Bio 3. Immunbiologie Lösungen – Cornelsen

Lösungen zu Check-up Immunbiologie

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Aufgabe 1

Antikörper

a 1 = variable Region; 2 = konstante Region; 3 = Antigenbindungsstelle; 4 = leichte Kette; 5 = Gelenkregion; 6 = Kohlenhydratkette; 7 = schwere Kette

b Beim Antikörper bedingen sich Struktur und Funktion gegenseitig. Die variablen Ketten verschiedener Antikörper bilden eine große Vielfalt von Antigenbindungsstellen, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an verschiedene Epitope binden können. Durch die Y-förmige Struktur mit zwei Antigenbindungsstellen und beweglicher Gelenkregion können auch zwei Antigene miteinander verbunden werden. Die konstante Region ist bei Antikörpern einer Klasse gleich und ermöglicht, dass sie unabhängig von ihrer Spezifität an Zelloberflächen beispielsweise von B-Zellen oder Mastzellen gebunden werden können.

c Von allen B-Zellen verschiedener Spezifität reagieren auf ein Antigen nur diejenigen, deren B-Zell-Rezeptor an das Antigen binden kann. Nur sie differenzieren sich zu einem Plasmazellklon, der wiederum Antikörper mit derselben Antigenbindungsstelle produziert. So entstehen nur die Antikörper, die auch an das Antigen binden und es beispielsweise agglutinieren können.

d Ausfällung, Agglutination/Verklumpung, Neutralisierung, Opsonierung, Aktivierung des Komplementsystems.

e Die T-Helferzellen binden an eine antigenpräsentierende dendritische Zelle und werden von dieser aktiviert. Daraufhin vermehren sie sich und treten mit antigenpräsentierenden B-Zellen in Kontakt. Sie aktivieren die B-Zelle, die sich daraufhin zu einem Plasmazellklon differenziert. Dieser stellt die Antikörper her. Ohne die zentrale signalgebende Rolle der T-Helferzellen könnten keine Antikörper entstehen.

f Beim Erstkontakt mit einem Allergen entstehen IgE-Antikörper und binden sich mit ihrer Fußregion an Mastzellen. Die Zellen sind nun sensibilisiert. Überbrückt beim Zweitkontakt ein Allergen zwei der IgE-Antikörper, kommt es zur Histaminausschüttung aus der Mastzelle und so zur allergischen Reaktion vom Soforttyp.

g HI-Viren können als Proviren in ihre Wirtszellen integriert werden. In dieser Form sind sie für Antikörper nicht zugänglich, weshalb Antikörper gegen sie nicht wirksam sind.

Aufgabe 2

Tätowierung und unspezifische Immunabwehr

a Die verletzten Zellen setzen Signalstoffe wie Histamin frei, die die umliegenden Blutgefäße weiten und die Durchlässigkeit der Gefäßwände erhöhen. Dies verursacht Schwellung und Rötung. Durch die Blutgefäße werden neutrophile Granulocyten und Monocyten zur Verletzungsstelle transportiert. Sie verlassen die Gefäße und wandern in das verletzte Gewebe ein. Die Monocyten differenzieren sich zu Makrophagen. Diese phagocytieren zusammen mit den neutrophilen Granulocyten die Fremdstoffe. Die Wunde verheilt und die Blutgefäße kehren in ihren Ausgangszustand zurück.

b Wie beim Verabreichen einer Injektionsspritze wird durch die Tätowiernadel die natürliche Schutzbarriere der Haut durchbrochen. Eventuell auf der Nadel vorhandene Erreger könnten so direkt in den Körper gelangen. Der Stechvorgang wird beim Tätowieren tausendfach wiederholt und hinterlässt so eine großflächige Wunde, was die Gefahr einer Infektion bei unsterilem Arbeiten weiter erhöht.

c Rötung und Schwellung an der tätowierten Körperstelle sind Folgen der verstärkten Blutzufuhr beziehungsweise des Austritts von Blutplasma aufgrund der erhöhten Durchlässigkeit der Blutgefäße. Durch die verstärkte Blutzufuhr gelangen mehr Immunzellen an die verletzte Stelle. Die erhöhte Durchlässigkeit der Gefäßwände erlaubt es ihnen, in das verletzte Gewebe einzuwandern. Die Erwärmung beschleunigt die Stoffwechselprozesse der Zellen und damit die Phagocytose. Schmerzen sorgen für eine Schonung der betroffenen Körperstelle und tragen dazu bei zu verhindern, dass diese weiter geschädigt wird.

d Durch die Laserbehandlung werden die Farbpigmente zerkleinert. So können sie anschließend von Makrophagen und neutrophilen Granulocyten abgebaut werden. Auch durch die Behandlung zerstörte Körperzellen werden auf diese Weise beseitigt.

e Um große Mengen an Abfallstoffen über das Lymphsystem zu entsorgen und neue Phagocyten zu bilden, braucht das Immunsystem einige Zeit. Deshalb sind mehrere Sitzungen im Abstand von einigen Wochen nötig.

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Aufgabe 3

Nachweis einer SARS-CoV-2-Infektion durch Antigentests

a Das Virus, zum Beispiel der Bakteriophage λ, heftet sich an die Oberfläche der Wirtszelle, in diesem Fall eines Bakteriums, an. Der Phage injiziert seine DNA in das Bakterium. Daraufhin werden die Gene des Phagen transkribiert und translatiert sowie seine DNA repliziert. Die neu entstandenen Phagenbestandteile setzen sich zu Phagen zusammen. Die Zellmembran des Bakteriums wird schließlich lysiert und die neuen Phagen freigesetzt. Sie befallen daraufhin weitere Bakterienzellen und der lytische Zyklus beginnt von Neuem.

b Viren besitzen keinen eigenen Stoffwechsel. Dadurch können sie sich auch nicht selbstständig vermehren, sondern sind dafür auf den Stoffwechsel anderer Zellen, ihrer Wirtszellen, angewiesen.

c Viren müssen sich an Oberflächenstrukturen von Zellen anheften, um diese als Wirtszellen nutzen zu können. Dabei ist eine Verbindung nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip notwendig. Wenn nur bestimmte Zellen des Nasen- und Rachenraums und der Lunge die Oberflächenstrukturen besitzen, an die das SARS-CoV-2-Virus binden kann, können auch nur diese zu Wirtszellen werden.

d In einem Gefäß sind Anti-Nucleoprotein-Antikörper fixiert. Die Probe mit dem Nasensekret wird dazugegeben, vorhandene Nucleoproteine binden an die fixierten Antikörper. Ein Waschvorgang entfernt ungebundene Stoffe. Es werden enzymgekoppelte Anti-Nucleoprotein-Antikörper (Sekundärantikörper) zugegeben, die an die Nucleoproteine binden. Nach einem zweiten Waschvorgang, der ungebundene Antikörper entfernt, gibt man das Substrat des Enzyms zu. Vorhandene Enzyme setzen es zu einem Farbstoff um. Nach einer bestimmten Zeit wird die Färbung der Probe gemessen.

e Der erste Waschvorgang entfernt ungebundene Stoffe aus der Probenflüssigkeit. Sie könnten die weiteren Vorgänge beim ELISA-Test stören, indem sie den Kontakt der Sekundärantikörper mit den Antigenen erschweren. Der zweite Waschvorgang entfernt ungebundene enzymgekoppelte Antikörper. Es dürfen nur gebundene Antikörper im Gefäß verbleiben, da sie die Anwesenheit von Antigenen in der Probe anzeigen. So zeigt eine Farbreaktion ein positives Testergebnis an. Würde man diesen Waschvorgang weglassen, wäre das Ergebnis des Tests in jedem Fall positiv, auch ohne Antigene in der Probenflüssigkeit.

f Beide Antikörper müssen gleichzeitig an verschiedene Stellen eines Nucleoproteins binden. Das wäre nicht möglich, wenn sie spezifisch für das gleiche Epitop wären.

g Beide Tests weisen mithilfe von Antikörpern durch eine Farbreaktion Nucleoproteine qualitativ und quantitativ nach.
Beim ELISA-Test finden alle Vorgänge in einem Gefäß statt, in das nacheinander Moleküle zugegeben werden bzw. das zweimal gespült wird. Es kommen neben fixierten Primärantikörpern auch enzymgekoppelte Sekundärantikörper und Substratmoleküle zum Einsatz, am Ende entsteht ein Farbstoff. Eine Kontrolle, ob alle notwendigen Moleküle im Gefäß vorhanden sind, ist nicht nötig, da sie jeweils direkt zugegeben werden.
Beim Schnelltest bewegt sich die Probenflüssigkeit entlang einer porösen Schicht durch verschiedene Bereiche. Dabei nimmt sie farbstoffgekoppelte Sekundärantikörper auf, die sich an vorhandene Nucleoproteine binden. Sekundärantikörper-Nucleoprotein-Komplexe binden dann im Testfeld an fixierte Primärantikörper, ungebundene Sekundärantikörper verbinden sich im Kontrollfeld mit fixierten Primärantikörpern. So zeigt eine Färbung im Kontrollfeld an, dass die Diffusion der Sekundärantikörper stattgefunden hat. Eine Färbung im Testfeld ist der Nachweis des Nucleoproteins.

In einer Probe mit einer sehr geringen Menge an Nucleoproteinen sind zwar kaum Antigenbindungsstellen der fixierten Antikörper besetzt und dadurch nach dem zweiten Waschvorgang nur sehr wenige Enzyme im Versuchsgefäß. Aber jedes einzelne Enzymmolekül kann während der Einwirkzeit viele Substratmoleküle zu Farbstoffmolekülen umsetzen, denn das Enzym wird bei der Reaktion nicht verbraucht. So können auch wenige in der Probe vorhandene Nucleoproteine zu einer sichtbaren Färbung der Probe führen.

Da im Schnelltest keine Enzyme eingesetzt werden, ist dieser Verstärkungsmechanismus hier nicht möglich. Ein einzelnes Nucleoprotein bewirkt nur die Bindung eines einzigen farbstoffgekoppelten Sekundärantikörpers im Testfeld, diese geringe Farbstoffmenge ist nicht sichtbar. Erst die Bindung vieler farbstoffgekoppelter Sekundärantikörper führt zu einer sichtbaren Verfärbung des Testfeldes.

Aufgabe 4

Immunologisches Gedächtnis

a Im linken Diagramm ist die relative Menge der Antikörper innerhalb eines Zeitraums von sieben Tagen nach Infektion mit einem Antigen bei einer primären Immunantwort dargestellt. Beim ersten Kontakt mit dem Antigen liegt die Anzahl der Antikörper bei null und erreicht innerhalb von fünf Tagen ein Maximum von etwa 0,6 relativen Einheiten. Danach sinkt die Zahl bis zum siebten Tag auf einen Wert von etwa 0,2 relativen Einheiten. Im rechten Diagramm sind zwei Kurven dargestellt. Der Kurvenverlauf der roten Linie zeigt die relative Menge der Antikörper beim Erstkontakt mit einem neuen Antigen. Der Kurvenverlauf entspricht exakt dem des linken Diagramms. Die blaue Linie zeigt die relative Menge der Antikörper bei einer sekundären Immunantwort, wenn der Organismus zum zweiten Mal mit dem ersten Antigen in Kontakt kommt. Zum Zeitpunkt des Zweitkontakts liegt die relative Menge der Antikörper bei ungefähr 0,2. Sie steigt innerhalb von weniger als drei Tagen auf ein Maximum von etwa 2,2 und fällt dann bis zum siebten Tag auf ungefähr 0,7 relative Einheiten ab.

b Beim Erstkontakt mit einem neuen Antigen ist die Menge produzierter Antikörper wesentlich niedriger als bei einem Zweitkontakt. Hierfür sind die B-Gedächtniszellen und die T-Gedächtniszellen verantwortlich. Sie können sofort reagieren und die Produktion von Antikörpern veranlassen. Die schnellere Reaktion und die höhere Antikörperkonzentration sind ein Hinweis darauf, dass der Organismus bei einem wiederholten Kontakt mit dem Antigen immun dagegen ist. Die Kurven verdeutlichen auch, dass die Immunität gegen ein spezifisches Antigen keinen Einfluss auf die Immunreaktion auf ein anderes Antigen hat.