Grundlagen der Molekularbiologie und Immunologie

Grundlagen der Molekularbiologie und Genetik

Das Zentrale Dogma der Molekularbiologie

Das Zentrale Dogma besagt, dass DNA einen Teil ihrer Information auf ein mRNA-Molekül kopiert (Transkription). Dieses mRNA-Molekül dient als Vorlage für die Übersetzung der genetischen Information durch Ribosomen zur Proteinsynthese (Translation).

Ausnahme: Reverse Transkriptase

Eine Ausnahme wurde bei Viren beobachtet, deren genetisches Material aus RNA besteht. Diese Viren können in tierischen Zellen ein DNA-Molekül unter Verwendung der viralen RNA als Vorlage herstellen. Dieser Prozess wird durch das Enzym Reverse Transkriptase ermöglicht.

Der Genetische Code

Der Genetische Code beschreibt die Korrespondenz zwischen den Nukleotiden (Basen) eines Polynukleotids und den Aminosäuren. In einer Nukleinsäure gibt es vier verschiedene Nukleotide, repräsentiert durch ihre Basen. Jeweils drei Basen bilden ein kodierendes Triplett (Codon).

Eigenschaften des Genetischen Codes

• Degeneriert: Eine Aminosäure kann durch mehrere Tripletts bestimmt werden.
• Nur zwei Aminosäuren, Methionin und Tryptophan, entsprechen nur einem Triplett.
• Es gibt Stopp-Codons (Ocker, Gelb und Opal), die das Ende der Synthese signalisieren.

Transposons (Springende Gene)

Ein Transposon ist eine DNA-Sequenz, die sich selbstständig zu verschiedenen Teilen des Genoms einer Zelle bewegen kann. Dieser Prozess kann Mutationen und Veränderungen in der DNA-Menge verursachen.

Typen von Transposons: Einfache und zusammengesetzte Transposons.

Junk-DNA

DNA-Segmente, die scheinbar keine kodierende Funktion besitzen.

Gentechnik

Die Gentechnik ist eine moderne Anwendung der molekularen Genetik. Sie umfasst Techniken zur Isolierung und Manipulation von Genen. Das Hauptziel ist die Übertragung dieser Gene von einem Organismus auf einen anderen, um bestimmte Stoffe herzustellen.

Obwohl oft Bakterien als biologisches Material verwendet werden, finden die Anwendungen auch bei höheren Lebewesen statt.

Klonen (Grunddefinition)

Klonen ist der Prozess, bei dem mithilfe der Gentechnik DNA-Moleküle, Zellen oder Organismen erzeugt werden, die genetisch identisch mit einem Vorläufer sind.

Molekulares Klonen

Beim molekularen Klonen wird ein DNA-Fragment in die DNA eines Bakteriums eingefügt, um es zu replizieren. Auf diese Weise können Millionen von Kopien des DNA-Fragments für weitere Untersuchungen gewonnen werden.

Klonen (Erweiterte Definition)

Klonen ist die Bildung identischer Kopien eines Moleküls, eines Gens, einer Zelle oder eines Organismus. Zellen, die aus Klonen stammen, gehören zur selben Zelllinie.

Klonierungsvektoren

Klonierungsvektoren sind kleine DNA-Moleküle, die die Fähigkeit zur Selbstreplikation innerhalb der Wirtszelle besitzen.

PCR (Polymerase-Kettenreaktion)

Die PCR ist ein gentechnisches Verfahren, das es ermöglicht, DNA-Fragmente mehrfach zu duplizieren, um ausreichende Mengen für Analyse und Nutzung zu erhalten.

Genetischer Fingerabdruck

Eine Gruppe genetischer Merkmale, die die individuelle Identifizierung einer Person mit mehr als 99 % Zuverlässigkeit ermöglicht.

Assistierte Reproduktion

Eine Reihe von Techniken zur Unterstützung der Fortpflanzung, anwendbar bei Männern und Frauen. Dazu gehört die In-vitro-Fertilisation (IVF), die eine Phase der Manipulation im Labor beinhaltet.

Gentherapie

Experimentelle Techniken, bei denen defekte oder fehlende Gene durch funktionelle Gene ersetzt werden, um die korrekte Proteinproduktion zu gewährleisten. Normalerweise werden Viren als Vehikel (Vektoren) eingesetzt.

Spezifische Immunabwehr

Lymphozyten und Spezifische Abwehr

Lymphozyten sind weiße Blutzellen der lymphatischen Reihe. Im Gegensatz zu anderen Blutzellen bilden sie keine Pseudopodien. Sie sind daher weder phagozytisch noch mobil, besitzen jedoch die Fähigkeit, spezifische Antigene zu erkennen. Aus diesem Grund produzieren sie eine spezifische Immunantwort gegen spezifische Antigene.

Arten von Lymphozyten

• B-Lymphozyten: Synthetisieren spezifische Proteine (Antikörper) als Reaktion auf Antigene. Da die Antikörper in Körperflüssigkeiten zirkulieren, sind B-Lymphozyten mit der humoralen Immunantwort assoziiert.
• T-Lymphozyten: Verantwortlich für die zelluläre Immunantwort. Sie produzieren keine Antikörper, sondern verursachen den Tod von bestimmten veränderten und unerwünschten Zellen. Einige T-Zellen regulieren die Aktivierung des Immunsystems.

Impfstoffe (Vakzine)

Impfstoffe enthalten abgeschwächte (attenuierte) Antigene. Sie erzeugen ein immunologisches Gedächtnis gegen das Antigen, was zu einer dauerhaften Immunität gegen die Krankheit führt, da die Person gleichzeitig gegen spätere Infektionen geschützt ist. Impfstoffe benötigen mehrere Tage, um ihre volle Wirkung zu entfalten.

Autoimmunität und Autoimmunerkrankungen

Normalerweise kann das Immunsystem körpereigene Moleküle von fremden unterscheiden. Manchmal kommt es jedoch zur Aktivierung autoreaktiver Lymphozytenklone. Infolgedessen greift das Immunsystem die eigenen Zellen in einem selbstzerstörerischen Prozess an, was zu Autoimmunerkrankungen führt.

Beispiele für Autoimmunerkrankungen

• Morbus Basedow (betrifft die Schilddrüse)
• Lupus erythematodes (betrifft alle Gewebe des Körpers)
• Rheumatoide Arthritis (befällt das Knorpelgewebe)
• Diabetes mellitus Typ 1 (juveniler Diabetes, betrifft die Bauchspeicheldrüse)
• Multiple Sklerose (betrifft das zentrale Nervensystem)
• Myasthenia gravis (betrifft das quergestreifte Muskelgewebe)
• Morbus Addison (betrifft die Nebennieren)

Überempfindlichkeit (Hypersensitivität)

Überempfindlichkeit tritt auf, wenn die Immunreaktion übermäßig stark ist und körpereigenes Gewebe schädigt, wodurch ihre Wirkung nachteilig wird. Die schädliche Reaktion kann sowohl durch Antikörper als auch durch T-Lymphozyten verursacht werden.

Typen der Überempfindlichkeit

Basierend auf dem beteiligten Immunprozess und der Zeitspanne bis zum Auftreten der Reaktion nach Antigenkontakt unterscheidet man vier Typen:

1. Anaphylaktische Überempfindlichkeit (Typ I, allergische Reaktion)
2. Zytotoxische Überempfindlichkeit (Typ II)
3. Immunkomplex-vermittelte Überempfindlichkeit (Typ III)
4. Verzögerte Überempfindlichkeit (Typ IV)

Die Humorale Immunantwort im Detail

Die humorale Antwort bezeichnet die Immunmechanismen, bei denen spezifische Proteine (Antikörper) gegen fremde Antigene eingesetzt werden. Diese Antikörper zirkulieren im Blut, in der Lymphe, in interstitiellen Flüssigkeiten und in Sekreten, wo sie ihre Wirkung entfalten.

Antikörpersynthese durch B-Zellen

Die Synthese der Antikörper erfolgt durch B-Zellen. Diese Zellen bilden sich und differenzieren im Knochenmark und erwerben dort die Fähigkeit zur Antikörperproduktion. Die genetische Information für die Antikörpersynthese beim Menschen befindet sich auf den Chromosomen 2, 4 und 22. Es können rund 1000 Millionen verschiedene Antikörper synthetisiert werden (Protein-Spezifität).

Aktivierung und Differenzierung

Nach der Antigen-Erkennung werden B-Zellen aktiviert und produzieren die entsprechenden spezifischen Antikörper. Die Aktivierung von B-Zellen wird wesentlich durch die Wirkung von Zytokinen (Substanzen, die von Makrophagen sezerniert werden) verstärkt.

Plasmazellen und Gedächtniszellen

• Die Mehrheit der aktivierten B-Zellen differenziert zu Plasmazellen, die groß sind und große Mengen an Antikörpern produzieren.
• Einige B-Zellen bleiben als Gedächtnis-B-Zellen erhalten. Diese haben eine unbegrenzte Lebensdauer und stellen eine Reserve für zukünftige Anforderungen desselben Antigens dar.

Sowohl Plasma- als auch Gedächtniszellen reichern sich in der Rinde der Lymphknoten an und gelangen von dort in die Lymphe und ins Blut.