Dieses Jahr geht der Nobelpreis an drei Immunologen. Glückwunsch an die Forscher Bruce Beutler und französische Forscher Jules Hoffmann. Tragisch, dass Ralph Steinman diese Nobelpreisvergabe nicht mehr erleben kann…trotzdem verdient er den Nobelpreis genauso wie die beiden anderen.

Immunologie – Eine Herausforderung für Schüler

Sicherlich steht ausser Frage, dass die Immunologie zu den komplexesten und schwierigsten Gebieten der Biologie bzw. Medizin gehört. So steht die Immunologie zwar in einzelen Abiturprüfungsvorgaben, fällt aber z.B. im Prüfungsjahr 2012 in Niedersachsen  aus dem Prüfungsprogramm.
Wofür bekommen die drei Forscher nun den wichtigsten Preis in der Wissenschaft?
Alle drei (und ihre jeweilige Forschungsgruppen) haben dazu beigetragen das Immunsystem zu verstehen. Zum einen das angeborene Immunsystem zu erklären, zum anderen die lebenslangen Anpassungsstrategien der Immunabwehr zu durchleuchten.
Im Mittelpunkt der angeborenen Immunabwehr steht ein Gen namens „Toll“. Fehlt diese Information, so sterben Fruchtfliegen nach einer Infektion. Kein Abwehrmechanismus ist vorhanden. Hoffmann und Beutler konzentrierten sich in ihren Arbeiten auf diese grundlegende Erbinformation.
Das erworbene Immunsystem basiert auf eine spezifische Abwehr von Krankheitserregern durch B- und T-Zellen. Diese Zellen müssen aber zuerst aktiviert werden. Eine äusserst wichtige Rolle spielen dabei die dendritischen Zellen (entdeckt von Steinman).

Abituraufgabe Immunologie

Zur Vergabe des Nobelpreises ein Auszug aus einer Immunologie-Abituraufgabe. Hier geht es um die grundsätzlichen Zelltypen und die Aktivierung des Immungsystems.

Fieber und die Barrieren der Immunabwehr

Wie alle höheren Wirbeltiere besitzt auch der Mensch ein hoch spezifisches und sehr komplexes System zur Erkennung und Abwehr von Krankheitserregern und schädigenden Materialien. Das Zusammenspiel verschiedener Abwehr-Barrieren ist dabei ebenso wichtig wie die Erinnerungsfähigkeit des Immunsystems.

Aufgabe 1

Geben Sie einen Überblick über den Aufbau des Immunsystems wie wir es beim Menschen vorfinden. Erklären Sie die Wirkungsweise von T-Lymphozyten im Vergleich zu den B-Zellen! Was ist eine sekundäre Immunantwort?

Aufgabe 2

Diskutieren Sie die Bedeutung des Fiebers. Warum ist es sinnvoll die Wärmeproduktion zu steigern?

Lösungsansätze

Zu 1: Das menschliche Immunsystem kämpft mit drei “Schutzschilden” gegen Eindringlinge an. Das beginnt mit der äusseren Schutzschicht (1. Barriere: Haut mit Säureschutzmantel, Schleimhäute, Magenschleimhaut, Darmsekrete, Tränenflüssigkeit, Flimmerepithel Atemwege), die mit Salzen oder Enzymen für die Denaturierung von Erregerprotein bzw. deren Auswaschen sorgt. Dringt trotz dieser Barriere ein Erreger in den Körper ein, dann wird das zweite Schutzschild (ebenfalls unspezifisch) erhoben. Fresszellen (Granulozyten, Makrophagen und Monozyten) “fressen” (phagozytieren) infektiöse Partikel. Diese werden an Oberflächenproteinen (Bakterienzellwand) erkannt, von den Makrophagen aufgenommen und lysiert. Dabei werden Erregerproteine in kleine 10 – 14 Aminosäuren lange Peptide zerlegt und über die MHC-Protein auf den Makrophagen-Oberflächen präsentiert. T- bzw. B-Lymphozyten (3. und spezifische Barriere) reagieren darauf mit Bildung von Killerzellen oder Antikörperproduktion.
Das Immunsystem zeigt so genannte zelluläre und humorale Immunantworten.
T-Lymphozyten sind Immunzellen, die in der Thymus-Drüse auf ihre Aufgaben im Körper vorbereitet werden. B-Lymphozyten werden im Knochenmark gebildet und werden im Laufe ihrer Entwicklung zu B-Zellen (Plasmazellen), die für die Produktion von Antikörpern sorgen.
Haben Makrophagen einen Eindringling aufgenommen und Teile des Eindringlingsproteins (Antigen bzw. Epitop) über das MHC-System präsentiert, sind es die T-Helferzellen, die diese Information aufnehmen (Rezeptor) und daraufhin vermehrt produziert (gegen Aktivatoren ab; Zytokine). T-Lyphozyten regen die Bildung von T-Killerzellen an, die Erreger auflösen können.
Mit den T-Helferzellen treten B-Lymphozyten in Kontakt, die ebenfalls die Epitop-Information aus dem Erregerprotein verwerten. Sie nützen die Information um Antikörper zu bilden. Diese Antikörper werden wiederum auf der Oberfläche der B-Lyphozyten präsentiert. Ebenso werden Plasmazellen gebildet (B-Zellen). Diese produzieren Antikörper in hoher Menge und setzten diese ins Blutplasma frei. B-Zellen stehen für die humorale Antwort des spezifischen Immunsystems.
Sowohl von B-Lymphozyten als auch von T-Lymphozyten werden so genannte Gedächtniszellen angelegt. Bei erneutem Kontakt mit diesem Erreger-Antigen wird erneut eine spezifische Immunantwort eingeleitet (sekundäre Immunantwort). Hierbei fällt die Immunantwort höher und stärker aus. Krankheitssymptome bleiben in der Regel aus.
Was passiert mit den Erregern?
Die Präsentation mit dem MHC-System kann nicht das einzige sein. Das Epitop des Erregerproteins das von den Makrophagen präsentiert wird, bindet an den T-Zell-Rezeptor der (ruhenden) T-Helferzelle. Das präsentierte Antigenepitop passt wie “Schlüssel und Schloß”. Das aktiviert die Produktion von T-Hefern und T-Killer-Zellen, sowie B-Lymphozyten bzw. Plasmazellen. Diese Aktivierung wird durch Ausschüttung von Zytokinen ermöglicht. Auch freies Antigen kann von B-Lymphozyten erkannt werden. Die “B-Zell-Linie” präsentiert passende Antikörper auf der Oberfläche oder die durch Aktivierung gebildeten Plasmazellen schütten frei Antikörper in das umliegende Gewebe aus….Es kommt zu Antigen(AG)-Antikörper(AK)-Interaktion (humorale Immunantwort). Diese Präzipitate aus AK und AG werden von Makrophagen abgebaut.
Die “T-Zell-Antwort” ist eine so genannte zelluläre Antwort, T-Killerzellen werden aktiviert. Sie töten Erreger durch Lyse. T-Unterdrückerzellen bremsen die Wirkungsphase ab und leiten in eine Abschaltphase über. Hierbei werden Plasmazellen und Killerzellen durch Signalstoffe gehemmt. Gedächtniszellen werden von B- und T-Lymphozyten gebildet. So kann ein Zweitkontakt mit diesem Erreger schnell und massiv bekämpft werden.
Was passiert mit all den Immunzellen, die nun nicht mehr in dieser hohen Anzahl benötigt werden? Ich habe in der Literatur dazu nichts wirklich aussagekräftiges gefunden, nehme aber an, dass die Zellen wirklich abgebaut werden. Reduce, Reuse, Recycle :-) , warum soll es beim Immunsystem anders sein. Ein Teil der Immunzellen wird ja in Form von Gedächtniszellen aufbewahrt und ist bei einer Zweitinfektion sofort aktiv.
zu 2:
Fieber ist eine deutlich spürbare Reaktion des Immunsystems auf äußere Eindringlinge. Kurz nach beginn einer Infektion reagiert das Immunsystem mit Erhöhung der Körpertemperatur. Makrophagen die (wie in 1. beschrieben) Erreger phagozytieren, geben sogenannte Pyrogene Stoffe ab. Diese führen zu einer Erhöhung der Körpertemperatur. Fieber wird durch Muskelzittern aber auch durch erhöhte Stoffwechselproduktion erzielt. Die höhere Körpertemperatur führt zu einer  beschleunigung der enzym-katalysierten Reaktionen im Körper (RGT-Regel: eine Temperaturerhöhung um 10 ºC führt zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit). Das Immunsystem kann so “schneller” arbeiten. Aber Vorsicht! Proteine sind auch nur in bestimmten Temperaturbereichen stabil! Fieber >42ºC führt zur Zerstörung der körpereigenen Proteine; längere Phasen hoher Körpertemperaturen (38 oder 39ºC) führen zur Schwächung des Körpers ist die Nahrungs- und Flüssigkeitszufuhr nicht optimal…..

1 Kommentar
  1. Martina Henn-Sax
    Martina Henn-Sax sagte:

    Hessen gehört übrigens zu den Bundesländern, die den Themenbereich Immunologie 2012 prüfen. Im Halbjahr Q1 sind die genetischen Aspekte der Immunreaktion bzw. das Prinzip der Antikörpervielfalt (Leistungskurs!) verbindliche Inhalte des Landesabiturs. Quelle dieser Information: Handreichungen des hessischen Kultusministeriums.

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