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AntikörperEin Überblick Referat von Robert Bozsak
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Gliederung
• Antikörper allgemein
• generelle Struktur (Ketten)
• Isotypen - Vorkommen und Funktion
• generelle Sturktur (funktionelle Fragmente) und Definition: Allotypen
• von der DNA zum Antikörper (Klassenwechsel, V(D)J-Rekombination, somatische Hypermutation)
• Antigenerkennung im Antikörper
• Fragen & Antworten
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Antikörper allgemein
• Antikörper (auch: Immunglobuline, Ig) sind wichtiger Teil der erworbenen (adaptiven) Immunität und dienen der spezifischen Abwehr von Antigenen
• Sie sind Proteine, die als Reaktion auf Antigene gebildet werden
• Die Bildung erfolgt durch differenzierte B-Zellen (Plasmazellen)
• Antikörper kommen im Blut und in der extrazellulären Flüssigkeit der Gewebe vor
• Es werden sezernierte (abgesonderte) Antikörper (hydrophil) und membrangebundene B-Zell (BCR) / T-Zell (TCR) Antigenrezeptoren (hydrophob) unterschieden
• Sie „erkennen“ meist nur einen Teil der Struktur des Antigens (z.B. einer Polysaccharidhülle), die antigene Determinante (Epitop) und binden sich über eine spezifische nicht-kovalente Bindung zum Antigen-Antikörper-Komplex (hauptsächlich elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen)
• Aufgaben: Neutralisation von Antigenen, Opsonisierung, Aktivierung des Komplementsystems, ADCC, Agglutination
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generelle Struktur (Ketten)
• Jeder Antikörper weist ungefähr eine Y-Form auf mit einer antigenbindenden V-Region (variabel) und einer C-Region (konstant) zum Auslösen von Effektormechanismen
• Dazu kommt die Unterteilung in zwei paarweise identisch vorkommenden Polypeptid- ketten, der schweren H-Kette und der leichten L-Kette
• Die Ketten sind durch mehrere Disulfidbrücken verknüpft
• Leichte Ketten bestehen aus jeweils einer variablen und konstanten (Immunglobulin-)Domäne (eigener, kompakt gefalteter Abschnitt; VL
und CL)
• Schwere Ketten besitzen eine variable und 3 (IgG, IgA) oder 4 (IgM, IgE) konstante Domänen (VH, CH1, CH2, ...)
• Die variablen Domänen der schweren und leichten Kette bilden die Antigen-bindungsstelle
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generelle Struktur (Ketten)
• Es gibt zwei Typen von leichten Ketten pro Antikörper (entweder Lambda λ-oder Kappa κ-Ketten) ohne funktionellen Unterschied und mit einem artspezifischen Verhältnis (z.B. κ:λ bei Menschen 2:1, bei Rindern 1:20)
• Dazu gibt es noch fünf Typen von schweren Ketten, die zur Einteilung aller Immunglobuline in Hauptklassen oder Isotypen dient
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Isotypen (Klassen)
• Die fünf wichtigsten Immunglobulinklassen heißen Immunglobulin G (IgG), Immunglo-bulin M (IgM), Immunglobulin A (IgA), Immunglobulin D (IgD) und Immunglobulin G (IgE)
• Ihre charakteristischen funktionellen Eigenschaften erhalten die schweren Ketten durch ihre carboxyterminalen Hälften
• Immunglobuline haben auch einen hohen Stellenwert in der Medizin (z.B. Anwendung als passiver Impftstoff, in der Onkologie, bei Autoimmunerkrankungen oder als Teil des radioaktiven Tracer bei Szintigrafien)
• Biologie: z.B. Nachweis von Proteinen mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen
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generelle Struktur (funktionelle Fragmente)
• Mithilfe von Enzymen (Proteasen) lassen sich die Polypeptidsequenzen an bestimmten Aminosäuren spalten
• Beispiel: Verdauung mit Papain (li.) und Pepsin (re.)
• Papain spaltet Antikörpermoleküle in zwei identische Fragmente, mit antigen-bindender Aktivität (Fab = fragment antigen binding; komplette leichte Kette + VH + CH1) und einem Fc- Fragment (fragment crystallizable), mit konstanten Regionen
• Pepsin spaltet es in ein F(ab‘)2-Fragment mit voller Bindungseigenschaft für das Antigen und mehreren kleinen Fragmenten der schweren Kette
• Mittels gentechnischer Verfahren lassen sich viele verschiedene Antikörperteil-stücke herstellen, die sich z.B. an Proteintoxine oder Tumorantigene nur mit einem verkürzten Fab-Fragment binden (siehe: einkettiges Fv = fragment variable)
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generelle Struktur (Hinge-Region) /Definition „Allotypen“
• alle Proteindomänen verbinden sich zu drei gleich großen globulären Teilen, die über ein bewegliches Stück, der Gelenkregion (Hinge), flexibel miteinander verbunden sind
• Dieses „molekulare Kugelgelenk“ erlaubt unabhängige Bewegung beider Fab-Arme, sodass sich auch (z.B. an Haptenen) Dimere, Trimere, Tetramere, usw. ausbilden können
• Definition Allotyp: Existieren an einem Genort innerhalb einer Population verschiedene Allele, so werden die Genprodukte als Allotypen bezeichnet, d.h. eine hohe Anzahl an Allelen kodieren ihre jeweiligen Proteine
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von der DNA zum Antikörper: allgemein /Entstehung der Vielfalt im Antikörper-Repertoire
• In jedem Lebewesen gibt es zu jedem Zeitpunkt mindestens 108 verschiedene Lymphocytenspezifitäten; eine so große Anzahl, dass sie nie in der DNA codiert werden könnte
• Zur Herstellung von spezifischen Antikörpern bei einer Immunantwort durchläuft der Organismus zwei Schritte:
• Erstens: Bei der Reifung von B-Zellen (oder bei TCRs) wird ihre Rezeptorspezifität durch den Prozesse der somatischen Rekombination rein zufällig aus DNA-Segmenten irreversibel geprägt. Auch spielt die junktionale Vielfalt eine Rolle.
• Zweitens: Nach der Aktivierung einer B-Zelle kann durch somatische Hypermutation (der V-Domänen) und dem Klassenwechsel (der C-Region) eine weitere Anpassung auf dem Weg zur differenzierten Plasmazelle und den sezenierten Antikörpern vorgenommen werden
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von der DNA zum Antikörper: V(D)J-Rekombination
• während der Reifung der B-Lymphocyten im Knochenmark werden unterschiedliche DNA-Abschnitte für die leichten und schweren Ketten zufällig miteinander kombiniert
• V-Regionen beider Ketten setzen sich aus V,D,J-Segmenten bei den schweren und V,J-Segmenten bei den leichten zusammen
• Obwohl es von jedem Segment im Genom mehrere Varianten gibt (Allotypen), ist es Zufall, welches Variante zum Zug kommt
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von der DNA zum Antikörper: V(D)J-Rekombination
• Dieses Ereignis ist einmalig und irreversibel, alle Nachkommen weisen die gleiche Spezifität auf
• Es ist der einzige Prozess im Lebewesen, bei dem die DNA in somatischen, proliferierenden Zellen gezielt verändert wird
• In der Tabelle rechts sind die daraus entstehende Möglichkeiten beim Menschen errechnet
• Die Diversität wird weiterhin durch Deletion oder Hinzufügen von Nucleotiden während der Rekombination erhöhrt. Dieser Prozess beschreibt die junktionale Vielfalt
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von der DNA zum Antikörper: Klassenwechsel & somatische Hypermutation
• Im Zuge der Immunantwort sind jedoch weitere Genveränderungen möglich
• Durch gehäufte Punktmutation im Prozess der somatischen Hypermutation können in der V-Region Änderungen hervorgerufen werden, die im B-Zellklon zu einer stärkeren Stimulierung durch das Antigen führen
• Dadurch wird ihm ein Wachstumsvorteil gegeben
• Dieser Mechanismus der Affinitätsreifung ist nur bei B-Zellen beobachtet worden
• Obwohl der variable Teil eines Antikörpermoleküls bei einer klonalen Zelllinie gleich bleibt, ist beim konstanten Teil der Austausch zu einer anderen Klasse möglich
• Dieser Prozess heißt Klassenwechsel und wird durch Cytokine von T-Lymphozyten beeinflusst
• Die Synthese kann immer nur in folgender Reihenfolge ablaufen:
• IgM, IgD, IgG, IgE und IgA
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Antigenerkennung im Antikörper
• Antigenerkennung durch den V-Teil
Hypervariable Regionen
Innerhalb der V-Regionen von Antikörper-Molekülen finden sich auffällige Bereiche, in denen die Aminosäure-Sequenzen stark variieren, hypervariabel sind. Diese Bereiche determinieren die Bindungseigenschaften des Antikörpers und sind komplementär zum Antigen CDR = complementarity determining region
CDRs
Die Domänen von Immunglobulinen besitzen eine charakteristische Tertiärstruktur, die sich auch bei vielen Molekülen findet, die keine Antikörper sind.
Jede H- und jede L-Kette besitzt innerhalb ihrer V-Region drei complementarity dertermining regions (CDRs), von denen Antigenbindung und damit die Spezifität des Antikörpers bestimmt werden.
• Die kombinatorische Vielfalt lässt sich also durch Verbindung verschiedener variablen Regionen der schweren und leichten Kette stark erhöhen (vgl. zusätzlich zur V(D)J-Kombination)
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Fragen und Antworten
Noch Fragen?Wenn nicht, dann
vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! :)
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Quellen• http://de.wikipedia.org/wiki/Antikörper
• http://de.wikipedia.org/wiki/V(D)J-Rekombination
• http://de.wikipedia.org/wiki/Somatische_Hypermutation
• http://ikit.uniklinikum-leipzig.de/download/v2.pdf
• http://www.archetypum.net/projects/immunologie/fs0.html
• http://www.ruhr-uni-bochum.de/vkmed/rub-grafiken/Immunologie1
• http://www.ursprung.at/ursprung/projekte_extern/allergiehp_kids/huber/projektarbeit_huber.htm
• Immunbiologie: Eine Einführung von Jürgen Neumann, Springer 2008
• zugesandte Info-Materialien