Antikörper werden verschiedene Gene der oben erwähnten Abschnitte synthetisiert und rekombiniert. κ- und λ-Locus unterscheiden sich in der Anordnung der V-, J- und C-Segmente:
Während im κ-Locus V- und J-Segmente in Clustern vorliegen (es gibt nur ein C-Segment), sind es im λ-Locus vier J-C-Paare. Der schwere-Ketten-Locus entspricht in seiner Organisation dem κ-Locus, enthält aber mehrere C-Segmente und zwischen V- und J-Cluster ein D-Cluster.
In allen Fällen ist jedem V-Segment ein L-Segment (leader) vorangestellt das die Signalsequenz für die Translokation ins raue endoplasmatische
Retikulum darstellt.
Der T-Zell-Rezeptor z. B. besteht aus α- und β-Kette,
wobei erstere der leichten Kette der Immunglobuline ähnelt, letztere einem Fragment (dem Fab-Fragment) der schweren Kette.
T-Zell-Rezeptor | ||
Kette | Genort | Domänen |
α-Kette | Chromosom 14 | Vα, Jα |
β-Kette | Chromosom 7 | Vβ, Dβ, Jβ |
Der Name V(D)J-Rekombination leitet sich dabei von der englischen Bezeichnung für die einzelnen rekombinierten Genabschnitte ab:
- V – variable
- D – diversifying
- J – joining
Hinzu kommt in jedem Fall noch ein C-Bereich (C – constant). Dabei ist der variable Bereich bestimmend für die Antigenerkennung, während der konstante
Bereich die fünf Immunglobulinklassen festlegt bzw. beim T-Zell-Rezeptor für die Membranverankerung verantwortlich ist.
Das große Repertoire an Immunglobulinen und T-Zell-Rezeptor-Spezifitäten, das die Größe des Genoms sprengen würde, wenn für jedes Molekül ein eigenes
Gen vorliegen würde, wird unter anderem dadurch realisiert, dass die einzelnen Gensegmente (V, D, J) vor dem Rearrangement in mehreren Kopien
vorliegen, die während der Reifung der Lymphozyten in der Art eines Zahlenschlosses beliebig miteinander kombiniert werden können.
Anzahl der funktionsfähigen Kopien der Gensegmente | ||||
Segment | H-Kette | κ- und λ-Kette | α-Kette | β-Kette |
V | 40 | 40 / 30 | ≈ 70 | 52 |
D | 25 | – | – | 2 |
J | 6 | 5 / 4 | 61 | 13 |
Als Blutgruppenantigene bezeichnet man spezielle Oberflächenproteine auf menschlichen Erythrozyten. Dementsprechend sind Blutgruppen die unterschiedlichen Ausprägungen von Oberflächenporteinen der Erythrozyten.
Karl Landsteiner hat entdeckt, dass es vier Blutgruppen gibt – Blutgruppe A, B, AB und 0.
Der Begriff Antigene impliziert, dass es auch im Blut zirkulierende Antikörper geben muss, die zu den Blutgruppenantigenen passen. Es gibt sowohl Antikörper gegen die Blutgruppenantigene der Blutgruppe A (Anti A-Antikörper) und gegen die Blutgruppenantigene der Blutgruppe B (Anti B-Antikörper).
Wenn man zwei unterschiedliche inkompatible Blutgruppen miteinander kreuzt, verklumpen (agglutinieren) die Erythrozyten durch die Immunglobuline.
AB0-System
Das AB0-System wurde wie oben beschrieben erstmals im Jahr 1900 von dem österreichischen Mediziner Karl Landsteiner beschrieben. Das System umfasst vier Blutgruppen: A, B, AB und 0.
Darüber hinaus umfasst es ebenfalls den Rhesus-Faktor, der als Plus- oder Minus-Zeichen als Symbol für das Vorhanden- bzw. Nicht-Vorhandensein dieses Faktors an die Blutgruppe angehangen wird.
Bei dem AB0-System sind die Glykoproteine auf der Oberfläche der Erythrozyten sehr wichtig. Die Glykoproteine von Menschen, die die Blutgruppe A haben, unterscheiden sich zu denen von Menschen mit der Blutgruppe B.
Man kann die Blutgruppenantigene auch als Allele sehen. Bei der Blutgruppe AB haben die Erythrozyten beide Allele – damit entspricht der Vererbungsmodus in diesem Fall einem kodominanten Erbgang. Bei Menschen mit der Blutgruppe 0 gibt es weder Glykoproteine des Allels A noch die des Allels B.
Die Blutgruppe A bildet Antikörper gegen die Oberflächenantigene der Erythrozyten mit der Blutgruppe B. Dadurch bilden Individuen mit der Blutgruppe B auch Antikörper gegen die Oberflächenantigene der Erythrozyten mit der Blutgruppe A.
Individuen mit der Blutgruppe AB bilden keine Antikörper und Individuen mit der Blutgruppe 0 bilden sowohl Antikörper gegen A als auch gegen B.
Die Blutgruppe 0 ist ein sogenannter Universalspender und die Blutgruppe AB ist ein Universalempfänger von Blut. Die Blutgruppe 0 kann jedem Blut spenden, aber nur Blut von Personen mit der Blutgruppe 0 empfangen. Die Blutgruppe AB kann von jedem Individuum Blut empfangen, aber keinem Blut spenden, außer Personen mit derselben Blutgruppe.
Vererbungsmuster
Jeder Mensch besitzt zwei Gene für seine Blutgruppe. Diese Gene entsprechen den Buchstaben A oder B, bzw. dem Gen 0. Die Zusammensetzung der zwei Gene für die jeweilige Blutgruppe entspricht dem Genotyp der Blutgruppen. Dabei ist wichtig, dass die Gene A und B dominant gegenüber dem Gen 0 sind. Daraus folgt, dass Personen mit der Blutgruppe A bzw. B im Phänotyp genotypisch heterozygot oder homozygot sein können.
Eine Person mit dem Phänotyp der Blutgruppe A kann also entweder die Genkonstellation AA oder A0 haben. Wer phänotypisch die Blutgruppe 0 hat, hat einen heterozygoten Genotyp von 00. Daraus folgt, dass das Kind von zwei heterozygoten Personen mit Blutgruppe A oder B zu 25% die Blutgruppe 0 haben kann.
Die Blutgruppe AB ergibt sich aus der Kodominanz der beiden dominanten Allele A und B.
Rhesussystem
Das Rhesussystem beschreibt eine weitere Eigenschaft unserer Erythrozyten: das Vorhandensein des sogenannten D-Antigens.
Wenn das D-Antigen auf Erythrozyten vorhanden ist, spricht man von Rhesus-positiv. Ist kein D-Antigen auf Erythrozyten vorhanden, handelt es sich um Rhesus-Negativität.
Rhesus-negative Personen können daher Antikörper gegen das D-Antigen bilden.
Das Immunsystem einer Person kann aber nach dem ersten Kontakt mit Blut, dass das D-Antigen beinhaltet, Antikörper gegen den Rhesus-Faktor bilden. Dieser Umstand ist ein bekanntes Problem bei Schwangerschaften.
Die erste Schwangerschaft mit einer Rhesus-negativen Mutter und einem Rhesus-positiven Fetus verläuft normalerweise unkompliziert. Bei einer zweiten Schwangerschaft mit derselben Konstellation kann es aber zu Schwierigkeiten kommen, da die Mutter im Rahmen der ersten Geburt und dem Kontakt des D-Antigen beinhaltenden Blutes ihres ersten Kindes, Antikörper gegen das D-Antigen bildet. Das ist ein Problem, denn:
Die gebildeten Antikörper sind IgG-Antikörper und somit plazentagängig!
Das bedeutet: Die Antikörper wandern in diesem Fall entlang der Nabelschnur zum Fetus und führen zu einer Immunreaktion – das Immunsystem der Mutter greift quasi das eigene Kind an und versucht es aufzulösen.
Dieses Krankheitsbild heißt Morbus haemolyticus neonatorum und wurde ebenfalls von Karl Landsteiner entdeckt. Um die Bildung der Antikörper zu vermeiden, führt man heutzutage eine Anti-D-Prophylaxe durch.
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