1  Vorwort  

   5

2  Theoretischer Teil der Facharbeit  

   6

2.1  Antigen (Ag)  

   6

2.1.1  Definition  

   6

2.1.2  Aufbau und Struktur  

   6

2.1.3  Antigenität/Immunogenität  

   6

2.2  Antikörper (Ak)/Immunglobulin (Ig)  

   7

2.2.1  Definition  

   7

2.2.2  Aufbau und Struktur  

   7

2.2.3  Immunglobulinklassen  

   9

2.2.4  Antikörpervielfalt  

  10  

2.2.5  Class Switch  

  12  

2.3  Antigen-Antikörper-Bindung  

  12  

2.3.1  Anziehungskräfte zwischen Antigen und Antikörper  12

2.3.2  Reaktionstypen  

  13  

2.3.2.1  Agglutination  

  13  

2.3.2.2  Opsonierung  

  14  

2.4  Bedeutung der Antigen-Antikörper-Reaktion  

  15  

2.4.1  Blutgruppen  

  15  

2.4.1.1  ABO-System  

  15  

2.4.1.2  Rhesusfaktor - Problematik in der Schwangerschaft  16

2.4.2  Spezifische Immunreaktion -  

  17  

  Humorale Immunantwort  

2.4.3  Allergie  

  18  

2.5  Anwendung der Antigen-Antikörper-Reaktion  

19

2.5.1  In der Medizin  

  19  

2.5.1.1  Aktive und passive Immunisierung  

  19  

2.5.1.2  Diagnose - Beispiel Aidstest  

  20  

2.5.2  In der Evolutionsforschung - Präzipitintest  

  22  

2.6  Probleme der Antigen-Antikörper-Reaktion  

  23  

2.6.1  Organtransplantation  

  23  

2.6.2  Genübertragung - somatische Gentherapie  

  25  

3  Praktischer Teil der Facharbeit  

  26  

3.1  Modellbau der spezifischen Antikörper  

  26  

3.1.1  1. Versuch aus dem Material Styropor  

  26  

3.1.2  2. Versuch mit dünnen Lockenwicklern  

  27  

3.1.3  Weiterer Versuch mit dünnen Lockenwicklern  

  28  

3.1.4  4. Versuch mit dicken Lockenwicklern  

  29  

3.1.5  Entscheidung für viertes Modell mit Begründung  

  30  

3.2  Modellbau der Bakterien  

  31  

3.2.1  1. Versuch mit Filzwolle  

  31  

3.2.2  Weiterer Versuch mit Filzwolle  

  32  

3.3  Darstellung einer Agglutination mit Hilfe der Modelle  33

3.4  Befestigung der Modelle  

  35  

4  Schlussgedanken  

  37  

5  Literaturverzeichnis  

  38  

5.1  Sachbücher  

  38  

5.2  Zeitschriften  

  38  

5.3  Internetquellen  

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1 Vorwort

Die Auswahl des Facharbeitsthemas wird sicherlich von den eigenen Interessen bestimmt, aber es muss auch die Frage gestellt werden, ob man in der Lage ist, sich mit dem gestellten Themengebiet auseinanderzusetzen. Es gibt verschiedene Gründe, warum ich mich speziell für das Thema Antigen-Antikörper-Reaktion mit Modellbau entschieden habe. Da mein Thema nicht mehr in unserem Lehrplan des letzten G9-Jahrgangs steht, wurde meine Neugier diesbezüglich erweckt. Nach einigen Recherchen und Rücksprachen mit meiner Kursleiterin Frau Sauerwein habe ich außerdem festgestellt, dass viele verschiedene Fachgebiete angesprochen werden. Dadurch interessierte ich mich noch mehr für diesen Bereich der Biologie. Neben dem Abwehrsystem spielt die Antigen-Antikörper-Reaktion auch bei den Blutgruppen und Allergien eine entscheidende Rolle. Zudem wird die Antikörpervielfalt genetisch erklärt. Da auch die Thematik der Genetik, welche mir bereits aus dem Unterricht sehr gefällt, mit einbezogen wird, traf ich meine endgültige Entscheidung, die Antigen-Antikörper-Reaktion ausführlich zu behandeln.

Es ist natürlich selbstverständlich, dass das Bearbeiten einer Facharbeit nicht reibungslos verlaufen wird. Man muss mit Rückschlägen rechnen, aber man darf sich niemals entmutigen lassen, ein eigenes kleines Lehrbuch über ein bestimmtes Themengebiet zu verfassen. Zwei- felsfrei werde ich während der Bearbeitung dieses Bereiches der Biologie viel Erfahrungen, die mir später in der Universität behilflich sein werden, sammeln. Zudem finde ich es sehr gut, dass man während des Erstellens der Facharbeit viel Unterstützung von den Kurslei- tern, welche die Schüler bei Missverständnissen aufklären, bekommt.

Zu Beginn meiner Facharbeit will ich vorerst die Begriffe Antigen und Antikörper definieren, damit man sich gleich am Anfang eine Vorstellung von diesen biologischen Molekülen erstel- len kann. Bevor ich zur Ansprache der Bedeutung der Antigen-Antikörper-Reaktion kom- me, werde ich diese erwähnte Reaktion genauer darstellen. Auch die Anwendung dieser che- mischen Bindung in der Medizin und Evolutionsforschung soll ausführlich behandelt werden. Außerdem werde ich auftretende Probleme durch die Antigen-Antikörper-Reaktion bei einer Organtransplantation und Genübertragung in Betracht ziehen. Durch die grobe Theorie- übersicht der Arbeit wird nochmals verdeutlicht, wie viele verschiedene Themengebiete ab- gedeckt werden, wodurch ich während des Verfassens meiner Facharbeit viel neues Wissen über bestimmte Spezialgebiete erfahren werde. Im praktischen Teil werde ich Schritt für Schritt die Ideen und die Entwicklung meiner Modelle durch eigene, beigefügte Abbildungen beschreiben.

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2 Theoretischer Teil der Facharbeit

2.1 Antigen (Ag)

2.1.1 Definition

Der Begriff Antigen („engl. für antibody generating“ ¹ ) leitet sich von „Anti-somato-gen = ge- den Körper bildend“ (CHRISTNER 2002:11) ab. Ein Antigen hat die Fähigkeit, in einem Organismus eine Immunantwort hervorzurufen und hat dementsprechend eine „immunogene“ Wirkung.

2.1.2 Aufbau und Struktur

Chemisch betrachtet sind Antigene Makromoleküle, welche die Oberflächenstruktur eines Bakteriums, Virus’ oder einer Körperzelle bilden. Es ist aber auch möglich, dass Antigene frei auftreten, so können auch Giftstoffe von Bakterien das Abwehrsystem eines Menschen in Gang setzen. Vorwiegend sind diese Moleküle Proteine, Glycoproteine (=Proteine, welche zusätzlich Kohlenhydratgruppen aufweisen) oder Kohlenhydrate.

2.1.3 Antigenität/Immunogenität

Es gibt einige Faktoren, die die Immunogenität eines Antigens bestimmen. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Fall die Größe solch eines Moleküls, denn Stoffe mit niedrigem Mo- lekulargewicht sind nicht in der Lage, das Abwehrsystem zu aktivieren. Allgemein hängt die Immunogenität eines Stoffes von seiner Fremdheit im Organismus ab. Es gibt hierzu ver- schiedene Grade:

a) Antigene sind autolog, wenn Spender und Empfänger (bei Organtransplantation) das gleiche Individuum sind. Außer im Falle einer Autoimmunerkrankung ² kommt es nicht zu einer Immunantwort. Da eineiige Zwillinge genetisch identisch sind, handelt es sich hier- bei auch um den selben Fall, welcher aber als syngen bezeichnet wird.

b) Es handelt sich um eine allogene Situation, wenn Spender und Empfänger dieselbe Art sind. Bei einem Kontakt solcher Antigene kommt es zu einer Immunantwort, da jedes Individuum Körperzellen mit spezifischen Oberflächenmolekülen aufweist, zum Beispiel Blutgruppenantigene, Rhesusfaktor, HLA-Proteine ³ .

c) Man spricht von einem xenogenen Fall, wenn Spender und Empfänger verschiedene Ar- ten sind (z.B. Tier und Mensch). Die Antigene sind in solch einer Situation heterolog und aus diesem Grund sehr immunogen.

¹ http://de.wikipedia.org/wiki/Antigen

² Abwehrzellen greifen körpereigene Zellen an und zerstören diese

³ „humane Leukozytenantigene“ (OETHINGER 2004:238) beim Menschen

- 6 -

- 7 - 2.2 Antikörper (Ak)/Immunglobulin (Ig)

2.2.1 Definition

Antikörper werden im Allgemeinen auch als Immunglobuline bezeichnet und sind Glykoproteine, also Proteine mit gebundenen Kohlenhydratgruppen. Trennt man die Eiweiße des Blutserums ⁴ mit Hilfe der Serumelektrophorese, so fällt auf, dass diese Moleküle 20 Prozent der Proteine im Blut ausmachen. Allgemein sind Globuline Eiweiße des Blutplasmas mit kugelförmiger (=globulärer) Tertiär- oder Quartärstruktur. Antikörper haben eine herausragende Funktion im Körper jedes Individuums. Sie werden von bestimmten Zellen des Abwehrsystems (B-Zellen) produziert, um den eigenen Organismus gegen „Fremdlinge“ abzuwehren.

So reagieren Immunglobuline spezifisch gegen bestimmte Antigene und machen diese un- schädlich.

2.2.2 Aufbau und Struktur

Abb. 2.2.1 : Schematische Darstellung eines Antikörpers:

V=variabel, C=constant, L=leichte Kette, H=schwere Kette

Antikörper bestehen insgesamt aus vier Polypeptidketten, wobei sie zwei deckungsgleiche, leichte Ketten (engl.: light chain), sogenannte L-Ketten und zwei identische schwere Ketten (engl.: heavy chain), auch H-Ketten aufweisen. Diese sind über Disulfidbrücken miteinander verbunden. Durch eine zusätzliche S-S-Brücke zwischen den schweren Ketten ergibt sich eine Y-artige Grundstruktur eines Antikörpers (siehe Abb. 2.2.1).

⁴ flüssiger Anteil des Blutes nach Blutgerinnung im Gefäß - enthält keine roten Blutkörperchen, aber Immunstoffe

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Durch

ne verschiedener Zellen vernetzen. Eine L-Kette ist aus einer variablen Region und einer konstanten Region zusammengesetzt. Eine leichte Kette besteht aus zwei Domänen. Eine Domäne ist ein Proteinabschnitt aus ungefähr 110 Aminosäuren. Es gilt zwischen zwei Va- rianten einer L-Kette zu differenzieren: lambda-Kette und kappa-Kette. Ein Antikörper besitzt entweder zwei lambda- oder zwei kappa-Ketten. Im Gegensatz zur leichten Kette kann eine H-Kette je nach Eigenschaften in fünf verschiedenen Erscheinungsformen auftreten, die fol- gendermaßen bezeichnet werden: alpha-, my-, gamma-, epsilon- und delta-Kette. Abhängig von der jeweiligen schweren Kette gehört der Antikörper einer bestimmten Immunglobulin- klasse (siehe 2.2.3) an. Auch die H-Kette besitzt eine variable Region, die zusammen mit der variablen Domäne der leichten Kette die Antigenbindungsstelle auch Epitop des Antikörpers bildet. Diese befindet sich am N-terminalen Ende des Glykoproteins und bindet nur an ein spezifisches Antigen. Zudem entdeckt man bei der H-Kette ebenfalls drei bzw. vier konstante Domänen. So besteht eine schwere Kette aus ca. 440-550 Aminosäuren und ist wesentlich größer als eine L-Kette. Innerhalb jeder Domäne sind zusätzliche Disulfidbrücken nachzu- weisen (siehe Abb. 2.2.2). Allgemein unterscheidet man bei einem Antikörper zwischen dem Fab-Teil und dem Fc-Teil. Den Fab-Teil („fragment antigen binding“; (KAYSER 2005:81))

bilden die „Y-Arme“ (OETHINGER 2004:226), die an ein Antigen binden. Der Fc-Teil („crystallisable fragment“; (KAYSER 2005:83)) entspricht dem unteren Bereich der Y-Struk- tur und erhielt seinen Namen durch

die Eigenschaft, leicht kristallisierbar

zu sein. Dieser Anteil des Immunglo- bulins ist nicht antigenspezifisch. Da- her weisen Antikörper gleicher Klasse den selben Fc-Teil auf. Natürlich be- sitzt auch diese Region eine spezielle Aufgabe. Sie kann an Fc-Rezeptoren von Zellen haften. Diese Tatsache spielt sowohl bei der spezifischen Im- munabwehr als auch bei einer aller- gischen Reaktion eine entscheidende Rolle.

dieses Bild eine übersichtliche Darstellung jeglicher Disulfidbrücken in Abb. 2.2.2: Darstellung der Disulfidbrücken und einem Immunglobulin-Molekül. Kohlenhydratgruppen an einem Antikörper-Modell: S-S=Disulfidbrücke, KH=Kohlenhydratgruppe

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- 9 - 2.2.3 Immunglobulinklassen

Abhängig von der jeweiligen Sorte der H-Kette existieren fünf verschiedene Immunglobulinklassen. Innerhalb einer Antikörperklasse besitzen alle Glykoproteine einen einheitlichen Fc-Teil. Da der Fab-Teil antigenspezifisch ist, wird er nicht von der jeweiligen Klasse bestimmt.

Im Folgenden sollen die Immunglobulinklassen auch Isotypen genannt, vorgestellt und cha- rakterisiert werden:

a) IgG-Klasse: Dieser Isotyp macht ca. 70-75 Prozent der Antikörper im menschlichen Or- ganismus aus und hat genau die Struktur des Antikörpers in Abbildung 2.2.2. Dieser wird als „Spät-Antikörper“ typisiert, da er bei einer Erstinfektion erst nach etwa drei Wochen

im Blut nachgewiesen wird. Immunglobuline der IgG-Klasse besitzen H-Ketten der gamma Variante. Über spezifische Fc-Rezeptoren gelangen diese Antikörper über die Plazentaschranke in das Blut des Embryos, wodurch das Abwehrsystem des vorgeburt- lichen Kindes durch Immunglobuline der Mutter gestärkt wird.

b) IgD-Klasse: Knappe ein Prozent unter den Immunglobulinen gehören dieser Klasse an. Ihre Aufgabe besteht darin, die Lymphozyten zu beeinflussen und so die Antikörperbil- dung zu verstärken, indem sie an der Membran der B-Zellen gebunden sind. Glykopro- teine des Abwehrsystems mit delta-H-Ketten zählen zu diesem Isotypen.

c) IgE-Klasse: Auch diese Antikörperklasse macht einen geringen Anteil der Immunglo- buline im menschlichen Körper aus (ca. 0,002%). Diese spielen eine bedeutende Rolle bei einer allergischen Reaktion, da sie an die Mastzellen binden und so die Aktivierung des Immunsystems in Gang setzen. H-Ketten der Art epsilon sind Bestandteile solcher Antikörper. Mit Hilfe dieser Immunglobuline wehrt sich der Körper vor allem gegen Wurm- parasiten.

d) IgA-Klasse: Ungefähr 15 Prozent der Antikörper im Blut werden zu dieser Gruppe gezählt. Immunglobuline jener Art haben die Fähigkeit, vor allem Viren in den

Schleimhäuten abzuwehren und kommen auch in der Darmwand vor. Die H-Ketten dieser Antikörper zeichnen sich mit dem Buchstaben alpha aus. Eine Besonderheit dieser Immunglobuline ist zudem, dass sie in der Muttermilch vorkommen.

e) IgM-Klasse: Dieser Antikörper-Typ hat die Eigen- schaft, beim ersten Kontakt mit einem körper- fremden Antigen den „Eindringling“ sofort anzugrei- fen und kann daher als „Sofort-Antikörper“ charak- terisiert werden. 10 Prozent aller Antikörper gehö- ren dem Isotypen an. Solche Immunglobuline verfü-

⁵ Abb. chischen Buchstaben my bezeichnet wird. verschiedener Immunglobulinklassen

⁵ http://de.wikipedia.org/wiki/Immunglobulin

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