Biologie: 9. Klasse

Reiz und Reaktion

Aufnahme, Verarbeitung und Weitergabe von Informationen sind wesentliche Kennzeichen biologischer Systeme. Dies kann auf zellurärer Ebene auf verschiedene Art und Weisen erfolgen.

Schema von Reiz und Reaktion

Das Verhältnis von Reiz und Reaktion kann vereinfacht wie folgt dargestellt werden:

Informationsweiterleitung

Sinneszellen können nur bestimmte Reize aufnehmen und dadurch elektrische Impulse erzeugen; dies nennt man „adäquate Reize“. Dies ist z.B. der Fall, wenn Licht auf die Sinneszellen im Auge trifft.

Diese können aber auch einen elektrischen Impuls erzeugen, wenn starker Druck auf das Auge ausgeübt wird. Dies liegt daran, dass durch die hohe Reizenergie sehr hoch ist. Man nennt dies „inadäquate Reize“.

Bau einer Nervenzelle

Diese Impulse werden bei Tieren durch die Neuronen (Nervenzellen) übertragen.

Das Soma bildet mit den Dendriten bildet den Zellkörper. Eine Synapse wird ausgebildet, wenn zwei Neuronen durch ein Axon miteinander verbunden werden. An dieser Stelle werden Informationen von einer Nervenzelle zur nächsten weitergereicht.

Die Schwann'schen Zellen haben nicht nur die Aufgabe das Neuron (die Nervenzelle) zu isolieren, sondern haben auch die Aufgabe, es zu stützen und zu ernähren. Man unterscheidet dabei verschiedene Nervenzelltypen:

• Sensorische Nerven: Sie leiten Informationen zum zentralen Nervensystem (ZNS)
• Motorische Nerven: Informationen werden hier zu den Erfolgsorgangen geleitet
• Interneuronen: Sie befinden sich nur im ZNS

Ruhepotenzial

Jede lebende Zelle besitzt an ihrer Membran eine bestimmte Spannung. Ihre Innenseite ist negativ und ihre Außenseite positiv geladen. Die Ursache für dieses Ruhepotenzial ist eine unterschiedliche Innenverteilung.

Übertragung von Informationen an einer Synapse

Ein elektrischer Impuls kommt im Endknoten an. Transmitter lösen sich von einem Bläschen und wandern durch die synaptische Spalte. Die Transmitter verbinden sich mit auf dem anderen Neuronen befindlichen Rezeptoren und leiten somit den elektrischen Impuls weiter. Nach diesem Vorgang werden die Transmitter durch Enzyme geteilt und recycelt.

Reflexe

Reflexe sind „Alles-oder-Nichts“-Reaktionen. Wird eine bestimmte Reizschwelle überschritten, um startet der Vorgang. Dieser läuft immer in einer gleichen starren Art und Weise ab. Reflexe gehören zu den angeborenen Verhaltensweisen.

Das kann man gut am Kniesehnenreflex beobachten: Trifft ein Objekt auf die entspannte Kniesehne, dehnt sich der Oberschenkel. Durch das Rückenmark (durch die sensorische Faser) werden elektrische Impulse weitergeleitet. Anschließend werden die Informationen durch die motorische Faser an den Oberschenkelmuskel geleitet, wodurch sich dieser kontrahiert und sich der Fuß nach vorne bewegt.

Das menschliche Gehirn

Das Gehirn ist der Teil des zentralen Nervensystem, der im Kopf bzw. in der Schädelhöhle liegt und die zentrale Steuerstelle des Körpers darstellt. Es verarbeitet die Sinneswahrnehmungen und steuert komplexe Verhaltensweisen.

Im Gehirn befinden sich circa 86 Milliarden Neuronen, die über ungefähr 100 Billionen Synapsen miteinander verbunden sind. Durch die Interaktion untereinander können Gedanken gebildet, Bewegungsmuster ausgeführt und die körperlichen Funktionen aufrecht erhalten werden.

Abschnitte des Gehirns und ihre Aufgaben

Das Gehirn ist in verschiedene Abschnitte unterteilt. Dabei übernimmt ein Teil jeweils eine gewisse Aufgabe, wobei häufig im Gehirn nebeneinander liegt, was nebeneinander im Körper liegt. Man kann folgende (grobe) Einteilung vornehmen:

Auf der Großhirnrinde lassen sich verschiedene sensorische und motorische Rindenfelder abgrenzen. In den sensorischen Hirnfeldern werden nach Eingang elektrischer Impulse die entsprechenden Empfindungen, Wahrnehmungen aufgelöst (Sehfeld: Sehen; Hörfeld: Hören; sensorisches Rindenfeld: Körpergefühle).

Zum Großhirn gehören (verglichen mit der obigen Darstellung) der Frontallappen (zuständig für Bewegungen), der Parietallappen (Verarbeitung sensorischer Wahrnehmungen), der Okzipitallappen (Sehzentrum) und der Temporallappen (Sprachzentrum, Gedächtnis).

Die verschiedenen Phasen des Gedächtnis

Lernvorgänge laufen im Gehirn ununterbrochen ab. Reize aus der Umwelt werden ständig aufgenommen. Die eintreffende Informationsmenge ist dabei abhängig von der Art des Reizes: So können olfaktorische Reize (Gerüche) etwa 20 Bit pro Sekunde, visuelle circa 10 Millionen Bit pro Sekunde (1 GB) enthalten.

Die Datenfülle wird in den vorgeschalteten Gedächtnissystemen verringert, bevor sie im Langzeitgedächtnis ankommt und abgespeichert wird.

Das sensorische Gedächtnis

Das sensorische Gedächtnis oder Ultrakurzzeitgedächtnis speichert aufgenommene Informationen innerhalb der Sinnesorgane. Die Reize werden in Erregungen umgewandelt und eine halbe bis mehrere Sekunden zur Verarbeitung bereitgestellt.

Das Arbeitsgedächtnis

Im Kurzzeitgedächtnis werden Informationen circa zehn Sekunden bis wenige Minuten gespeichert. Die Aufnahmefähigkeit ist jedoch auf wenige Einheiten beschränkt. Sind zu einer Situation bereits Daten im Langzeitgedächtnis vorhanden, werden sie miteinander assoziiert, (nach Gefühlslage) bewertet und abgespeichert; werden sie nicht verknüpft, gehen die Informationen verloren.

Die linke Hirnhälfte ist für das neutrale Wissen zuständig, die rechte für Erlebnisse und emotionsbetonte Informationen. Damit diese in das Langzeitgedächtnis kommen können, müssen sie assoziiert werden und zudem wiederholt werden, bis eine kritische Schwelle überschritten ist.

Das Langzeitgedächtnis

Die ankommende Information wird abgespeichert. Wenn man sich jedoch nicht daran erinnern kann, so ist sie durch andere Informationen überlagert oder der Abrufvorgang gehemmt.

Eine wichtige Rolle beim Speichern spielt das Limbische System mit dem Mandelkern, der Amygdala. Hier werden Daten auf ihre biologische und soziale Bedeutsamkeit geprüft und mit Emotionen verbunden, die auch für den Lernprozess und die Einschätzung der aufgenommenen Reize bedeutend sind.

Gedächtnissysteme

Derzeit teilt man das Langzeitgedächtnis in den unterbewussten Informationsspeicher (mit dem prozeduralen Gedächtnis und Priming) und in den bewussten Informationsspeicher (mit dem Wissensgedächtnis, episodischen und perzeptuellen Gedächtnis). Das Wissen wird verstreut im Gehirn gespeichert. Bevorzugt werden individuell besonders beeindruckende Eckwerte des Wissens gespeichert und nach Qualität an an verschiedenen Stellen abgelegt.

Beim Erinnern setzt das Gehirn das Gelernte aus den abgelegten Eckwerten wieder zusammen. Dies geschieht auf Grundlage persönlicher Lernerfahrungen, es wird also interpretiert. Somit sind Erinnerungen nicht identisch mit ursprünglichen Lerngegenständen.

Schutz

Das Gehirn ist von einer weichen Hirnhaut umgeben. Dann folgt die sog. Spinngewebshaut, die schwammartig und mit Hirnflüssigkeit gefüllt ist. Danach folgt die harte Hirnhaut und den Abschluss nach außen bilden die Schädelknochen und die Kopfhaut. Die Schädelknochen schützen vor Stoßeinwirkung. Außerdem schwimmt das Gehirn „stoßgedämpft“ in der Hirnflüssigkeit.

Stoffwechsel des Gehirns

Blutgefäße geben an die Hirnflüssigkeit Nährstoffe ab und nehmen Abfallstoffe auf. Es gibt aber keinen direkten Kontakt zwischen den Blutgefäßen und den Nervenzellen. Man spricht von der „Blut-Hirn-Schranke“. Sie dient dazu, dem Nervengewebe besondere Milieubedingungen für das Nervengewebe aufrechtzuerhalten und das Gehirn vor im Blut zirkulierenden Krankheitserregern, Toxinen und Botenstoffen zu schützen.

Das Vegetative Nervensystem

Sympathikus und Parasympathikus

Viele Körperfunktionen werden automatisch gesteuert, z.B. wird beim morgendlichen Aufstehen der Herzschlag schneller, der Blutdruck steigt und die Atmung beschleunigt sich. Das Vegetative Nervensystem (VNS) arbeitet autonom und besteht aus zwei Bereichen, dem Sympathikus und dem Parasympathikus. Beide arbeiten antagonistisch, also entgegengesetzt.

Sympathikus

Der Sympathikus besteht aus zwei Nervensträngen, die parallel zur Wirbelsäule liegen. Sie bilden eine Verbindung zum Rückenmark und zu allen Organen. Die Transmitter sind Adrenalin und Noradrenalin. Bei einer Gefahr werden alle Organe angeregt, die für eine körperliche Aktivität verantwortlich sind; zusätzlich werden die Organe gehemmt, die der Erholung dienen, wie das Verdauungssystem.

Parasympathikus

Der Parasympathikus versorgt ebenfalls alle Organe. Der Transmitter ist das Acetylcholin. Es aktiviert die Organe, die der Regenartion dienen und hemmt diejenigen, die die körperliche Leistungsfähigkeit steigern.

Stress: Aufbau und Wirkungsweise des VNS

Unter dem Begriff „Stress“ werden Einflüsse auf den Organismus wie Hitze, Schmerzen und bedrohliche Situationen, die Angst auslösen, zusammengefasst. Eine solche Situation nennt man Stressor. Deren Einwirkung beantwortet der Körper mit einer Erhöhung der Leistungsbereitschaft, der Stressreaktion. An dieser Reaktion sind sowohl das VNS als auch das Hormonsystem beteiligt.

Es sind zwei Stressarten zu unterscheiden:

• Eustress: Der Eustress ist ein positiver Stress. Zwar befindet man sich in einer schwierigen Lage, die Situation wird aber als Herausforderung angesehen, die man bewältigen kann. Man hofft (oder erwartet), dass man erfolgreich sein wird.
• Dysstress: Dem gegenüber ist der Dysstress ein negativer Stress. Man befindet sich in einer Situation, die als sehr unangenehm empfindet wird, da man glaubt, dass man überfordert ist (man möchte fliehen). Das Syndrom „Fight-or-Flight“ kann auftreten, d.h. man sieht sich als hilfloses Opfer und neigt dann zu Aggressionen.

Wird der Körper mit einem Stressor konfrontiert, starten mehrere Stressreaktionen:

• Der Hypothalamus regt die Hypophyse zur Ausschüttung eines Hormons an.
• Dieses regt die Nebennierenrinde zur Ausschüttung von Stresshormonen an; sie regulieren den Fett-, Kohlenhydrat- und Proteinstoffwechsel.
• Über den Sympathikus des VNS wird das Nebennierenmark aktiviert; es gibt die Stresshormone Adrenalin und Noradrenalin ab.

Erkrankungen des Nervensystems: Die Kinderlähmung

Die Kinderlähmung wird durch den Poliovirus ausgelöst. Er befällt Menschen sowie Menschenaffen und ist umweltstabil. Der Virus wird in der Regel oral, d.h. über den Mund, aufgenommen. Die Übertragung erfolgt durch kleine Schwebeteilchen in der Luft, die Aerosole, an denen der Virus haftet. Er kann auch dadurch übertragen werden, dass man verunreinigtes Wasser oder verunreinigte Lebensmittel zu sich nimmt.

Die Kinderlähmung ist weltweit mit Ausnahme der Polargebiete verbreitet. Der Krankheitsverlauf ist wie folgt: Vermehrung der Viren im Darm; Ausbreitung über Blutkreislauf im Körper; unspezifische Symptome, z.B. Kopf-, Hals-, Gliederschmerzen, Fieber, Durchfall.

Häufig endet damit die Krankheit. Es werden aber Zellen des ZNS befallen. Dringen Viren in die Zellen ein, dann treten als Symptome Fieber, Nackensteifheit sowie Rücken- und Muskelschmerzen auf. Dies ist nur bei wenigen Prozent der Erkrankten der Fall. Nur bei etwa einem Prozent der Infizierten tritt das Vollbild der Kinderlähmung auf: Entzündung und Zerstörung der Nervenzellen. Man kann die Krankheit nicht therapieren, man kann sich aber dagegen impfen lassen.

Das Auge

Die Augen sind beim Menschen das wichtigste Sinnesorgan: Der Mensch ist ein „Augentier“. Sie sind empfindliche Sinnesorgane und liegen deshalb zum Schutz in den knöchernen Augenhöhlen des Schädels eingebettet in einem Fettpolster.

Der Bau des Auges

Das Auge besteht aus mehreren Häuten:

• Lederhaut: Sie ist aus Bindegewebe. Der durchsichtige Bereich für den Lichteintritt wird Hornhaut (5) genannt.
• Aderhaut: In ihr sind viele Blutgefäße. Sie versorgt die anliegenden Schichten mit Nährstoffen und Sauerstoff.
• Iris mit Pupille: Die Iris reguliert das ins Auge einfallende Licht (analog zur Blende eines Fotoapparates). Sie kann vergrößert oder verkleinert werden; entsprechend groß ist dann die Pupille.
• Netzhaut: Enthält Sinneszellen (Rezeptoren), die Lichtreize in elektrische Impulse umwandelt.
• Linse: Sie ist durchsichtig, elastisch, spannbar und lichtbrechend.
• Glaskörper: Er ist gallertartig, füllt das Augeninnere aus und verleiht dem Auge die feste runde Form (Augapfel).
• Ziliarmuskel: Der Muskel liegt ringförmig um der Linse und ist mit ihr durch Linsenbänder verbunden.
• Augenmuskeln: Sechs an der Lederhaut angewachsene Augenmuskeln bewegen den Augapfel.
• Augenlider und Wimpern: Sie dienen als Schutz. Die Lider befeuchten mit der Tränenflüssigkeit ständig die Hornhaut.
• Augenbrauen: Sie schützen ebenfalls das Auge, z.B. vor Schweiß.
• Tränendrüsen: Sie produzieren Flüssigkeit für die Befeuchtung und Reinigung der Linse

Die Akkommodation: Nah- und Ferneinstellung

Durch die elastische und verformbare Linse können nahe und ferne Gegenstände scharf wahrgenommen werden. Die Anpassung an die veränderten Tiefen nennt man Akkomodation.

Bei einem fernen Gegenstand wird eine geringe Brechkraft benötigt, d.h. die Linse wird abgeflacht. Dies wird erreicht, wenn sich der Ziliarmuskel entspannt und die Linsenbänder dadurch gespannt sind. Da keine Muskelarbeit benötigt wird, kann man in die Ferne ohne Ermüdung schauen.

Für nahe Gegenstände braucht man eine hohe Brechkraft, was bedeutet, dass die Linse stark gewölbt sein muss. Dies wird erreicht, wenn der Ziliarmuskel kontrahiert und die Linsenbänder entspannt sind. Anders als beim Sehen in die Ferne ist ein langes Fokussieren auf nahe Gegenstände ermüdend.

Anpassung an die Belichtungsverhältnisse: Hell- und Dunkelanpassung

Adaptation

Feine Muskeln in der Iris verstellen den Pupillendurchmesser. Damit wird es möglich, dass schwache Lichtreize, z.B. Sterne, genau betrachtet werden können wie das helle Sonnenlicht. Diese Anpassung an die veränderten Lichtbedingungen nennt man Adaption.

Regelkreis

Bei der automatischen Anpassung an die Lichtverhältnisse wird immer folgender Regelkreis durchgemacht:

• Das einfallende Licht wird durch die Sehzellen der Netzhaut gemessen
• Der Messwert ist gleich der Istwert; dieser wird an ein Regelzentrum im Mittelhirn gemeldet
• Im Regelzentrum wird der Istwert mit dem vorgegebenen, gespeicherten Wert, dem Sollwert, verglichen
• Stimmen die Werte überein, sind keine Informationen notwendig
• Sind sie unterschiedlich, werden Informationen an den Effektor, den Ringmuskel, geschickt; die Irisfläche wird vergrößert oder verkleinert

Bau und Funktion der Netzhaut

Die Netzhaut ist der lichtempfindliche Teil des Auges. Sie besteht aus drei Zellschichten. Bevor das Licht auf die Lichtsinneszellen trifft, muss es durch eine Nervenzellschicht und durch Schaltzellen kommen. Unmittelbar an den lichtundurchlässigen Pigmentzellen liegen die Lichtsinneszellen, von denen es zwei Typen gibt:

• Stäbchen: Sie sind lang und schlank sowie schon durch schwaches Licht reizbar. Dadurch wird das Hell-Dunkel- und Dämmerungssehen ermöglicht.
• Zapfen: Diese sind kurz und dick. Sie benötigen zur Reizung mehr Licht und sind verantwortlich für das Farbensehen.

Der gelbe Fleck befindet sich im Zentrum des Lichteinfalls. Hier sind nur Zapfen. In den Randbereichen der Netzhaut befinden sich überwiegend und in den äußersten Randbereichen der Netzhaut nur Stäbchen.

Funktion des Sehfarbstoffs

Zum Sehen werden verschiedene Moleküle verwendet. Eins davon ist das Sehpurpur. Beim Eintreffen von Licht geschieht Folgendes:

Das Licht trifft auf das Sehpurpur, das durch die Energie zerfällt. Die so entstandenen Spaltprodukte verändern zum Einen die Membran, wodurch elektrische Impulse abgegeben werden und bilden zum Anderen wieder das Sehpurpur.

Die Informationsleitung sieht allgemein so aus:

• Stäbchen/Zapfen →
• Schaltzellen →
• Nervenzellen →
• Axone verbinden sich zum Sehnerv

Im Bereich des gelben Flecks kommt auf jede Lichtsinneszelle eine Schaltzelle und eine Nervenzelle. Dadurch ist die Sehschärfe hoch, da jede Lichtsinneszelle einem Bildpunkt entspricht. Der Blinde Fleck ist die Stelle, an der sich keine Sinneszellen befinden, da der Sehnerv hier das Auge verlässt.

Farbensehen

Untersuchungen haben gezeigt, dass es nicht für jeden Farbton eine Zapfensorte gibt. Er lässt sich durch additive Farbmischung aus den Grundfarben Rot, Grün, Blau erzeugen. Werden alle drei Grundfarben gleichzeitig gesehen, entsteht der Eindruck weißen Lichts.

Mit den drei verschiedenen, auf der Netzhaut liegenden Zapfensorten kann je eine der Grundfarben wahrgenommen werden. Sie unterscheiden sich im chemischen Aufbau des Sehfarbstoffs.

Sehstörungen und ihre Abhilfe

Bei verschiedenen Sehstörungen helfen verschiedene Abhilfen:

• Kurzsichtigkeit: Hier ist der Augapfel zu lang, wodurch ferne Gegenstände unscharf gesehen werden. Zerstreuungslinsen können helfen.
• Weitsichtigkeit: Der Augapfel ist zu kurz und nahe Gegenstände sind unscharf. Geholfen kann durch Sammellinsen werden.
• Altersweitsichtigkeit: Die Linse verliert an Elastizität. Nahe Gegenstände sind unscharf; Sammellinsen helfen.

Hormone

Hormone sind chemische Signalstoffe. Sie werden in besonderen Zellen, meist in Drüsenzellen, gebildet und bei Tieren und beim Menschen über das Blut zum Wirkungsort transportiert.

Hormone bei Tieren am Beispiel der Entwicklung bei Fröschen

Kaulquappen entwickeln sich zu Fröschen. Der Gestaltwandel findet von einem Wasserlebewesen mit Kiemen und einem langen, stromlinienförmigen Körper zu einem Landtier mit Lungen und Beinen statt. Dies nennt man Metamorphose.

Füttert man die Kaulquappen mit Schilddrüsengewebe, wird die Metamorphose beschleunigt. Entfernt man die Schilddrüse, so wachsen sie zu Riesenkaulquappen heran, ohne eine Metamorphose durchzuführen. Dies liegt daran, dass durch das Schilddrüsengewebe, das Hormon Thyroxin isoliert wird. Sind 0,01 mg des Hormons pro Liter Wasser vorhanden, wird die Metamorphose ausgelöst.

Wirkung der Hormone auf bestimmte Organe

Hormone wirken nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip: Besitzen Zellen bestimmte Rezeptoren an der Zellmembran, zu denen ein Hormon wie ein Schlüssel zu einem Schloss passt, dann kann sich dieses Hormon an die Rezeptoren binden. Im Innern der Zelle werden Enzyme aktiv, die bestimmte Stoffwechselreaktionen in Gang setzen.

Hierarchie der hormonellen Systeme

Eine Hierarchie ist ein System von Elementen, die einander über- bzw. untergeordnet sind. Dies ist im Hormonsystem des Menschen wichtig, da es eine Vielzahl von Drüsen gibt. An der Unterseite des Zwischenhirns liegt der Hypothalamus und in diesem die Hypophyse (Hinanhangsdrüse). Sie ist das übergeordnete Organ des Hormonsystems.

Der Hypothalamus ist die Verbindungsstelle zwischen Nerven- und Hormonsystem. Spezialisierte Nervenzellen in diesem setzen Stoffe frei (Neurohormone), die in die Hypophyse gelangen und sie beeinflussen. Hier sitzt die Hypophyse, die Hirnanhangsdrüse.

Beispiel Thyroxin

Das Hormon Thyroxin wird in der Schilddrüse gebildet und an das Blut abgegeben, wenn das von der Hypophyse gebildete Hormon TSH (Thyroxin stimulierendes Hormon) über die Blutgefäße zur Schilddrüse gelangt ist.

Die Messung des Thyroxingehalts des Blutes wird von thyroxinempfindlichen Zellen durchgeführt. Wird eine zu hohe bzw. zu niedrige Konzentration festgestellt, wird die TSH-Abgabe entsprechend erhöht oder verringert. Thyroxin wird ständig in der Leber abgebaut.

Thyroxin enthält chemisch gebundenes Iod. Daher ist es wichtig, mit der Nahrung genügend davon aufzunehmen. Einige Nahrungsmittel enthalten viel Iod, z.B. Fisch oder iodiertes Salz. Der Mangel an Iod kann zu einer Schilddrüsenwucherung, einem Kropf, führen, da die Schilddrüse durch das Wachstum versucht, den Iodmangel auszugleichen.

Störungen bei der Blutzuckerregulation

Ein Beispiel für eine Störung des Hormonsystems ist die Zuckerkrankheit „Diabetes mellitus“. Der Blutzuckerspiegel (BZS) eines gesunden Menschen beträgt circa 0,6-1,1 g/l. Die Regelung erfolgt durch die Bauchspeicheldrüse und deren Hormone Insulin und Glukagon, die antagonistisch wirken. Übersteigt der BZS einen Wert von 1,7 g/l, dann ist Glukose im Urin nachweisbar.

Die Zuckerkrankheit Diabetes mellitus unterscheidet man in Diabetes mellitus Typ-I und Diabetes mellitus Typ-II.

Typ-I tritt schon im Kindes- und Jugendalter auf. Die Ursache hierfür ist, dass die Bauchspeicheldrüse kein Insulin bildet. Die Krankheit ist vermutlich vererbt. An Typ-II erkranken die Menschen meist erst im Alter zwischen 50-60 Jahren. Man nennt diese Art auch Alterszucker.

An Diabetes erkrankte Patienten sind häufig übergewichtig. Das bedeutet, dass bei einer Behandlung Gewichtsabnahme und ein Ernährungsplan erforderlich sind.

Darstellung der Hormontätigkeit durch Regelkreise

Wie Hormone wirken, kann man übersichtlich mit einem Regelkreis darstellen. Im folgenden soll das an Beispielen verdeutlicht werden.

Regelkreis der Atemregulierung

Bei körperlicher Anstrengung ändert sich der Kohlenstoffdioxidgehalt im Blut. Dadurch wird die Atemtätigkeit erhöht, bis der CO₂-Gehalt wieder den Normalwert erreicht hat. Dabei übernehmen unterschiedliche Faktoren verschiedene Teile des Regelkreises:

• Regelstrecke: Körper
• Regelgröße: Kohlenstoffdioxidgehalt im Blut
• Messglied: Chemorezeptoren
• Störgröße: Körperliche Aktivität (Zellatmung)
• Ist-Wert: Gemessener Wert
• Soll-Wert: Genetisch festgelegter Wert
• Regelglied: Untergeordnetes Zentrum im ZNS
• Stellglied: Zwerchfell und die Rippenmuskeln
• Stellgröße: Erhöhte Atemfrequenz

Diese unübersichtliche Auflistung lässt sich durch ein Pfeildiagramm vereinfachen:

Je mehr Muskeltätigkeit ausgeübt wird, desto höher wird der Kohlenstoffdioxid-Gehalt im Blut. Dadurch beschleunigst sich der Herzrhythmus und die Atmung. Dies wiederum reduziert die Konzentration des Kohlenstoffs im Blut.

Regelkreis am Beispiel der Temperaturregulierung

Ebenso übersichtlich lässt sich die Temperaturregulierung darstellen:

Regulation des Glukosespiegels im Blut

Die Regulation des Glukosespiegels im Blut läuft auf eine ähnliche Weise ab:

Proteine

Proteine werden mit der Nahrung aufgenommen. Bei der Verdauung werden sie in ihre Bausteine zerlegt, in die sog. Aminosäuren, von denen es 20 verschiedene gibt. Acht davon müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, weil sie der Körper nicht selbst herstellen kann. Man nennt diese essentielle Aminosäuren.

Aufbau der Proteine

Primärstruktur

Aminosäuren werden mit dem Blut zu den Zellen transportiert und dort zum Aufbau der körpereigenen Proteine benötigt. Der Bauplan, also z.B. die Reihenfolge der Aminosäuren, ist in der DNA gespeichert. Die Aminosäuren werden dem Bauplan entsprechend in einer bestimmten Reihenfolge verbunden. Diese ist die Sequenz, die Primärstruktur:

Sekundärstruktur

Proteine besitzen eine komplexe dreidimensionale Struktur. Aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen erhält man zwei verschiedene Strukturen, die die Sekundärstruktur bilden. Unterschieden wird zwischen der α-Helix und der Faltblattstruktur:

• α-Helix: Die Wasserstoffbrücken sind im Molekül (intramolekular)
• Faltblattstruktur: Die Wasserstoffbrücken sind intermolekular

Die Proteine sind für Lebewesen sehr wichtig. Sie sind für viele Stoffwechselreaktionen im Körper notwendig und ermöglichen u.a. Muskelkontraktionen.

DNA – Stoff aus dem Gene bestehen

Bekannt aus mikroskopischen Untersuchungen waren in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Chromosomen des Zellkerns. Chemische Untersuchungen haben ergeben, dass vor allem zwei Stoffgruppen im Zellkern vorkommen: die Proteine und Kernsäuren (Nucleinsäuren).

Man nahm lange an, dass die Proteine für die Speicherung der genetischen Informationen zuständig waren. Ob dies zutraf, war aber unklar. 1944 wurde schließlich nachgewiesen, dass die DNA (Desoxyribonucleinsäure) das informationstragende Molekül ist. Crick und Watson klärten 1953 den räumlichen Bau der DNA durch Röntgenstrukturanalysen auf. Demnach war sie ein

• Langer, unverzweigter Doppelstrang (ähnlich einer Strickleiter)
• Regelmäßig um sich selbst gedreht wie eine Wendeltreppe, eine Doppelhelix
• Bei allen Lebewesen im Prinzip gleich
• Bausteine sind die Nucleotide

Aufbau eines Nucleotids

Ein Nucleotid besteht aus dem Zuckermolekül Desoxyribose, einem Molekül Phosphorsäure und einer Base. Es gibt vier verschiedene Basen (Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin); eine davon ist in einem Nucleotid mit der Desoxyribose und der Phosphorsäure verbunden.

Die Desoxyribose und Phosphorsäure bilden im Wechsel „Seile“ (Holme) der strickförmigen DNA, die Basen sind die „Sprossen“ dieser Leiter. In einer solchen Sprosse sind immer zwei bestimmte Basen über Wasserstoffbrücken verbunden: Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin.

Sprache der Gene

In der Abfolge der Basen in der DNA, genauer die Basenfolge in einem Einzelstrang, ist die Abfolge der Aminosäuren in einem Protein verschlüsselt (codiert). Wegen den 20 Aminosäuren gibt es auch vier Basen, da diese dadurch codiert werden können (4³ > 64, während bei einer bzw. zwei Basen nur 4 bzw. 16 Aminosäuren verschlüsselt werden können).

Vom Gen zum Merkmal

Bei der Herstellung der Aminosäuren läuft immer folgender Vorgang ab:

• Gen ist ein bestimmter DNA-Abschnitt mit einer bestimmten Anzahl von Basen
• Herstellung eines Boten-Moleküls (Kopie); Vorgang wird Transkription genannt; Boten-Moleküle sind eine Nucleinsäure, RNA genannt (m-RNA = messenger-RNA)
• Drei Basen dieser m-RNA (Basentriplett) bilden das Codewort (eines von mehreren) für eine der 20 Aminosäuren
• Ribosomen sind die „Proteinmaschinen“, an die sich die m-RNA anlagert; es kommt zur Bildung eines Proteins
• Verknüpfung der Aminosäuren; Vorgang wird Translation genannt

Die Zellvermehrung

Die meisten Zellen teilen sich, z.B. bei Wachstumsvorgängen oder bei der Erneuerung der Zellen (Regeneration). Beim erwachsenen Menschen teilen sich ca. 100 Millionen Zellen pro Minute. Wichtig dabei ist, dass alle Zellen mit Zellkern das gleiche genetische Material enthalten.

Die DNA ist in den Chromosomen enthalten. Dieses besteht aus zwei Chromatiden, die am Zentromer verbunden sind. Jede Chromatide enthält ein DNA-Molekül. Dieses wird auch Chromatinfaden genannt. Die DNA-Moleküle in den Chromatiden sind identisch.

Tritt ein Fehler, d.h. eine Änderung des Erbguts auf, spricht man von einer Mutation. Dies kann bei der Verdoppelung der DNA passieren.

Verdoppelung der DNA

Der DNA-Doppelstrang wird zunächst wie ein Reißverschluss mit Hilfe von Enzymen geöffnet, d.h. die Bindungen zwischen den Basen müssen gespalten werden. Es entstehen 2 Einzelstränge, an die sich im Kernplasma vorhandene Nukleotide anlagern. Man nennt diesen Replikation.

Am Ende der Replikation der DNA liegen zwei identische DNA-Moleküle (doppelsträngig) vor. Diese Art der identischen Verdoppelung nennt man semikonservativ.

Die Mitose und deren Ablauf

Einer Zellteilung geht eine Mitose (Kernteilung) voraus.

Die Mitose teilt sich in eine Prophase, Metaphase, Anaphase und in eine Telophase. Die Zeit zwischen zwei Mitosen nennt man Interphase. In diesem Stadium werden zur Vorbereitung auf die nächste Mitose Proteine für die Teilung gebildet und die DNA repliziert.

Prophase

In der Prophase spiralisieren sich die Chromatinfäden immer stärker (verdicken oder kondensieren sich), sodass die Chromosomen im Lichtmikroskop sichtbar werden. Die Kernhülle löst sich auf und der Spindelfaserapparat entsteht.

Metaphase

Während der Metaphase ordnen sich die Zwei-Chromatid-Chromosomen entlang der Äquatorialebene an, die Chromosome sind maximal spiralisiert. Der Spindelfaserapparat zieht in entgegengesetzte Richtungen.

Anaphase

Anschließend werden die Chromatide in der Anaphase am Zentromer getrennt. Die Mikrotubuli werden kürzer und der Spindelfaserapparat zieht die Chromatiden auseinander.

Telophase

Abschließend sind die Chromatiden aufgeteilt (Telophase). Es entstehen zwei neuen Kerne mit Einchromatidchromosomen. Die Zellteilung kann nun stattfinden.

Wichtige Fachbegriffe und Fakten der Genetik

• Ein Mensch besitzt 46 Chromosomen. Diese Anzahl nennt man Chromosomensatz.
• Die 46 Chromosomen können fotografiert und entsprechend ihres Aussehens angeordnet werden. Eine solche Abbildung wird Karyogramm genannt.
• Ein Chromosomenpaar nennt man homologe Chromosomen oder kurz „die Homologen“.
• Körperzellen besitzen 46 Chromosomen, d.h. sie haben einen diploiden Chromosomensatz (=2n).
• Keimzellen (Gameten) haben 23 Chromosomen; sie haben einen haploiden Chromosomensatz (=n).
• Von den 46 Chromosomen sind zwei die Geschlechtschromosomen (Gonosomen); 44 (22 Paare) sind die Körperchromosomen (Autosomen).
• Die Gonosomen sind beim Mann XY und bei der Frau XX.

Meiose: Bildung der Keimzellen und Befruchtung

Bei der Befruchtung verschmilzt der Kern einer Spermienzelle mit dem Kern einer Eizelle. Es entsteht eine Zygote, deren Zellkern 46 Chromosomen enthält. Durch Zellteilung entsteht aus der Zygote das neue Lebewesen. Das bedeutet, dass die Gameten nur jeweils 23 Chromosomen besaßen.

Bei der Gametenbildung wurde die Chromosomenzahl reduziert, es wurde ein haploider Chromosomensatz gebildet. Dieser Vorgang heißt Meiose, die sich in zwei Abschnitte gliedert:

• 1. Teilung: Reduktionsteilung (von 46 Chromosomen zu je 23 Chromosomen)
• 2. Teilung: Äquationsteilung (wie bei der Mitose)

Infektion und Abwehr

Bakterien und Viren als Krankheitserreger

Pathogene Bakterien

In unserer Umwelt leben viele verschiedene Bakterien (Eukaryoten). Die meisten davon bekommen wir nicht mit. Einige Bakterien leben sogar in einer Symbiose mit Menschen. Das bedeutet, dass Menschen in einer Wechselbeziehung zu ihnen stehen, durch die die Menschen und die Bakterien Vorteile ziehen können. So leben etwa zahlreiche Bakterien im Verdauungstrakt und helfen auf diese Weise beim Stoffwechsel.

Es gibt aber auch Bakterien, die sich auf andere Lebewesen negativ auswirken können. Lösen sie eine Krankheit aus, spricht man von pathogenen Bakterien. Viele dieser Bakterien können den Körper nur schädigen, wenn er bereits zuvor geschwächt und/oder die Abwehrreaktionen nur unzureichend verlaufen können. Die Gefährlichkeit kann sich auch dadurch ergeben, dass ein eigentlich harmloses Bakterium in einen anderen „Ort“ verbracht wird, etwa wenn Darmbakterien in die Harnröhre gelangen.

Viren

Viren sind im Gegensatz zu Bakterien keine Eukaryoten. Sie besitzen lediglich eine Erbinformation (DNA oder RNA), die von einer Hülle, dem Kapsid, umgeben ist. Aufgrund dieses im Prinzip einfachen Aufbaus sind Viren mit einer Größe von 10 bis 400 nm wesentlich kleiner als Bakterien und daher nur mit einem Elektronenmikroskop sichtbar.

Vermehrung von Viren

Viren sind nicht in der Lage, sich selbst zu vermehren. Sie benötigen dafür stets eine Wirtszelle.

Hierfür dockt das Virus zunächst an deren Membran an. Das Virus tritt nun in die Zelle ein und gibt sein Erbgut frei. Durch das Erbgut wird die Zelle dazu gebracht, die Virenbestandteile herzustellen. Ist eine hinreichend große Menge an Viren erzeugt worden, platzt die Zelle und die Viren können weitere Zellen infizieren. Diese Form der Vermehrung nennt man lytische Vermehrung.

Wird hingegen das Erbgut des Virus erst in die DNA der Wirtszelle eingebaut und die Vermehrung erst zu einem späteren Zeitpunkt gestartet, wird von einer lysogenen Vermehrung gesprochen.

Einteilung von Viren

Viren lassen sich durch verschiedene Aspekte unterscheiden:

• Je nach Wirt können etwa Tier-, Pflanzen- und Bakterienviren unterschieden werden.
• Auch die Kapside lassen eine Einteilung zu. Die Hülle besteht aus Proteinpartikeln. Sie sind entweder gleichartig oder in ihrer Anzahl stark begrenzt. Hierdurch können verschiedene Formen der Kapside auftreten.
• Schließlich unterscheiden sich Viren in ihrem Erbgut. Wie bereits angedeutet kann es als DNA und als RNA vorliegen. Zudem können die Erbinformationen als Doppelstrang („ds-“ für double strand) oder Einzelstrang („ss-“ für single strand) vorliegen. Somit gibt es vier verschiedene Genomtypen: dsDNA, ssDNA, dsRNA, ssRNA.

Ansteckung mit Bakterien und Viren

Mit Bakterien und Viren kann man sich auf verschiedenem Wege infizieren. So können etwa durch Zeckenbisse die Borreliose und FSME übertragen werden. Auch über Geschlechtsverkehr können Krankheitserreger verbreitet werden. Eine schnelle Verbreitung ist durch Tröpfchen- und Aerosolbildung möglich, wie es etwa bei Coronaviren der Fall ist.

Steckt sich jemand mit einem Erreger an, heißt das nicht, dass die Person sofort krank ist. Vielmehr geht einige Zeit vorüber, bis sich Krankheitssymptome zeigen. Dies nennt man Inkubationszeit. Sie kann dabei – abhängig vom Krankheitserreger – von wenigen Stunden bis Tagen hin zu mehreren Monaten oder Jahren dauern.

Das Immunsystem

Übersicht

Gegen Krankheitserreger schützt sich der Körper auf verschiedenen Wegen. Der erste Schutz bildet die unverletzte Haut; sie verhindert im Regelfall das Eindringen in den Körper. Gelangen die Erreger dennoch hinein, kann der Organismus mit einer unspezifischen und spezifischen Abwehr reagieren.

Die Abwehrsysteme im Einzelnen: Natürliche Barrieren

Wie soeben dargelegt bildet die Haut einen ersten Schutz vor Infektionen. Dabei greift der Körper selbst auch auf Bakterien zurück, die mit ihm eine Symbiose eingehen. Durch die Bakterien bildet sich eine Art „Schutzfilm“.

Daneben werden andere mögliche Eintrittspforten durch eine vergleichbare Standortflora geschützt^{[1]Nautilus 9, S. 103.}. Das ist etwa beim Darm und der Vagina der Fall.

Bei anderen Schleimhäuten lassen sich bestimmte Enzyme finden, die Bakterienzellwände zerstören können, die so genannten Lysozymen.

Die Abwehrsysteme im Einzelnen: Lymphatische Systeme

Das lymphatische System steht in einem engen Zusammenhang mit dem Blut. Es steht dadurch mit dem Gewebe im Kontakt und ermöglicht über die Gewebeflüssigkeit (die Lymphe) einen Austausch von Zellen und Proteinen.

Zentrale Bestandteile des lymphatischen Systems sind neben dem Lymphknoten und den Lymphgefäßen etwa das Knochenmark, die Milz, die Mandeln, Teile des Dünndarms und des Appendix (der Wurmfortsatz des Blinddarms).

Die Lymphknoten sind quasi Filterstationen, die Erreger, Zellteile und sonstige Fremdkörper entfernen. Im Knochenmark finden sich Stammzellen. Aus ihnen können ständig neue Immunzellen hergestellt werden. Diese weißen Blutkörperchen (die Leukocyten) lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Auf der einen Seite stehen die Makrophagen und Granulocyten, die die unspezifische Abwehr bilden; auf der anderen Seite befinden sich die Lymphocyten, die die spezifische Abwehr bilden.

Die Abwehrsysteme im Einzelnen: Das unspezifische Immunsystem

Ein weiteres Schutzsystem ist das unspezifische Immunsystem. Es existiert bereits im Säuglingsalter und wird daher auch als angeborenes Immunsystem bezeichnet. Es reagiert auf Fremdkörper. Dabei ist die Reaktion zwar recht schnell, aber teilweise nicht sehr effektiv.

Granulocyten

Zum unspezifischen Immunsystem gehören die Granulocyten. Sie bilden etwa 70 % der Leukocyten und sind kleine Fresszellen. Durch Enzyme sind sie in der Lage, Bakterien zu töten und zu zersetzen. Einige Bakterien (z. B. Streptokokken) können aber wiederum die Granulocyten angreifen. Dadurch werden die zersetzenden Enzyme freigesetzt und andere Leukocyten sowie das Gewebe können geschädigt werden.

Makrophagen

Makrophagen sind große Fresszellen des unspezifischen Immunsystems. Sie können sich teilen und vielkernige Riesenzellen bilden. Sie entsorgen nicht nur Fremdkörper, sondern auch gealterte und abgestorbene Zellen.

Makrophagen haben zudem die Fähigkeit der Präsentation: Dabei werden Teile der gefressenen Fremdkörper mit einem MHC-II-Molekülkomplex an der Zelloberfläche angezeigt, sodass die spezifische Abwehr überprüfen kann, ob insoweit eine Abwehrantwort vorhanden ist.

Killerzellen

Ist eine Körperzelle bereits infiziert worden, ändert sie dadurch ihre Oberflächenstruktur. Das erkennen die Killerzellen. Sie sorgen für eine Zerstörung dieser und verdächtiger Zellen, indem sie das Selbstzerstörungsprogramm der Zelle (die so genannte Apoptose) starten.

Cytokine

Leukocyten setzen zum Erzeugen, Teilen, Reifen und Aktivieren anderer Leukocyten Botenstoffe frei. Diese nennt man Cytokine oder Interleukine. Bisher sind 32 verschiedene Cytokine bekannt. Sie können auch zu Entzündungen, Fieber und Schüttelfrost führen.

Komplementsystem

Schließlich gibt es noch das Komplementsystem, das seinem Namen entsprechend die übrige unspezifische Abwehr ergänzt. Es besteht aus in Blut und Lymphe zirkulierenden Proteinen. Kommen die Proteine in die Nähe eines Bakteriums, kann es dessen Oberfläche beschädigen oder sich auf dessen Oberfläche absetzen, um so Fresszellen anzulocken.

Die Abwehrsysteme im Einzelnen: Das spezifische Immunsystem

Im Gegensatz zum unspezifischen Immunsystem ist das spezifische Immunsystem nicht vom Säuglingsalter an vorhanden. Es wird vielmehr erst im Laufe des Lebens erworben, weshalb es auch adaptives Immunsystem genannt wird. Es reagiert auf eine bestimmte Gefahr mit einer bestimmten Abwehr. Dadurch ist zwar sehr zielgenau und effektiv, aber gleichzeitig recht langsam.

MHC-I-Moleküle und Antigene

Körperzellen besitzen auf ihrer Oberfläche die so genannten MHC-I-Moleküle. Sie variieren zwischen Menschen und zeigen Abläufe im Zellinneren an. Lymphocyten können die MHC-I-Moleküle abtasten und so überprüfen, ob es sich um eine körpereigene Zelle handelt und ob sie ordnungsgemäß funktioniert.

Wird durch einen Fremdkörper eine Antwort des spezifischen Immunsystems ausgelöst, nennt man es Antigen. Das können verschiedene Stoffe sein (z. B. Proteine, Nukleinsäuren). Sie müssen aber eine Mindestgröße haben, um erkannt werden zu können.

B- und T-Lymphocyten

Das spezifische Immunsystem besteht hauptsächlich aus zwei Komponenten, den B- und T-Lymphocyten. Sie haben ihren Namen von ihrem Reifungsort: Während B-Lymphocyten im Knochenmark reifen (von englisch „bone marrow“), reifen T-Lymphocyten im Thymus.

Um sicherzustellen, dass Lymphocyten nicht Körperzellen angreifen, wird zunächst eine Vielzahl an Lymphocyten, die sich in ihren Rezeptoren unterscheiden, hergestellt. Diejenigen Lymphocyten, die sich an Körperzellen binden können, werden abgetötet. Die übrigen Lymphocyten können sich dagegen vermehren und werden „gespeichert“. So können bei einem möglichen Vorfall verschiedene Varianten eines Lymphocyts am Fremdkörper ausprobiert werden. Passt ein Lymphocyt zum Antigen, kann sich jener weiter vermehren.

B-Lymphocyten

Wird ein B-Lymphocyt zu einer vermehrten Teilung angeregt, bildet sich ein Teil zu Plasmazellen weiter. Sie stellen den Antigenrezeptor in löslicher Form her und geben ihn ab. Diese Moleküle nennt man Antikörper. Von ihnen kann eine B-Plasmazelle pro Sekunde über 2.000 Exemplare herstellen. Bis zu dieser Antwort können indes 10–17 Tage vergehen. Der andere Teil der B-Lymphocyten produziert B-Gedächtniszellen, die für eine schnelle Reaktion bevorratet werden.

Die Antikörper haben eine Y-Form. Durch diese können die Antikörper die Rezeptoren blockieren oder die Antigene „verklumpen“: Zudem können sie das Komplementärsystem aktivieren.

T-Lymphocyten

T-Lymphocyten erkennen Zellen, die ein verändertes MHC-I-Molekül besitzen. Es lassen sich T-Helferzellen, T-Killerzellen und T-Gedächtniszellen unterscheiden.

T-Helferzellen haben besondere Oberflächenmoleküle (CD4), die auf MHC-II-Moleküle fokussiert sind. Sie sind somit auf die Präsentation der Makrophagen angewiesen. Dadurch werden die T-Killerzellen und die B-Lymphocyten aktiviert.

Die T-Killerzellen sind dagegen auf das MHC-I-Molekül ausgerichtet. Erkennen sie an der Zelloberfläche ein Antigen, werden sie aktiviert. Setzen T-Helferzellen noch das Interleukin-2 frei, zerstört die T-Killerzelle die infizierte Zelle mit dem Enzym Perforin.

T-Gedächtniszellen werden aus T-Helferzellen und T-Killerzellen gebildet. Sie werden für einen späteren Angriff gespeichert.

Immunologisches Gedächtnis

Wie angedeutet benötigt das spezifische Immunsystem relativ lange Zeit, bis es eine Antwort auf ein bis dahin unbekanntes Antigen gefunden hat. Wird der Fremdkörper aber erfolgreich bekämpft (primäre Immunantwort), reagiert das spezifische Immunsystem durch die vorhandenen B- und T-Gedächtniszellen wesentlich schneller; dies nennt man sekundäre Immunantwort.

Dies gilt auch, obwohl zwischenzeitlich die Antikörperanzahl stark zurückgegangen ist. Bei einer erneuten Infektion kann die Immunantwort sogar so schnell erfolgen, dass keine Krankheitssymptome auftreten. In diesem Fall ist der Mensch immun.

Das spezifische Immunsystem im Überblick

Vorbeugung und Behandlung – Impfungen und Therapien

Infektionskrankheiten können tödlich verlaufen. Durch Fortschritte in der Medizin ist allerdings der Anteil von Infektionskrankheiten an Todesfällen erheblich gesunken. So sterben in Industrieländern lediglich etwa 1 % der Menschen an Infektionskrankheiten. Im globalen Süden, in dem die medizinische Versorgung weniger gut ausgebaut ist, sterben dagegen noch etwa 40 % an Infektionskrankheiten^{[3]Nautilus, S. 112}.

Impfungen

Impfungen (Vakzine) haben erheblich zum besseren Schutz vor Infektionskrankheiten beigetragen. Sie lassen sich in eine aktive und eine passive Immunisierung einteilen.

Aktive Immunisierung

Bei der aktiven Immunisierung (auch Schutzimpfung genannt) werden zum Schutz eines bestimmten Erregers abgeschwächte oder ähnliche Erreger geimpft. Hierdurch wird die Immunreaktion ausgelöst, durch die wiederum Gedächtniszellen gebildet werden. Diese können sodann bei einem Kontakt mit dem bestimmten Erreger schnell reagieren. Der Schutz kann – ggf. mit erforderlichen Auffrischungsimpfungen – über Jahre anhalten.

Lebend- und Totimpfstoffe

Bei einem Lebendimpfstoff werden abgeschwächte Keime gegeben. Sie sind zwar grundsätzlich noch vermehrungsfähig, bei der Körpertemperatur des Menschen aber inaktiv. Sie sind dadurch an sich nicht gefährlich. Ein Beispiel hierfür ist der MMR-Impfstoff (Impfstoff gegen Masern, Mumps und Röteln).

Ein Totimpfstoff besteht dagegen aus einzelnen Proteinen, Teilen einer DNA bzw. RNA oder abgetöteten bzw. abgeschwächten, nicht replikationsfähigen Erregern. Hierzu gehören beispielsweise die Impfungen gegen die Grippe (Influenza) und gegen das Coronavirus SARS-CoV-2.

Lebendimpfstoffe sind im Vergleich zu Totimpfstoffen in der Regel wirksamer. Allerdings können immungeschwächte Personen (z. B. Schwangere) nicht immer mit Lebendimpfstoffen geimpft werden. Sie sind dann auf die Totimpfstoffe angewiesen.

Zusatzstoffe

Impfstoffe werden häufig mit Zusatzstoffen versetzt, die verschiedene Zwecke erfüllen. So finden sich etwa Zusätze, die für eine Stabilisierung des Impfstoffs oder eine bessere Lagerfähigkeit sorgen.

Vakzine reichen teilweise alleine nicht aus, um die gewünschte Wirksamkeit zu erreichen. Gerade bei immungeschwächten Personen könnte ein Impfstoff so keinen ausreichend hohen Schutz bieten. Zur Wirksteigerung werden daher bei manchen Impfstoffen ein Adjuvans hinzugegeben.

Die Zusatzstoffe sind an sich in der Regel nicht gefährlich. Allerdings kann es bei einer mehrmaligen Gabe eines Zusatzstoffes zu einer allergischen Reaktion kommen.

Erfolge der Impfungen

Durch eine konsequent hohe Impfquote konnten einige Krankheiten fast komplett ausgerottet werden, z. B. bei Polio oder Masern. Hierdurch nahm die Krankheitslast erheblich ab. In der öffentlichen Wahrnehmung kann dies allerdings dazu führen, dass eine Impfung nicht mehr erforderlich ist. Dies bedingt wiederum z. B. lokale Ausbrüche einer Krankheit, etwa der Masern.

Impfstoffentwicklung

Impfstoffe werden in drei Phasen entwickelt.

In der Phase I wird ein Impfstoff nur einer kleinen Gruppe an gesunden Menschen gegeben. Hier soll die grundsätzliche Sicherheit und Verträglichkeit überprüft werden.

In Phase II wird die Versuchsgruppe auf mehrere hundert Personen vergrößert. Ziel ist hier die Untersuchung der Immunantwort und der Schutzwirkung sowie die Optimierung der Dosis^{[4]Leopoldina}.

In Phase III wird der Impfstoff schließlich an tausenden Versuchspersonen getestet. Hier muss der Impfstoff einen signifikanten Nachweis der Wirksamkeit erbringen.

Grundsätzlich finden die drei Phasen nacheinander statt. In Ausnahmefällen (wie etwa in der Corona-Pandemie geschehen) können aber die klinischen Prüfungsphasen kombiniert werden^{[5]infektionsschutz.de}.

Nach Durchlauf aller drei Phasen kann die Zulassung des Impfstoffs beantragt werden. Nach der Zulassung wird weiterhin überwacht, ob Nebenwirkungen auftreten oder weitere Erkenntnisse zur Wirksamkeit gewonnen werden können.

Passive Immunisierung

Die passive Immunisierung (auch Heilimpfung genannt) wird nicht wie die Schutzimpfung vorbeugend angewandt, sondern in einem frühen Stadium einer Erkrankung. Hierbei werden Antikörper gegen Antigene zugeführt. Die Antikörper wurden zuvor aus infizierten Tieren (z. B. Pferden) oder aus dem Blut bereits erkrankter Menschen gewonnen.

Durch die Gabe der Antikörper kann das Risiko einer schweren Erkrankung oder gar des Todes vermindern. So kann etwa eine sehr frühe Heilimpfung das Sterberisiko der (fast) immer tödlich verlaufenden Tollwut erheblich reduzieren.

Da bei der passiven Immunisierung fremde Antikörper geimpft werden, bildet der Körper auch gegen diese Antikörper und Gedächtniszellen aus. Werden mehrmals Antikörper, die von derselben Tierart gewonnen worden sind, gegeben, kann es daher zu allergischen Schocks kommen. Um dies zu vermeiden, kann gegebenenfalls eine andere Therapiemöglichkeit gewählt werden.

Therapiemöglichkeit: Antibiotika

Antibiotika wirken gegen Bakterien, nicht gegen Viren

Unter Antibiotika versteht man Substanzen, die grundsätzlich in der Lage sind, Bakterien abzutöten oder ihre Vermehrung zu hemmen, ohne dabei die Zellen von Menschen oder anderen Tieren zu schädigen.

Dies bedeutet allerdings nicht, dass sie ohne Nebenwirkungen sind. Aus diesem Grund dürfen Antibiotika nicht ohne ärztliche Aufsicht eingenommen werden.

Antibiotika können verschiedene Punkte eines Bakteriums angreifen, etwa die Schleimhülle (z. B. durch Sulfonamid), die Zellwand (z. B. durch Penicillin) oder das Chromosom (z. B. durch Streptomycin).

Gegen Viren wirken Antibiotika allerdings nicht. Bei einem viralen Infekt können Antibiotika daher allenfalls ergänzend genommen werden, um eine Folgeinfektion mit Bakterien zu behandeln.

Entdeckung des ersten Antibiotikums

Das erste Antibiotikum wurde vom schottischen Biologen Alexander Fleming (1881–1955) durch Zufall im Jahr 1928 entdeckt: Er züchtete auf einem Nährboden Bakterienkulturen heran. Einen Nährboden vergaß er dabei und wollte ihn nach einiger Zeit wegen Schimmelbefalls wegwerfen. Fleming stellte aber fest, dass sich um den Schimmelpilz (Penicillium notatum) ein bakterienfreier Hof gebildet hatte. In den 1940er Jahren gelang es den Biologen Florey und Chain das Antibiotikum Penicillin konzentriert zu gewinnen.

Multiresistente Keime

Bakterien können sich sehr rasch vermehren. Unter optimalen Bedingungen verdoppeln sie sich durch Zellteilung etwa alle 20 Minuten. Bei jeder Zellteilung besteht dabei die Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Änderung des Erbguts, einer sogenannten Mutation. Hierdurch können Bakterien, die gegen ein Antibiotikum unempfindlich sind, auftreten. Sie sind resistent.

Bei einer Behandlung mit einem Antibiotikum sterben die nicht resistenten Bakterien ab. Die resistenten Bakterien überleben jedoch und können sich nun stärker vermehren. Zudem können sie die Resistenzen an andere Bakterien weitergeben.

Hat ein Bakterium gegen mehrere (bis hin zu allen) Antibiotika eine Resistenz ausgebildet, spricht man von multiresistenten Keimen. Hierdurch besteht die Gefahr, dass Krankheiten nicht mehr ausreichend behandelt werden können. Diese Gefahr wird durch den sehr starken Medikamenteneinsatz in der Viehzucht und beim Menschen nochmals verstärkt.

Fehlfunktionen des Körpers

HIV und Aids

„HIV“ steht für „Human immunodeficiency Virus“ oder „menschliches Immunschwächevirus“. Durch dieses Virus wird Aids („acquired immune defiency syndrome“ oder „erworbenes Immunschwächesyndrom“) ausgelöst. In Deutschland lebten 2021 etwa 90.800 HIV-Infizierte, wobei die Anzahl der Neuinfektionen derzeit am Sinken ist^{[6]Epidemiologisches Bulletin des RKI vom 24.11.2022, S. 7.}.

Ist eine Person mit HIV infiziert, finden sich die HI-Viren in allen Körperflüssigkeiten, etwa im Blut, der Lymphe, im Sperma, in der Scheidenflüssigkeit, im Speichel sowie in der Muttermilch.

Ansteckung

Mit HIV kann sich eine Person anstecken, wenn sie einer ausreichend großen Zahl an Viren ausgesetzt ist. Hierzu braucht es eine besondere Nähe.

Etwa 9 % der Infektionen in Deutschland werden etwa durch die Drogenszene verursacht. Hauptgrund hierbei ist die Mehrfachverwendung von Spritzen mehrerer Personen.

Ungefähr 90 % der Neu-Infektionen werden aber durch Geschlechtsverkehr verursacht. Eine Ansteckung kann dabei durch Oralverkehr, Vaginalverkehr oder Analverkehr erfolgen. Insbesondere beim Analverkehr besteht ein hohes Risiko, da hier die HI-Viren besonders schnell in das Blut aufgenommen werden können. Durch das konsequente Praktizieren von Safer Sex (d. h. durch das konsequente Verwenden von Kondomen und Lecktüchern) kann das Ansteckungsrisiko erheblich gesenkt werden. Das Infektionsrisiko kann aber dennoch nicht ausgeschlossen werden.

Krankheitsverlauf

Kommt eine Person mit einer ausreichend großen Anzahl an HI-Viren in Kontakt, kann sie sich infizieren.

Die HI-Viren können dabei in die T-Helferzellen eindringen. Sie docken dabei mit ihren Oberflächenproteinen an die CD4-Rezeptoren der T-Helferzellen an.

Nach dem Eintritt kann das Virus zunächst ruhen. Solange es das tut, kann das Immunsystem das HI-Virus nicht erkennen und bekämpfen.

Bei einer Vermehrung hingegen werden die T-Helferzellen getötet. Am Anfang hat die infizierte Person meist grippeähnliche Symptome (z. B. Abgeschlagenheit, Fieber). Dies nennt man akute Phase.

Nach Bildung entsprechender Antikörper nimmt die Virus-Anzahl wieder ab und die infizierte Person fühlt sich zunächst wieder gesund. Dies ist die Latenzzeit oder latente Phase. HI-Viren haben eine sehr hohe Mutationsrate. Hierdurch passen die vom Körper gebildeten Antikörper nicht mehr zur Oberfläche des Virus und es kann dem Immunsystem entgehen.

Wird die infizierte Person nicht medikamentös behandelt, kann in einem Zeitraum von wenigen Wochen bis zu mehreren Jahren die Virusanzahl aber wieder stark ansteigen. Die HI-Viren zerstören dabei immer mehr T-Helferzellen. Dadurch verliert das Immunsystem immer mehr seine Widerstandskraft, bis es selbst einfache Infektionen nicht mehr abhalten kann. Dies kann bis zum Tod der infizierten Person führen. Diese Phase ist das Aids.

Diagnose und Behandlung

HI-Viren lassen sich vor allem durch einen Antikörper-Test nachweisen. Allerdings sind erst einige Wochen nach einer Infektion so viele Antikörper vorhanden, dass ein solcher Test positiv ausfällt. In der Zwischenzeit können sich aber andere Personen mit HIV anstecken.

Aufgrund der hohen Mutationsrate des HIV waren die bisherigen Versuche einer Impfung erfolglos. Allerdings besteht die Möglichkeit, durch Medikamente die Latenzzeit erheblich zu verlängern und dadurch Aids zu verzögern, wenn nicht sogar auszuschließen. Hierfür ist aber eine strikte Medikamenteneinnahme, die die Lebensqualität einschränken kann, erforderlich.

Allergien, Autoimmunerkrankungen und Krebs

Allergien

Bei einer Allergie reagiert das Immunsystem auf einen eigentlichen harmlosen Stoff (das sogenannte Allergen) sehr heftig. Es gibt viele verschiedene Arten von Allergien. Am häufigsten sind der Heuschnupfen, die Hausstauballergie, Allergien gegen bestimmte Eiweißarten (wie etwa bei Neurodermitis und Asthma) sowie die Schmuckallergie (gegen Nickel). Der Grund einer Allergieausbildung sind bisher noch nicht geklärt.

Kommt das Immunsystem mit einem Allergen in Kontakt, wird es als Antigen erkannt. Hierdurch werden B-Gedächtniszellen und sogenannte IgE-Antikörper gebildet. Diese können wiederum an Mastzellen andocken.

Bei einem späteren Kontakt des Immunsystems mit dem Allergen können so selbst bei kleinen Mengen viele Antikörper ausgeschüttet werden. Ebenso setzen die Mastzellen große Mengen an Histamin frei. Dieser Entzündungsstoff führt zum Hautausschlag und zur Schwellung der Schleimhäute.

In Extremfällen ist sogar ein lebensbedrohlicher anaphylaktischer Schock möglich. Hierbei weiten sich in Folge der Entzündungsreaktion die Blutgefäße so weit, dass der Blutdruck stark abfällt. Hier ist die unverzügliche Hilfe eines Notarztes mit einer Adrenalinspritze erforderlich.

Autoimmunerkrankungen

Bei einer Autoimmunerkrankung geht das Immunsystem gegen bestimmte körpereigene Zellen vor. Bislang sind Dutzende Autoimmunerkrankungen bekannt.

Die Ursachen sind hierbei nicht geklärt^{[8]Vgl. nautilus 9, S. 123.}. Möglich sind T-Lymphocyten, die Körperzellen erkennen, aber selbst nicht abgetötet werden und so die Körperzellen weiter angreifen können. Denkbar sind auch MHC-I-Moleküle mit einer bestimmten Struktur, die eine erhöhte Anfälligkeit haben. Neben Stress ist auch eine Mimikry denkbar: Hier haben Antigene eine erhebliche Ähnlichkeit mit Körperzellen. Nach der Bekämpfung des Antigens erkennen die weiterhin vorhandenen Gedächtniszellen die Körperzellen als Antigen und greifen sie an.

Beispiele für Autoimmunerkrankungen sind etwa Diabetes Typ I, Multiple Sklerose und die rheumatische Arthritis^{[9]Vgl. Bioskop 9, S. 105.}.

Beim Diabetes Typ I handelt es sich um eine Zuckerkrankheit. Das Immunsystem tötet dabei in der Bauchspeicheldrüse Zellen ab, die für die Insulinproduktion verantwortlich sind. Hierdurch kann der Körper die Blutzuckerkonzentration nicht richtig kontrollieren, wodurch langfristig große Schäden möglich sind.

Die Multiple Sklerose (MS) ist dadurch gekennzeichnet, dass T-Zellen Nervenzellen im Gehirn und im Rückenmark angreifen. Hierdurch kommt es dort zu Entzündungen und Nervenzellen werden abgetötet. Die Krankheit erfolgt dabei in Schüben. Nach jedem Schub wird die Bewegungskoordination weiter eingeschränkt und die betroffene Person bedarf immer mehr fremder Hilfe.

Die rheumatische Arthritis verläuft ebenfalls in Schüben. Hier wird das Bindegewebe an den Gelenken angegriffen. Folge davon sind Gewebeveränderungen und Deformationen der Gelenke.

Krebs

Krebs wird durch zufällige Mutationen der Zell-DNA hervorgerufen. Solche Mutationen treten zufällig auf, können aber durch bestimmte Einwirkungen begünstigt werden (z. B. bestimmte Chemikalien und Viren, Strahlung). Bei Frauen sind die häufigsten Krebsarten Brustkrebs, Darmkrebs und Gebärmutterkrebs, bei Männern Prostatakrebs, Lungenkrebs und Darmkrebs.

Im Regelfall werden die Mutationen erkannt und repariert. Dies gelingt allerdings nicht immer. Dies kann dazu führen, dass sich die Zelle unkontrolliert vermehrt. Die Zelle ist zu einer Tumorzelle geworden. Aufgrund der veränderten Oberflächenstruktur kann das Immunsystem die Tumorzellen erkennen und abtöten.

Wird die Tumorzelle nicht erkannt, kann eine Gewebewucherung entstehen. Dies nennt man Tumor. Es lassen sich zwei Arten von Tumoren unterscheiden:

Beim gutartigen Tumor wächst die Wucherung nur langsam und ist nach außen klar abgegrenzt. Sie beeinträchtigt das umliegende Gewebe nicht.

Ein bösartiger Tumor wächst hingegen wesentlich schneller. Er dringt dabei in das umliegende Gewebe ein und zerstört es in diesem Zuge. Lösen sich zudem Tumorzellen, können sie an anderer Stelle sog. Tochtertumore bilden. Dies sind Metastasen. Je stärker eine Metastasenbildung ausgeprägt ist, umso stärker sinkt die Heilungschance.

Organtransplantationen und Bluttransfusion

Unter einer Transplantation versteht man die Übertragung von Organen, Gewebe oder Zellen von einer Person (Spender) auf andere Menschen (Empfänger).

Bluttransfusion

Bereits relativ früh kam man auf die Idee, bei einem hohen Blutverlust das Blut des Empfängers durch fremdes Blut zu ersetzen. Hierbei kam es allerdings häufig zum Tod des Empfängers.

Die unterschiedlichen Blutgruppen

Erst im Jahre 1901 entdeckte nämlich Karl Landsteiner, dass es beim Menschen unterschiedliche Blutgruppen nach dem AB0-Blutgruppenschema gibt. Danach gibt es beim Menschen im Wesentlichen vier verschiedene Blutgruppen: A, B, AB, 0.

Die Blutgruppen unterscheiden sich dabei in der Oberfläche der roten Blutzellen. Sie haben je nach Gruppe kein, ein oder zwei Antigene. Mit dem jeweiligen Antigen korrespondiert wiederum im Blutserum ein Antikörper: Das Antigen A kommt mit dem Antikörper B, das Antigen B mit Antikörper A; die Blutgruppe AB hat keine Antikörper, während die Blutgruppe 0 beide Antikörpertypen besitzt.

Erhält der Blutspendenempfänger eine inkompatible Blutgruppe, verklumpt das Serum. Dadurch werden die Blutgefäße verstopft und der Empfänger kann daran versterben.

Der Rhesusfaktor

Neben diesen Antigenen gibt es auch noch weitere Antigene auf der Oberfläche der Erytrhocyten. Ein Beispiel hierfür ist der Rhesusfaktor, der als erstes bei Rhesusaffen entdeckt worden ist.

Liegt dieses Molekül auf der Oberfläche vor, ist die Person rhesuspositiv („RH+“). In Europa trifft dies auf etwa 85 % der Menschen zu. Fehlt hingegen dieses Molekül, ist die Person rhesusnegativ („RH–“).

Gewebe- und Organtransplantationen

Manche Menschen sind so schwer erkrankt, dass ihnen lediglich die Transplantation gesunden Gewebes oder gesunder Organe hilft.

Arten der Transplantation

Je nachdem, von wo das Spenderorgan stammt, lassen sich unterschiedliche Arten der Transplantation unterscheiden.

Bei der autologen Transplantation stammt das Transplantat vom selben Menschen. Bei der allogenen Spende stammt das Organ dagegen von einem anderen Menschen.

Schließlich gibt es noch die xenogene Transplantation. Hier kommt das Transplantat von einer anderen Tierart. So wurden etwa schon Herzen und Nieren von Schweinen erfolgreich beim Menschen eingesetzt.

Transplantation und Immunreaktion

Werden diese Teile des Spenders in den Empfänger transplantiert, handelt es sich um ein Fremdgewebe. Das Immunsystem erkennt dabei die auf der Zelloberfläche vorhandenen, abweichenden MHC-I-Moleküle.

Daher ist für eine Transplantation eine möglichst große Übereinstimmung des Spender- und des Empfängergewebes erforderlich. Dennoch ist es nach den meisten Transplantation erforderlich, dass der Empfänger lebenslang Medikamente zu sich nimmt, die die zelluläre Immunabwehr unterdrückt. Diese Medikamente nennt man Immunsuppressiva.

Diese Immunsuppressiva hemmen allerdings nicht nur die Abstoßung des Fremdgewebes, sondern auch die Killerzellen. Dies erhöht beim Empfänger das Krebsrisiko, insbesondere von Hautkrebs und Blutkrebs (Leukämie).

Der Bedarf an Spenderorganen

In Deutschland und in Europa gibt es einen wesentlich höheren Bedarf an Spenderorganen als an verfügbaren Organen.

Eine Organspende eines lebenden Menschen ist nur unter ganz bestimmten Umständen erlaubt.

Ansonsten kommt allein eine Spende nach dem Tod des Spenders in Betracht. Hierfür ist stets wenigstens der eindeutige Hirntod erforderlich. Dies bedeutet, dass alle Hirnfunktionen vollständig und irreversibel ausgefallen sind^{[10]Natura 9, S. 100 f.}.

Das Spenderorgan bzw. die Spenderorgane werden dabei nur entnommen, wenn hierfür das Einverständnis vorliegt. Hierbei gibt es im Wesentlichen zwei mögliche Ansätze:

Bei der Zustimmungslösung muss der Spender zu Lebzeiten sein Einverständnis mit der Organentnahme erteilt haben. In Deutschland gilt dabei die erweiterte Zustimmungslösung: Danach können die Angehörigen der Organentnahme zustimmen, wenn der Spender keine Entscheidung getroffen hat und dies dem mutmaßlichen Willen des möglichen Spenders entsprochen hätte.

Daneben gibt es auch die Widerspruchslösung. Hierbei wird unterstellt, dass das Einverständnis des Toten vorgelegen hat, wenn dieser nicht zuvor widersprochen hat. Ob in Deutschland diese Regelung gelten sollte, ist fortlaufend Teil der politischen Debatte.

Quellen

0. Reiz und Reaktion
1. ↑https://commons.wikimedia.org, Interiot?
0. Das menschliche Gehirn
1. ↑https://commons.wikimedia.org, NEUROtiker
0. Das Auge
1. ↑https://commons.wikimedia.org, Talos/Jakov
0. Die Zellvermehrung
1. ↑https://commons.wikimedia.org, Magnus Manske/Dietzel65
0. Infektion und Abwehr
1. ↑Nautilus 9, S. 103.
2. ↑Angelehnt an Nautilus 9, S. 105.
3. ↑Nautilus, S. 112
4. ↑Leopoldina
5. ↑infektionsschutz.de
6. ↑Epidemiologisches Bulletin des RKI vom 24.11.2022, S. 7.
7. ↑commons.wikimedia.org, Thomas Splettstößer.
8. ↑Vgl. nautilus 9, S. 123.
9. ↑Vgl. Bioskop 9, S. 105.
10. ↑Natura 9, S. 100 f.