Teil A – Immunbiologie
Den Nobelpreis für Medizin im Jahr 2020 erhielten die Virologen Harvey J. Alter, Michael Houghton und Charles M. Rice für die Entdeckung des viralen Erregers der Hepatitis C. Als Hepatitis wird eine Entzündung der Leber bezeichnet, deren häufigste Ursache eine Virusinfektion ist. Lange Zeit waren nur die Erreger von Hepatitis A und B bekannt und nachweisbar, so dass es für viele Fälle von Leberentzündungen keine Erklärung gab. Weltweit haben ca. 170 Millionen Menschen eine mit Hepatitis-C-Viren (HCV) infizierte Leber. Jährlich sterben etwa 350.000 Betroffene an den Folgen. Erst die Entdeckung des Hepatitis-C-Virus ermöglichte den Nachweis von Hepatitis-C-Antikörpern durch gezielte immunologische Verfahren und damit die Entwicklung wirksamer Heilmittel.
Heute können Hepatitis-C-Erreger auch direkt nachgewiesen werden. Für die Testung auf HCV-RNA wird die gesuchte Nukleinsäure vor dem eigentlichen Nachweis durch Polymerasekettenreaktion (PCR) vermehrt. Dazu wird das RNA-Genom vorher mittels des Enzyms Reverse Transkriptase in DNA umgeschrieben. Das Genom des Hepatitis-C-Virus identifizierten die Virologen erstmals im Jahre 1989 mit Hilfe gentechnischer Methoden. HCV hat eine kugelige Form, besitzt ein einsträngiges RNA-Genom und ist zusätzlich behüllt. Diese Virushülle besteht aus Bestandteilen der Cytoplasmamembran der ursprünglichen Wirtszelle und darin eingelagerten viralen Proteinen. Material 1: Aufbau des Hepatitis-C-Virus In einer befallenen Leberzelle kann das Genom des HCV direkt am Ribosom abgelesen werden und ein sogenanntes Viruspolyprotein entsteht. Aus einem Stück dieses Polyproteins bildet sich die HVC-Protease. Dieses Enzym zerschneidet dann das Polyprotein so, dass alle zur Bildung neuer Viren nötigen Virusproteine vorliegen. Die Virusproteine und das replizierte Virus-Genom werden zu neuen Viren zusammengesetzt. Bei rechtzeitiger Erkennung kann die Hepatitis C medikamentös wirkungsvoll behandelt und geheilt werden. Eingesetzt werden dabei Wirkstoffe, die in den befallenen Zellen Proteasen und Polymerasen hemmen und damit den Vermehrungszyklus der Viren unterbinden. Material 2: Vermehrung von HVC und Medikation gegen Hepatitis C
Heute können Hepatitis-C-Erreger auch direkt nachgewiesen werden. Für die Testung auf HCV-RNA wird die gesuchte Nukleinsäure vor dem eigentlichen Nachweis durch Polymerasekettenreaktion (PCR) vermehrt. Dazu wird das RNA-Genom vorher mittels des Enzyms Reverse Transkriptase in DNA umgeschrieben. Das Genom des Hepatitis-C-Virus identifizierten die Virologen erstmals im Jahre 1989 mit Hilfe gentechnischer Methoden. HCV hat eine kugelige Form, besitzt ein einsträngiges RNA-Genom und ist zusätzlich behüllt. Diese Virushülle besteht aus Bestandteilen der Cytoplasmamembran der ursprünglichen Wirtszelle und darin eingelagerten viralen Proteinen. Material 1: Aufbau des Hepatitis-C-Virus In einer befallenen Leberzelle kann das Genom des HCV direkt am Ribosom abgelesen werden und ein sogenanntes Viruspolyprotein entsteht. Aus einem Stück dieses Polyproteins bildet sich die HVC-Protease. Dieses Enzym zerschneidet dann das Polyprotein so, dass alle zur Bildung neuer Viren nötigen Virusproteine vorliegen. Die Virusproteine und das replizierte Virus-Genom werden zu neuen Viren zusammengesetzt. Bei rechtzeitiger Erkennung kann die Hepatitis C medikamentös wirkungsvoll behandelt und geheilt werden. Eingesetzt werden dabei Wirkstoffe, die in den befallenen Zellen Proteasen und Polymerasen hemmen und damit den Vermehrungszyklus der Viren unterbinden. Material 2: Vermehrung von HVC und Medikation gegen Hepatitis C
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Fertige auf unliniertem Papier eine beschriftete schematische Zeichnung eines Hepatitis-C-Virus an.
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2
Beschreibe den molekularen Aufbau eines RNA-Virus.
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3
Erläutere die Prozesse der humoralen Immunantwort gegen den Hepatitis-C-Virus.
04 BE
4
Begründe mit Hilfe von Material 2 die Wirkung der in den Medikamenten gegen Hepatitis C enthaltenen Substanzen.
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5
Beschreibe das Prinzip des Verfahrens der Polymerasekettenreaktion.
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Schematische Skizze eines Hepatitis-C-Virus:
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Molekularer Aufbau eines RNA-Virus:
- Das Genom eines RNA-Virus besteht aus RNA und nicht aus DNA
- RNA-Viren können behüllt oder unbehüllt sein.
- Sie besitzen Hüllproteine auf ihrer Oberfläche und ein Kapsid, welches das Genom umschließt.
- Die RNA kann als Einzelstrang oder als Doppelstrang vorliegen.
- Die RNA ist dabei entweder einteilig oder mehrteilig (segmentiert), und hat entweder die Polarität der mRNA (Plusstrang-Polarität) oder ist komplementär zur mRNA (Minusstrang-Polarität).
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Die humorale Immunantwort gegen den Hepatitis-C-Virus:
Als humorale Immunantwort werden Prozesse des Abwehrsystems bezeichnet, die durch nicht-zelluläre Bestandteile der Körperflüssigkeiten vermittelt werden. Bei dieser Abwehrreaktion des Körpers produzieren B-Lymphozyten Antikörper gegen ein bestimmtes Antigen, welche dann ins Blut abgegeben werden, und an dieses Antigen binden können. Im Fall des Hepatitis-C-Virus werden von den B-Lymphozyten Antikörper gegen den Hepatitis-C-Virus gebildet. Diese bilden mit dem Virus ein Aggregat, welches durch Fresszellen erkannt, und durch Phagocytose eliminiert wird.
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Wirkung der in den Medikamenten enthaltenen Substanzen gegen den Hepatitis-C-Virus:
Die eingesetzten Medikamente wirken in von HCV befallenen Zellen als Hemmstoff für Proteasen und Polymerasen. In einer von dem Virus betroffenen Leberzelle entstehen bei der Translation des Virusgenoms HVC-Proteasen. Werden diese durch die Medikamente gehemmt, so kann die HVC-Protease das Viruspolyprotein nicht mehr in funktionelle Virusproteine zerschneiden. Außerdem ist die Polymerasefunktion durch das Medikament beeinträchtigt. So kann das Virus Genom nicht von der Wirtszelle repliziert werden. Insgesamt wird so der Vermehrungszyklus des Hepatitis-C-Virus stark eingeschränkt.
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Prinzip der Polymerasekettenreaktion:
- Denaturierung: Die Doppelhelix wird bei einer Temperatur von ca. 95 °C in ihre beiden Einzelstränge aufgespalten. Das liegt daran, dass bei dieser Temperatur die Wasserstoffbrücken zwischen den einzelnen Basenpaaren aufgelöst werden.
- Hybridisierung: Hier werden bei 55 bis 60 °C Primer komplementär an die Template-DNA angelagert.
- Polymerisation: Die sogenannte Taq-Polymerase synthetisiert bei 72 °C ausgehend von dem 3'-Ende des DNA-Primers einen zum Matrizenstrang komplementären DNA-Strang.
- Dieser Zyklus wird so oft wiederholt, bis die gewünschte Menge des zu replizierenden DNA-Abschnittes entstanden ist. In der Regel umfasst dies etwa 20 bis 40 Zyklen.