Aufgabe 3 – Immunbiologie
Das SARS-CoV-2-Virus ist ein RNA-Virus. Es besitzt ein charakteristisches Oberflächen-Protein (Spike-Protein), das für die Aufnahme des Virus in Körperzellen wichtig ist. mRNA-Impfstoffe gegen SARS-CoV-2 enthalten einen mRNA-Abschnitt, der für dieses Spike-Protein codiert. Um ihre Aufnahme in Körperzellen zu ermöglichen, wird die mRNA mit Lipiden umhüllt, sodass sogenannte mRNA-Lipidnanopartikel (LNP) entstehen. Darüber hinaus enthalten die LNP den lipophilen Stoff Cholesterin (Abb. 1). Die LNP sind nach der intramuskulären Injektion eine Zeit lang stabil und ermöglichen die Aufnahme der mRNA in nur wenige Muskelzellen. Studien haben gezeigt, dass die Lipidnanopartikel nicht zellschädigend sind.
![bw bio abi 2023 lipidnanopartikel](https://www.schullv.de/resources/images/mathe/desktop/bw_bio_abi_23_abb7.png)
Abb. 1: Lipidnanopartikel (schematisch)
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Vergleiche den Bau eines LNP (Abb. 1) mit der Struktur einer Zellmembran nach dem Flüssig-Mosaik-Modell (drei Angaben).
Abbildung 2 zeigt die Vorgänge in einer Körperzelle nach einer Impfung mit einem mRNA-Impfstoff.
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![bw bio abi 2023 zellmembran](https://www.schullv.de/resources/images/mathe/desktop/bw_bio_abi_23_abb8.png)
Abb. 2: Vorgänge in einer Körperzelle nach einer Impfung mit mRNA-Impfstoff (schematisch)
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Beschreibe die in Abbildung 2 dargestellten Vorgänge nach der Impfung mit einem mRNA-Impfstoff.
Da mRNA-Moleküle in Zellen relativ instabil sind, befinden sich an deren Enden ein CAP-Ende und ein Poly-A-Schwanz, die vor dem Abbau durch RNasen schützen. Momentan existieren zwei Varianten von mRNA-Impfstoffen. Bei beiden Varianten kommt ein künstlich hergestelltes mRNA-Konstrukt zum Einsatz (Abb. 3). Eine der Varianten enthält zusätzlich eine Nukleotidsequenz für eine RNA-Replikase. Dabei handelt es sich um eine spezifische RNA-Polymerase, die natürlicherweise in manchen RNA-Viren vorkommt.
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![bw bio abi 2023 mRNA der beiden Impfstoffvarianten](https://www.schullv.de/resources/images/mathe/desktop/bw_bio_abi_23_abb9_12.png)
Abb. 3: mRNA der beiden Impfstoffvarianten
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Erläutere, wie die zusätzlich eingefügte Nukleotidsequenz für Replikase die Wirkung des mRNA-Impfstoffes beeinflusst.
Abbildung 4 zeigt die Immunreaktion, die nach der Aufnahme der mRNA im Körper stattfinden.
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![bw bio abi 2023 impfung](https://www.schullv.de/resources/images/mathe/desktop/bw_bio_abi_23_abb10.png)
Abb. 4: Immunreaktionen nach einer Impfung mit mRNA-Impfstoff (vereinfacht)
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Erläutere mithilfe der Abbildung 4 die Prozesse, die ausgehend von der mRNA im Körper der geimpften Person ausgelöst werden und zu einer Immunität der geimpften Person führen.
Manche Impfstoff-Hersteller verwenden in ihren Lipidnanopartikeln eine modifizierte mRNA, bei der die Base Uracil durch Pseudouracil ersetzt wurde, welche die Translation nicht beeinträchtigt. Durch in-vitro-Versuche fand man heraus, dass es bei der Wirksamkeit des Impfstoffes einen Unterschied zwischen modifizierter und nicht modifizierter mRNA gibt. In den Versuchsansätzen (Abb. 5) spielt die Oligoadenyl-Synthetase (OAS) eine Schlüsselrolle, die durch Binden an die mRNA aktiviert wird. In der Folge wird die RNase L aktiviert, welche die Spaltung der mRNA katalysiert.
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![bw bio abi 2023 ergebnisse](https://www.schullv.de/resources/images/mathe/desktop/bw_bio_abi_23_abb11.png)
Abb. 5: Ergebnisse von jeweils fünf Versuchsansätzen mit unmodifizierter und modifizierter mRNA
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Beschreibe die in Abbildung 5 dargestellten Ergebnisse und gib eine mögliche Erklärung für den Zusammenhang zwischen Modifizierung und RNase L-Aktivität.
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5.2
Begründe, welcher der beiden mRNA-Impfstoffe die bessere Wirksamkeit zeigt.
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