Aufgabe C – Antikörpertherapie
Antikörper sind Bestandteile des Immunsystems des Körpers, die an der Abwehr eingedrungener Krankheitserreger sowie der Zerstörung veränderter körpereigener Strukturen beteiligt sind. Um gezielt bestimmte Krankheiten zu behandeln, werden sie inzwischen auch synthetisch hergestellt.
Analysiere die modellhafte Darstellung des Antikörpers in Abbildung 1 im Hinblick auf die Darstellung der vier Strukturebenen eines Proteins (M 1).
Formuliere eine Reaktionsgleichung in Strukturformelschreibweise für die formale Bildung eines Dipeptids aus zwei selbstgewählten Aminosäuren aus Material 2.
Ordne die Reaktion begründet einem Reaktionstyp zu (M 2).
Ergänze in Abbildung 3 geeignete Aminosäurereste des Antikörpers, die mit den dargestellten Aminosäureresten des Antigens Wechselwirkungen ausbilden können (M 2, M 3).
Beschreibe diese Wechselwirkungen.
Beurteile die von dir ergänzte Abbildung 3 anhand von drei Aspekten im Hinblick auf die modellhafte Darstellungsweise (M 2, M 3).
Erkläre die veränderten Bindungsfähigkeiten der Antikörper bei unterschiedlichen Lagerungsbedingungen (M 1, M 4).
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Aufbau und Funktionsweise von Antikörpern
Ein Antikörper besteht aus zwei identischen Paaren einer schweren und einer leichten Peptidkette, die zu einer Y-förmigen Struktur miteinander verknüpft sind (Abb. 1). Für die Funktion des Antikörpers muss diese Y-Form möglichst stabil sein. Dies wird unter anderem durch Disulfidbrücken erreicht.
Am Ende der Peptidketten befinden sich variable Bereiche (V), die sogenannten Antigenbindungsstellen. Diese Bereiche sind wichtig für die Immunabwehr. Krankheitserreger besitzen an ihrer Oberfläche bestimmte Strukturen, die sogenannten Antigene. An diese Strukturen binden die Antigenbindungsstellen der Antikörper und fixieren damit die Krankheitserreger. Diese Fixierung zwischen Antigenbindungsstelle und Antigen kann man sich modellhaft wie eine Schlüssel-Schloss-Passung vorstellen: Sie passen perfekt ineinander (Abb. 2).
Abb. 1: Modelldarstellung zum Aufbau eines Antikörpers
Abb. 2: Modelldarstellung zur Fixierung von Fremdkörpern durch die Antikörper
Material 2: Liste ausgewählter proteinbildender Aminosäuren
|
Name |
Systematischer Name |
|---|---|
|
Alanin |
2-Aminopropansäure |
|
Glutaminsäure |
2-Aminopentandisäure |
|
Lysin |
2,6-Diaminohexansäure |
|
Valin |
2-Amino-3-methylbutansäure |
|
Serin |
2-Amino-3-hydroxypropansäure |
|
Leucin |
2-Amino-4-methylpentansäure |
Material 3: Intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Antigen und Antikörper
Um ein Antigen zu fixieren, müssen zwischen der Oberfläche des Antigens und der variablen Region des Antikörpers intermolekulare Wechselwirkungen ausgebildet werden. Für diese reversible Anlagerung eines Antigens an einer der variablen Regionen des Antikörpers sind dabei die Reste der Aminosäuren-Bausteine von Antigen und Antikörper von entscheidender Bedeutung. Es bilden sich die gängigen Wechselwirkungen zwischen Peptidketten, die in Summe über die vielen Kontakte zwischen den Oberflächen zu einer spezifischen und starken Anhaftung führen.
Abb. 3: unvollständige Skizze, die ausgefüllt drei mögliche Antikörper-Antigen-Wechselwirkungen (1–3) zeigen soll
Material 4: Untersuchungen zur Stabilität von Antikörpern
Die Antikörpertherapie ist ein neues Feld der Medizin. Dafür werden gezielt spezielle Antikörper entwickelt. Eine Schwierigkeit bei der Anwendung dieser Therapieform ist die Stabilität der Antikörper bei der Lagerung. Ändert sich die räumliche Struktur des Antikörpers auch nur minimal, ist er oft nicht mehr in der Lage, Antigene zu binden. In diesem Zusammenhang wurden Untersuchungen zur pH- und Temperaturstabilität eines neu entwickelten Antikörpers durchgeführt.
In einem Vorversuch wurde die Bindungsfähigkeit des Antikörpers an ein bestimmtes Antigen gemessen und diese als 
definiert. Dann wurde eine definierte Menge Antikörper jeweils 40 Tage bei verschiedenen Temperaturen und pH-Werten aufbewahrt und die Bindungsfähigkeit erneut gemessen. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Bindungsfähigkeit bei einer Lagerung im Kühlschrank und bei 
und 
kaum beeinträchtigt wird. Bei 
kommt es zu einer deutlichen Verminderung, bei 
zu einer leichten Verminderung der Bindungsfähigkeit. Bei 
ist nach 40 Tagen kaum noch eine Bindungsfähigkeit vorhanden.
Quellen:
Material 1:
Ma, H., Ó’Fágáin, C. & O’Kennedy, R. (2020). Antibody stability: A key to performance - Analysis, influences and improvement. Biochemie, 177, S. 213–225. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2020.08.019
Material 3, 4:
K. Griffiths, K., Dolezal, A., Parisi, K., Angerosa, J., Dogovski, C., Barraclough, M., Sanalla, A, Casey, J., González, I., Perugini, M., Nuttall, S. & Foley, M. (2013). Shark Variable New Antigen Receptor (VNAR) Single Domain Antibody Fragments: Stability and Diagnostic Applications. Antibodies, 2, S. 66-81. https://doi.org/10.3390/antib2010066
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-
Die schematische Quartärstruktur ist in Abb. 1 zu sehen. Sie wird durch Disulfidbrücken zwischen den unterschiedlichen Peptidketten stabilisiert.
Die Quartärstruktur beschreibt die Anordnung von mehreren Polypeptidketten, die sich zu einem Proteinkomplex zusammenlagern. -
Die Tertiärstruktur ist in Abb. 1 kaum zu erkennen, es sind lediglich Umrisse der dreidimensionalen Struktur angedeutet. Die genaue Tertiärstruktur ist nicht zu erkennen.
Die Tertiärstruktur beschreibt die gesamte dreidimensionale Struktur eines Protein-Moleküls, die sich aufgrund der möglichen Wechselwirkungen und Bindungen zwischen den Resten der Aminosäuren ergibt. -
Die Sekundär- und die Primärstruktur sind nicht zu erkennen. Allerdings ist durch die Disulfidbrücken auf ein Vorhandensein einer schwefelhaltigen Aminosäure zu schließen.
-
Die Sekundärstruktur beschreibt die räumlichen Anordnungen, die durch die Wechselwirkung der Peptidgruppen miteinander entstehen
Helix und 
Faltblatt).
Die Primärstruktur beschreibt die Abfolge der Aminosäuren in einer Peptidkette.
Formulierung der formalen Reaktionsgleichung
Hinweis: In der dargestellten Kondensationsreaktion werden Alanin und Glutaminsäure gezeigt. Es können auch andere Aminosäuren gezeigt werden.
Hinweis: In der dargestellten Kondensationsreaktion werden Alanin und Glutaminsäure gezeigt. Es können auch andere Aminosäuren gezeigt werden.
Begründete Zuordnung des Reaktionstyps
Kondensation: Zwei Moleküle (hier Aminosäure-Moleküle) reagieren zu einem größeren Molekül (hier Dipeptid-Molekül) unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (hier ein Wasser-Molekül).
Ergänzung der Abbildung
Beschreibung der Wechselwirkungen
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1: |
Wasserstoffbrücke zwischen den freien Elektronenpaaren des Sauerstoff-Atoms und dem positiv polarisierten Wasserstoff-Atom |
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2: |
Wechselwirkungen zwischen unpolaren Kohlenwasserstoffresten, dadurch Anziehungskräfte zwischen temporären Dipolen |
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3: |
Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen |
Beurteilung der modellhaften Darstellungsweise anhand von drei Aspekten
Mögliche Aspekte:
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Die Skizze lässt mögliche Wechselwirkungen zwischen dem Antikörper und dem entsprechenden Antigen ableiten.
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Die Passgenauigkeit der Aminosäurereste zwischen Antigen und Antikörper kann auf molekularer Ebene dargestellt werden.
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Die Strukturebenen sind in der Darstellung vermischt (Stoff-Teilchen).
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Die molekularen Strukturen des Antigens und des Antikörpers sind nicht differenziert dargestellt.
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Es wird nicht deutlich, ob die Reste zu benachbarten Aminosäure-Bausteinen gehören.
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Es ist nicht dargestellt, ob die Anzahl der Wechselwirkungen zwischen Antigen und Antikörper exemplarisch oder vollständig ist.
Sachurteil: Die Abbildung ist zwar stark vereinfacht und dadurch fachlich ungenau, ist aber geeignet, um die unterschiedlichen Möglichkeiten der Wechselwirkungen zwischen dem Antigen und dem Antikörper zu zeigen.
Durch Temperaturerhöhung kommt es zur Zunahme der Teilchenbewegung. Dadurch können Wechselwirkungen innerhalb und zwischen den Peptidketten der Antikörper aufgehoben und neu gebildet werden. So kommt es zur dauerhaften Strukturveränderung im Bindungsbereich des Antikörpers und damit zur Verringerung der Bindungsfähigkeit. Bei erfolgt eine fortgeschrittene Denaturierung.
Änderung des pH-Werts in den sauren bzw. basischen Bereich führt zu Protonierung bzw. Deprotonierung saurer bzw. basischer Reste der Aminosäuren. Auch das führt zu Formveränderungen und vermindert die Fähigkeit, Wechselwirkungen mit den Antigenen auszubilden.