Aids - Segals Theorie erläutert: Bau
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[Bearbeiten] Zusammenfassung
[Bearbeiten] Arbeitsmethoden
[Bearbeiten] Bauteile eines Virus
Viren sind kleinste Träger von Erbinformationen. Sie haben eine Größe von 20nm bis 300nm. Ein nm (= Nanometer) ist eine Länge von 1 Meter geteilt durch 1 Milliarde. In einem Virus gibt es keine Stoffwechselvorgänge. Deshalb kann man es nicht so einfach vergiften. Nach einer längeren Zeit geht ein freies Virus zugrunde. Ein Virus kann eine Wirtszelle befallen und sich in ihr vermehren. Es gelangt an die Oberfläche der Wirtszelle und wird von ihr aufgenommen. In der Wirtszelle setzt es seine Erbinformation frei und veranlasst die Wirtszelle zur Produktion neuer Viren.
Viren enthalten ihre Erbinformation in einer Hülle, dem Kapsid, auch core genannt. Einige Viren sind zusätzlich von einer Lipid- Doppelschicht umgeben (env). Lipide sind Stoffe, die sich in unpolaren Lösungsmitteln lösen. Sie sind wasserabweisend. In diese Lipid- Doppelschicht sind verschiedene Eiweiße eingelagert.
Träger der Erbinformation ist zum einen die DNA (= Desoxiribonukleinsäure, als Speicher) und zum anderen die RNA (Ribonukleinsäure, zur Realisierung). Viren können sowohl DNA als auch RNA enthalten. Retroviren enthalten RNA und kopieren diese in die DNA der Wirtszelle. Weil die Wirtszelle eine spezifische Zelle ist, gelangt die Virusinformation dabei nicht in die Keimbahn.
Bei der Bekämpfung von Viren spielen Eiweiße eine Rolle. Sie sind in die Hüllen core und env eingelagert.
[Bearbeiten] Das Elekronenmikroskop
Lichtmikroskope erreichen eine maximale Auflösung von 200nm. Elektronenmikroskope erreichen eine maximale Auflösung von 0.1nm. Viren kann man deshalb gut mit einem Elektronenmikroskop sichtbar machen.
Lichstrahlen haben eine größere Wellenlänge als Elektronenstrahlen. Die Wellenläge ist deshalb größer, weil Lichtquanten eine kleinere Masse als Elektronen haben. Weil Viren kleiner sind, als die Wellenlänge des Lichtes, kann man von ihnen im Lichtmikroskop keine Einzelheiten mehr erkennen.
Bei einem Elektronenmikroskop wird das zu untersuchende Objekt in einem luftleeren Raum in den Gang der Elektronenstrahlen gebracht. Magneten richten die Elektronenstrahlen, ähnlich einer Optik, aus. Mit einem Leuchtschirm oder mit einer Fotografischen Platte kann man von den Strahlen ein Bild erzeugen. Es entstehen nur Schwarz- Weiss- Bilder.
- TEM (= Transmissionselektronenmikroskopie) verwendet dünne Schnitte mit einer ungefähren Dicke von 50nm. Das zu untersuchende Objekt ist in Kunstharz eingebettet. Es wird von Elektronen durchstrahlt.
- REM (= Rasterlektronenmikroskopie) kann für nicht durchstrahlbare Objekte verwendet werden. Das Objekt wird mit einem Schwermetallfilm bedampft und nachher mit einem Elektronenstrahl abgetastet. Das gewonnene Bild wirkt dreidimensional.
[Bearbeiten] Die Elekrophorese
Eiweiße bestehen aus verketteten Aminosäuren. Sie sind elektrisch geladen. Bei der Elektrophorese werden Eiweißgemische in die Mitte eines Gelstreifens gebracht und es wird an den Enden des Gelstreifens eine elektrische Spannung angelegt. Jetzt beginnen die elektrisch geladenen Eiweißmoleküle zum elektrisch entgegengesetzt geladenen Pol zu wandern. Abhängig von Ladung, Größe und Gestalt wandern die Moleküle unterschiedlich schnell. Man bricht dann ab und findet Streifen von Eiweißmolekülen an verschiedenen Positionen des Gelstreifens. Die so getrennten Eiweißmoleküle kann man durch Farbreaktionen kenntlich machen.
[Bearbeiten] Nachweis der Viren
[Bearbeiten] Antikörper
Viren kommen im Patienten nur in geringer Konzentration vor. Sie lassen sich schwer nachweisen. Einige Zeit nach einer Infektion bildet das Immunsystem Antikörper in höherer Konzentration. Nach dem Nachweis der Antikörper kann man auf eine Infektion schließen. Dazu bringt man Serum der Testperson und Virusproteine zusammen. Enthält das Serum der Testperson Antikörper, so heften sich diese an die Virusproteine. Die Anheftung kann man durch chemische Reaktionen feststellen.
[Bearbeiten] Direkter Virusnachweis
Weil das Virus sofort im Patienten vorliegt, lässt es sich zeitig nachweisen. Wieder wird das Virus durch eine Reaktion mit virusspezifischen Antikörpern nachgewiesen. Weil die Viren in zu geringer Konzentration in der Körperflüssigkeit vorliegen, müssen sie durch Züchtung vermehrt werden. Die Antikörper kann man aus infizierten Tieren gewinnen. Eine andere Möglichkeit sind monoklonale Antikörper. Sie entstehen wenn man eine Plasmazelle des Immunsystems genetisch mit einer Tumorzelle verbindet. Die Hybridzelle ist unbegrenzt teilungsfähig und produziert eine große Menge an Antikörpern.
[Bearbeiten] Gentechischer Nachweis durch Polymerase- Kettenreaktion
Damit kann man kleinste Mengen des Virus hochspezifisch nachweisen. Der Nachweis erfolgt an Hand der Erbinformation des Virus. RNA wird dabei vorher in DNA überführt. Danach wird die DNA durch eine Amplifikationsreaktion mehrfach verdoppelt. Durch Elektrophorese (Agarose Gelelektrophorese) kann man die verfielfältigte RNA bestimmen. Bei bestimmten Variationen des Verfahrens kann man die Viruslast quantitativ bestimmen.
[Bearbeiten] Zucht von Mikroorganismen in vitro
Agar Agar ist ein Produkt aus Zellwänden von Seealgen. Es ist unverdaulich und bildet ein Gel. Versetzt man es mit Nährstoffen und gibt es in eine Glasschale, so kann man darin Mikroorganismen züchten.
- Bakterien vermehren sich unter Aufnahme der Nährstoffe in einer Kettenreaktion. In einem bestimmten Zeitabstand teilt sich die Mutterbakterie in zwei Tochterbakterien. Die Bakterienkutlturen sind sichtbar. Eine Grenze der Vermehrung bildet die Größe des Lebensraumes.
- Viren vermehren sich nur in Wirtszellen. Die Wirtszellen müssen für die Kultur bereitgestellt werden. Die Wirtszelle streut kontinuierlich Viren. Vermehrt sich das Virus explosionsartig, dann platzt die Wirtszelle nach einiger Zeit. Die Grenze der Vermehrung ist das Angebot an Wirtszellen.
Mikroorganismen vermehren sich in einer Kettenreaktion explosionsartig. Wenn der Lebensraum gesättigt ist, kommt die Vermehrung zum Stillstand. Zeitlich entspricht das dem logistischen Wachstum. Sein Wesen ist zu Beginn die Exponentialfunktion. Die Geschwindigkeit beim Erreichen der Sättigung ist uninteressant:
- Eine Epidemie kann zu diesem Zeitpunkt nicht mehr verhindert werden, weil sie bereits eingetreten ist.
- Mediziner, die die Seuche bekämpfen sollen, können nicht mehr ernährt werden. Wirtschaftliche Probleme treten auf, weil fast alle krank sind und niemand mehr arbeiten kann.
[Bearbeiten] Genomvergleich
[Bearbeiten] Heteroduplex Hybridisierung
Dieses Verfahren ermöglicht den Vergleich zweier DNA- Stränge auf chemischem Weg. Die beiden Stränge werden an ihren Enden eingespannt. Enthalten sie jeweils die komplementäre Erbinformation, so bewegen sich die entsprechenden Nukleotidbasen aufeinander zu und die Stränge nähern sich gegeneinander an. Durch bestimmte Einstellungen am flüssigen Medium nähern sich auch Genome einander an, deren Erbinformation nur teilweise übereinstimmt. Das Verfahren ist fehlertolerant. Manchmal nähern sich nur Teilabschnitte einander an. Man kann hier ablesen, welche Teilabschnitte ähnlich sind.
[Bearbeiten] Blast
Blast ist ein rechnerisches Verfahren, um eine Anzahl von Genomen in einer Datenbank zu finden, die ein den Suchbegriff, hier ein kurzes Stück Erbinformation, enthalten. Der Algorithmus ist fehlertolerant[1].
[Bearbeiten] Genomplot
Genomplot[2] ist eine grafische Darstellung des Vergleiches zweier Genome als Fläche. Ist ein kurzes Teilstück eines Genoms ähnlich einem kurzen Teilstück des anderen Genoms, dann erscheint ein Punkt auf dem Diagramm. In der Regel werden beide, zu vergleichende Genome, fast gleich lang sein. Befindet sich der Treffer bei beiden Genomen an der gleichen Stelle, so liegt er auf der Diagonalen der Funktion y=x. Wurde aber ein Teilstück während der Fortpflanzung bei den Nachkommen an einer anderen Stelle eingesetzt, so liegt der Punkt an einer Stelle ausserhalb dieser Diagonalen. Die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Treffers beträgt dabei[3]:
p...Wahrscheinlichkeit, dass zwei beliebige Stellen im Genom ähnlich sind n...Länge des verglichenen Stückes m...Anzahl der Buchstaben im Alphabet k...Anzahl der übereinstimmenden Buchstaben im Vergleich
Sie liegt etwa bei 1 : 1 Million. Ein Genomplot kann man sowohl mit Nukleotidbasen als auch mit Aminosäuren machen. Der Vergleich der Aminosäuren bringt bessere Ergebnisse.
Der Screenshot zeigt die Ansicht eines Open Source Genomplot- Programmes. Es wurden zwei ähnliche Lentiviren verglichen. Die unterbrochene Diagonale zeigt, dass keine Stücken verschoben wurden, aber dass während der Evolution Veränderungen stattfanden. Die willkürlichen Punkte überall sind zufällige Ähnlichkeiten.
[Bearbeiten] Die äußere Hülle (env)
[Bearbeiten] Zusammenfassung
Das Hiv hat die Gestalt einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa 110 nm. Auf seiner Oberfläche sind gleichmäßig 72 Knöpfe des Eiweißes gp120 verteilt. Die Hülle besteht aus einer Lipid- Doppelschicht. Weil das Virus an die Wirtszelle andocken muss, kann das gp120 nicht mutieren.
[Bearbeiten] Lipid- Doppelschicht
Zusätzlich zum Kapsid besitzt das HIV eine äußere Hülle, die aus einer Lipid- Doppelschicht von 7nm Stärke besteht. Lipide sind dabei wasserabweisende Stoffe, wie Fette. Bei der Lipiddoppelschicht liegt die wasserabweisende Seite zwischen beiden Schichten und die fettabweisende Seite jeweils zum Mittelpunkt des Virus hin oder nach aussen hin. Der Durchmesser des Virus wird unterschiedlich angegeben:
Dringt das Virus in die Wirtszelle ein, dann wird es in mehreren Stufen in die Zellen aufgenommen und die Membran des Virus löst sich auf. Dieser Mechanismus heißt Endozytose. Eine andere Vorstellung geht davon aus, dass die Membranen von Virus und Wirtszelle miteinander verschmelzen. Dieser Mechanismus heißt Membranfusion.
[Bearbeiten] Knöpfe (knobs)
Die Membran ist in Abständen von etwa 20nm gleichmäßig von 72 Knöpfen besetzt. Ein Knopf besteht aus einem Stab von gp41, dass die 7nm starke Membran durchdringt und auf beiden Seiten aus ihr hinausragt. Außen sitzt darauf ein Stab von gp120. Dies ist das Eiweiß, dass den größten Massenteil am HIV ausmacht. Die Bedeutung des gp120 ist, dass es an den CD4 Rezeptor der Wirtszelle andockt und so das Eindringen des Virus ermöglicht. Das Virus hat jedoch nicht unbegrenzt Zeit, um seine Wirtszelle zu finden. Nach etwa 4 bis 5 Tagen werden die Knöpfe von der Oberfläche des Virus abgeworfen. Nach 7 Tagen ist das Virus nicht mehr infektiös.
[Bearbeiten] Impfungen gegen die äußere Hülle
Das Virus kann an den CD4 Rezeptor der Wirtszelle andocken, weil gp120 und der CD4 Rezeptor gegensätzliche, zueinander passende Oberflächen haben. Impfungen, die den Antikörper anti- gp120 stärken, sind angeblich deswegen wirkungslos, weil sich das gp120 derart verändert, dass der Antikörper wirkungslos wird. Das ist aber nicht glaubhaft. Wenn das gp120 mutiert, dann entstehen Viren, die mit ihrer veränderten Oberfläche nicht mehr an die Wirtszelle andocken können. Die Viren werden ausselektiert und können sich nicht vermehren. Es bleiben nur jene Viren für die Vermehrung übrig, bei denen das gp120 auf der Oberfläche nicht mutiert ist und die damit für den Antikörper erreichbar sind.
Das Versagen der Impfung könnte aber dadurch zustande kommen, dass:
- Das Virus 72 Knöpfe hat und damit eine nicht erreichbar hohe Konzentration an Antikörpern erforderlich wird.
- Das wegen der Beziehungen der Zellen des Immunsystems diese Zellen aneinander andocken und sie dafür ebenfalls gegensätzliche, zueinander passende, Oberflächen haben. Damit schädigt der Antikörper die B- Zelle. Es können überhaupt keine Antikörper mehr produziert werden und auch der Antikörper anti-p24 fehlt.
Eine Möglichkeit gegen die äußere Hülle zu impfen wäre vielleicht die Radioimmuntherapie, bei der man mit radioaktiv beladenen Antikörpern impft. Jedoch bestünde auch hier die Gefahr, andere Zellen des Immunsystems zu schädigen.
[Bearbeiten] Die innere Hülle (core)
[Bearbeiten] Zusammenfassung
Die innere Hülle des Hiv ist entweder kegelig oder zylindrisch. Das eingebaute Eiweiß p24 wird in die Hülle der Wirtszelle eingebaut. Das Immunsystem zerstört solche Wirte und senkt so die Viruslast. Als einziges Virus hat das Hiv zwei Reverse Transkriptasen. Diese Reversen Transkriptasen verursachen viele Mutationen am Virus und machen es so "anpassungsfähig" gegen Behandlungsmaßnahmen.
[Bearbeiten] Struktur
Die innere Hülle wird auch als core, als Kapsid oder als Nukleokapsid bezeichnet. Sie beinhaltet die Erbinformation des Virus. Das Core kann zwei verschiedene Formen haben:
- Abgestumpfter Kegel
- Zylinder
Seine Länge erreicht fast den Durchmesser des Hiv. Das core ist unter dem Elektronenmikroskop bei Durchsichtmikroskopie durch Schnitte des Untersuchungsobjektes zu erkennen. Je nach Drehung des Virus sieht man hier einen Kreis oder ein Trapez. Durch eine Bestimmte Schnittebene könnte man die kegelige Form für die zylindrische Form halten. Jedoch ist die gleichzeitige Existenz von Zylindern und Kegeln nachgewiesen. Der Mantel des core wird als Protokapsid bezeichnet. Darin sind Moleküle des Eiweißes p24 mit einer Länge von 7nm eingebaut.
[Bearbeiten] Einbau von p24 in die Oberfläche der Wirtszelle
Das Hiv ist ein Retrovirus. Seine Vervielfältigung erfolgt einer Kette von Schritten:
- Abschreiben der Virus Rna auf die Dna der Wirtszelle (Reverse Transkription)
- Evtl. Teilung der Wirtszelle und damit auch der Virus proviralen Dna
- Abschreiben der proviralen Dna auf die Rna der Wirtszelle und Zusammenbau zu mRna
- Die mRna bindet an ein Ribosom
- Spezifische tRna- Moleküle transportieren Aminosäuren zum Ribosom
- tRna Moleküle verbinden sich mit mRna- Molekülen, dabei wird das Eiweiß synthetisiert
- Aus den Eiweißen wird das Virus zusammengebaut und es verlässt die Wirtszelle
Bei der Synthese der Viruseiweiße wird auch das Eiweiß p24 der inneren Hülle erzeugt. Es mutiert sehr wenig. Ein Teil wird auch in die Oberfläche der Wirtszelle eingebaut. Wenn das Immunsystem einen solchen körpereigenen Wirt findet, zerstört es ihn. Bei Infizierten ist der Antikörper anti- p24 nachweisbar. Wenn er infolge der Zerstörung des Thymus zurückgeht, dann beginnt der (A)ids (R)elated (C)omplex und das Vollbild- Aids. In [7] ist der Impfstoff Remune patentiert, der bei bereits Infizierten den Antikörper anti- p24 stärkt und so die Viruslast verringert.
[Bearbeiten] Das Enzym Reverse Transkriptase
Mit dem Enzym Reverse Transkriptase kann im Experiment an jeder Virus Rna eine komplementäre Dna erzeugt werden. Diese Dna wird beim Hiv in das Genom der Wirtszelle eingebaut. Sie vervielfältigt sich mit der Wirtszelle.
Die Wirtszellen des Hiv (Makrophage und T4- Zelle) sind aber keine Keimzellen. Das Virus kann also nicht in die Keimbahn gelangen. Seine Übertragung von der Mutter auf das Kind erfolgt nicht durch den Einbau in die Dna sondern sie kann durch die Übertragung von Blut während der Geburt passieren.
Weiße Blutkörperchen, zu denen die Wirte des Hiv gehören, haben eine Lebensdauer von nur wenigen Tagen [8], Seite 26. Daher kann das Virus in ihnen nicht sehr lange ruhen.
Als einziges Virus der Welt hat das Hiv zwei Reverse Transkriptasen [9]. Eine ist bei dem pH- Wert 5.8 und die andere bei dem pH- Wert 6.3 aktiv. Zwischen beiden pH- Werten stören sich beide Reverse Transkriptasen gegenseitig und das Virus mutiert. Solche Zustände entstehen zum Beispiel, wenn die Wirtszelle gereizt wird und sie dadurch ihre Aktivität ändert.
Die schlechte Arbeit der Reversen Transkriptase beim Hiv führt zu vielen Mutationen. Das bedeutet zwar, dass viele nicht vermehrungsfähige Viren entstehen, es bedeutet aber auch, dass sich das Virus besser an seine Umweltbedingungen "anpassen" kann. Es wird resistent gegen angewendete Behandlungsmethoden.
[Bearbeiten] Die Erbinformation (RNA)
[Bearbeiten] Zusammenfassung
Die Erbinformation liegt im Hiv in Form von zwei ungleichen Rna- Strängen vor. Sie umfasst etwa 9700 Basenpaare. Ein Basenpaar kann 4 Zustände kennzeichnen. Das entspricht Brutto einer Dateilänge von 2.425 kByte. Die Länge der Rna der unten referenzierten Viren ist ähnlich groß.
[Bearbeiten] Verschiedene Viren
[Bearbeiten] Hiv (Mensch)
[Bearbeiten] Htlv (1) (Mensch)
[Bearbeiten] Visna (Schaf)
[Bearbeiten] Siv (Affe)
[Bearbeiten] Gegenüberstellung mit anderen Viren
Ein Vergleich der Genome (Genomplot)zeigt folgendes:
- Hiv : Visna -> Es gibt übereinstimmende Bereiche. - Hiv : Htlv 1 -> Nur punktuelle Übereinstimmung. - Hiv : Siv - cpz -> Fast Gleichheit.
Die Schaffung des Hiv aus Visna und Htlv 1 kann deshalb nicht gezeigt werden, weil Hiv und Siv - cpz in diesem Vergleich ähnlicher sind. Dem ist zu entgegnen, dass es keine wilde Form dieses Siv- Virus gibt, sondern alles Datenmaterial aus dem Labor stammt. Somit wäre es möglich, einen Schimpansen mit Hiv zu infizieren und die später entnommenen, mutierten Viren als Siv - cpz auszugeben.
[Bearbeiten] Hiv <-> Visna
[Bearbeiten] Hiv <-> Htlv 1
[Bearbeiten] Hiv <-> Siv - cpz
[Bearbeiten] Mutationen
[Bearbeiten] Allgemein
Mutationen sind Änderungen des Erbgutes. Wenn sie in die Keimbahn gelangen, dann werden sie an die Nachkommen weitergegeben. Mutationen können durch Strahlenmenge, Extremtemperaturen und Gifte verstärkt werden. Mutationen sind zunächst ungerichtet, es werden aber besser angepasste Nachkommen bevorzugt. Unterschiedliche Lebewesen haben verschiedene Mutationsraten. Die Mutationsrate einer Art ist in dem was mutiert wird selbst, also in der Erbinformation festgelegt. Ein Krankheitserreger kann sich durch Mutation oder durch Rekombination der Behandlung entziehen.
- geringe Mutationsrate -> Art kann sich nicht anpassen. - normale Mutationsrate -> Art findet ihre Evotutionsnische. - hohe Mutationsrate -> Keine lebensfähigen Nachkommen.
[Bearbeiten] Hiv und Mutationen
Das Hiv benutzt die Wirtszellen Makrophage und T4 zu seiner Vermehrung. Eine Besonderheit der Retroviren, zu denen das Hiv gehört, ist, dass sie ihre Erbinformation mit dem Enzym Reverse Transkriptase in die DNA der Wirtszelle schreiben. Die Virus- Erbinformation kann einmal oder mehrfach in der DNA einer Wirtszelle vorkommen. Bei diesem Vorgang kommt es jedoch zu Mutationen. Das Hiv ist das einzige Virus auf der Welt, das zwei Reverse Transkriptasen hat. Beide stören sich gegenseitig und verursachen so die hohe Mutationsrate. Während der Kern des Hiv relativ stabil ist, mutiert seine Hülle sehr schnell.
[Bearbeiten] Mutationen und Stammbaum
Während Arten mit diploider Erbinformation zwei unmittelbare Vorfahren haben, gibt es bei den haploiden Viren nur einen unmittelbaren Vorfahren. Ein Stammbaum diploider Arten hat mehrere Wurzeln, ein Stammbaum haploider Arten hat nur eine Wurzel.
[Bearbeiten] Widerstandsfähigkeit
- An der Luft kommt das Hiv mit Staub in Berührung und stirbt schnell ab. Man kann es nicht durch Händedruck übertragen. - In Flüssigkeiten überdauert es einige Zeit. Beispiel: Injektionsnadeln -> Wochenbereich. Zahnbürste -> Ansteckung möglich. - Es kann aus dem menschlichen Körper nicht entfernt werden. Nur wenn es keine Wirtszellen mehr gibt, dann verschwindet auch das Virus.
[Bearbeiten] Quellen
- ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/
- ↑ http://platcom.informatics.indiana.edu/platcom/
- ↑ Wolff, Hauck, Küchlin: "Mathematik für Informatik und Bioinformatik", Springer Verlag 2004, ISBN 3-540-20521-7, Seite 460
- ↑ Jakob Segal: "AIDS, Zellphysiologie, Pathologie und Therapie", VNW 1992, ISBN 3-88021-211-2
- ↑ http://de.wikipedia.org/wiki/HIV
- ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ICTVdb/ICTVdB/00.061.1.06.009.htm
- ↑ Patent US Patent 5,256,767 : Impfung gegen HIV
- ↑ Hans Kleinig, Peter Sitte: "Zellbiologie", Gustav Fischer Verlag 1992, ISBN 3-437-20482-3
- ↑ Chandra, P. et al.: Chemotherapeutic approaches in the control of the Acquired Immune Deficiency Syndrome. I.AIFO,2, 196- 206 (1987);II.AIFO, 2 265-275 (1987)
