Klinische Chemie - Exam

Aufgabe 1)

Biochemische Reaktionen und Prozesse im Körper

Essenzielle biochemische Reaktionen und Prozesse ermöglichen die Aufrechterhaltung von Lebensfunktionen durch biochemische Umwandlungen und Energiebereitstellung. Zu diesen Prozessen gehören Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette, Glukoneogenese, β-Oxidation, Proteinsynthese, Harnstoffzyklus, DNA-Replikation und die Funktion von Enzymen.

a)

Teilaufgabe A: Beschreibe detailliert den Prozess der Glykolyse. Gehe dabei auf die einzelnen Schritte ein und erläutere ihre Bedeutung für die Energiegewinnung der Zelle. Wie viel ATP wird dabei insgesamt gewonnen? Welche Enzyme spielen eine Schlüsselrolle?

Lösung:

Teilaufgabe A:

Die Glykolyse ist ein zentraler biochemischer Prozess, der in der Zelle abläuft. Sie stellt die erste Stufe im Abbau von Glukose dar und dient der Energiegewinnung. Die Glykolyse findet im Cytosol der Zelle statt und läuft in zehn Schritten ab, die jeweils von spezifischen Enzymen katalysiert werden.

• Schritt 1: Glukose wird durch das Enzym Hexokinase phosphoryliert und in Glukose-6-phosphat umgewandelt. Dies erfordert ein ATP.
• Schritt 2: Glukose-6-phosphat wird durch das Enzym Phosphoglukoseisomerase in Fruktose-6-phosphat isomerisiert.
• Schritt 3: Fruktose-6-phosphat wird durch das Enzym Phosphofruktokinase-1 (PFK-1) phosphoryliert und in Fruktose-1,6-bisphosphat umgewandelt. Dies erfordert ein weiteres ATP.
• Schritt 4: Fruktose-1,6-bisphosphat wird durch das Enzym Aldolase in Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) gespalten.
• Schritt 5: DHAP wird durch das Enzyme Triosephosphatisomerase in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt. Jetzt gibt es zwei GAP-Moleküle.
• Schritt 6: GAP wird durch das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase zu 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert, wobei NAD+ zu NADH reduziert wird.
• Schritt 7: 1,3-Bisphosphoglycerat wird durch das Enzym Phosphoglyceratkinase in 3-Phosphoglycerat umgewandelt, wobei ein ATP pro GAP-Molekül gewonnen wird.
• Schritt 8: 3-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Phosphoglyceratmutase in 2-Phosphoglycerat umgewandelt.
• Schritt 9: 2-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Enolase zu Phosphoenolpyruvat (PEP) dehydriert.
• Schritt 10: PEP wird durch das Enzyme Pyruvatkinase in Pyruvat umgewandelt und es wird ein weiteres ATP pro GAP-Molekül gewonnen.

Gesamtausbeute der Glykolyse: Am Ende der Glykolyse wird pro Glukosemolekül 2 ATP direkt verbraucht und 4 ATP direkt gewonnen, was zu einem Nettogewinn von 2 ATP führt. Zusätzlich werden in Schritt 6 zwei NADH-Moleküle erzeugt, die in der Atmungskette weiter Energie liefern können. Somit hat die Glykolyse nicht nur direkte Bedeutung für die Energiegewinnung in Form von ATP, sondern auch indirekte Bedeutung durch die Bereitstellung von NADH für die Atmungskette.

Schlüsselezyme: Zu den Schlüsselenzymen der Glykolyse gehören Hexokinase, Phosphofruktokinase-1 (PFK-1) und Pyruvatkinase, da sie jeweils irreversible Schritte katalysieren und eine entscheidende Rolle in der Regulation der Glykolyse spielen.

b)

Teilaufgabe B: Der Citratzyklus folgt unmittelbar auf die Glykolyse. Zeige, wie der Citratzyklus mit der Glykolyse verbunden ist. Formuliere die Gesamtreaktion des Citratzyklus und erkläre die Rolle des Citratzyklus in der zellulären Energieproduktion. Berechne die ATP-Ausbeute, die durch die vollständige Oxidation eines Moleküls Glukose in der Glykolyse und im Citratzyklus erzielt wird.

Lösung:

Teilaufgabe B:

Nach dem Abschluss der Glykolyse wird Pyruvat in den Mitochondrien durch oxidative Decarboxylierung zu Acetyl-CoA umgewandelt. Diese Reaktion wird durch das Enzym Pyruvatdehydrogenase katalysiert und verknüpft die Glykolyse mit dem Citratzyklus. Dabei wird pro Pyruvat-Molekül ein Molekül NADH und ein Molekül CO₂ generiert.

Die Gesamtreaktion der Umwandlung lautet:

Pyruvat + CoA + NAD⁺ → Acetyl-CoA + CO₂ + NADH + H⁺

Der Citratzyklus, auch Tricarbonsäurezyklus oder Krebs-Zyklus genannt, besteht aus acht Hauptschritten, die in den Mitochondrien stattfinden:

• Schritt 1: Acetyl-CoA kondensiert mit Oxalacetat, katalysiert durch das Enzym Citrat-Synthase, um Citrat zu bilden.
• Schritt 2: Citrat wird durch das Enzym Aconitase zu Isocitrat umgelagert.
• Schritt 3: Isocitrat wird durch das Enzym Isocitrat-Dehydrogenase oxidativ decarboxyliert, um α-Ketoglutarat zu bilden. Dabei wird ein NAD⁺ zu NADH reduziert und CO₂ freigesetzt.
• Schritt 4: α-Ketoglutarat wird durch das Enzym α-Ketoglutarat-Dehydrogenase oxidativ decarboxyliert, um Succinyl-CoA zu bilden. Dabei wird ein weiteres NAD⁺ zu NADH reduziert und CO₂ freigesetzt.
• Schritt 5: Succinyl-CoA wird durch das Enzym Succinyl-CoA-Synthetase in Succinat umgewandelt. Dies führt zur Bildung von GTP (das in ATP umgewandelt werden kann).
• Schritt 6: Succinat wird durch das Enzym Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat oxidiert. Dabei wird FAD zu FADH₂ reduziert.
• Schritt 7: Fumarat wird durch das Enzym Fumarase zu Malat hydratisiert.
• Schritt 8: Malat wird durch das Enzym Malat-Dehydrogenase zu Oxalacetat oxidiert, wobei ein NAD⁺ zu NADH reduziert wird.

Die Gesamtreaktion des Citratzyklus lautet:

Acetyl-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + Pᵢ + 2 H₂O → 2 CO₂ + 3 NADH + 3 H⁺ + FADH₂ + GTP + CoA

Rolle des Citratzyklus: Der Citratzyklus ist zentral für den aeroben Stoffwechsel und spielt eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung von Elektronentransportern (NADH und FADH₂) für die Atmungskette, die zur ATP-Produktion verwendet werden. Zudem liefert er Vorstufen für zahlreiche Biosynthesewege.

ATP-Ausbeute: Die vollständige Oxidation eines Glukosemoleküls umfasst die Glykolyse, die Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA, den Citratzyklus und die Atmungskette.

• Glykolyse: 2 ATP (Netto) + 2 NADH (entspricht ungefähr 5 ATP in der Atmungskette)
• Pyruvat zu Acetyl-CoA: 2 NADH (entspricht ungefähr 5 ATP)
• Citratzyklus: 6 NADH, 2 FADH₂ und 2 GTP pro Glukose, da jede Glukose in 2 Acetyl-CoA gespalten wird (4 NADH + 2 FADH₂ + 2 GTP correspond 20 ATP)

Zusammengefasst ergibt sich folgende ATP-Ausbeute:

2 (Glykolyse) + 5 (NADH aus Glykolyse) + 5 (NADH aus Pyruvat) + 20 (NADH, FADH₂, GTP aus Citratzyklus) = 32 ATP

Die Netto-ATP-Ausbeute beträgt also etwa 30-32 ATP-Moleküle aus einem Glukosemolekül, da einige Transportprozesse in den Mitochondrien geringfügige Mengen an Energie verbrauchen können.

c)

Teilaufgabe C: Einer der weiteren zentralen Prozesse im Körper ist die Glukoneogenese. Vergleiche und kontrastiere die Glukoneogenese mit der Glykolyse. Welche Enzyme sind in der Glukoneogenese spezifisch, die in der Glykolyse nicht verwendet werden? In welchen Situationen greift der Körper auf die Glukoneogenese zurück?

Lösung:

Teilaufgabe C:

Die Glukoneogenese ist der Prozess der Neubildung von Glukose aus nicht-Kohlenhydratvorstufen. Sie findet hauptsächlich in der Leber und, in geringerem Maße, in den Nieren statt. Während die Glykolyse Glukose abbaut, um Energie zu gewinnen, dient die Glukoneogenese dazu, Glukose zu synthetisieren, wenn der Blutzuckerspiegel niedrig ist, wie z.B. während des Fastens oder intensiver körperlicher Aktivität.

Vergleich und Kontrastierung zwischen Glukoneogenese und Glykolyse:

• Umkehrbare und irreversible Schritte: Während viele Schritte der Glukoneogenese die Umkehrung der Glykolyse darstellen, gibt es einige irreversible Schritte der Glykolyse, die durch alternative Wege und spezifische Enzyme in der Glukoneogenese umgangen werden.
• Ort der Reaktionen: Beide Prozesse finden im Cytosol statt, wobei einige Schritte der Glukoneogenese in den Mitochondrien beginnen. Dagegen läuft die gesamte Glykolyse im Cytosol ab.
• Energiestatus: Die Glykolyse erzeugt unmittelbar Energie in Form von ATP, während die Glukoneogenese Energie in Form von ATP und GTP verbraucht.

Spezifische Enzyme der Glukoneogenese:

• Pyruvat-Carboxylase: Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Pyruvat zu Oxalacetat, ein Schritt, der in den Mitochondrien stattfindet und ATP benötigt.
• Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK): Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Oxalacetat zu Phosphoenolpyruvat (PEP), ein Schritt, der GTP verbraucht.
• Fructose-1,6-Bisphosphatase: Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Fructose-1,6-Bisphosphat zu Fructose-6-Phosphat und umgeht somit das Enzym Phosphofructokinase-1 der Glykolyse.
• Glukose-6-Phosphatase: Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Glukose-6-Phosphat zu freier Glukose und umgeht dabei das erste Enzym der Glykolyse, die Hexokinase.

Situationen, in denen der Körper auf die Glukoneogenese zurückgreift:

• Fasten und Hunger: Während langer Fastenzeiten oder bei Nahrungsmangel ist die Glukoneogenese kritisch, um den Blutzuckerspiegel zu stabilisieren und Energie für das Gehirn und andere glukoseabhängige Gewebe bereitzustellen.
• Intensive körperliche Aktivität: Besonders während und nach länger andauernder intensiver körperlicher Anstrengung wird Glukoneogenese genutzt, um die Glykogenspeicher zu ergänzen und den Energiebedarf zu decken.
• Niedrige Kohlenhydratzufuhr: Bei einer Ernährung mit niedriger Kohlenhydratzufuhr oder bei bestimmten Diäten wie der ketogenen Diät wird die Glukoneogenese verstärkt aktiviert, um den Blutglukosespiegel aufrechtzuerhalten.
• Diabetes mellitus: Bei unbehandeltem Diabetes ist die Glukoneogenese oft pathologisch erhöht und trägt zu einer hyperglykämischen Stoffwechsellage bei.

Die Glykolyse und die Glukoneogenese sind somit zwei komplementäre Prozesse, die es dem Körper ermöglichen, das Gleichgewicht zwischen Energiegewinnung und -verbrauch aufrechtzuerhalten und den Blutzuckerspiegel zu regulieren.

Aufgabe 2)

Du bist Arzt in einer klinischen Chemieabteilung und erhältst die Laborergebnisse eines Patienten. Die Ergebnisse umfassen Blutglukose und HbA1c-Werte. Deine Aufgabe ist es, diese Werte zu interpretieren und weitere diagnostische Schritte vorzuschlagen.

Hier sind die Laborwerte des Patienten:

• Blutglukose: 160 mg/dL
• HbA1c: 8%

a)

Vergleiche die gegebenen Blutglukose- und HbA1c-Werte des Patienten mit den physiologischen Referenzwerten. Was kannst du daraus schließen? Sind diese Werte als physiologisch oder pathologisch zu betrachten?

Lösung:

Um die Blutglukose- und HbA1c-Werte des Patienten zu interpretieren, sollten wir die physiologischen Referenzwerte für beide Parameter kennen:

• Blutglukose (nüchtern): 70-99 mg/dL
• HbA1c: 4-5.6%

Nun vergleichen wir die Laborwerte des Patienten mit den Referenzwerten:

• Blutglukose: Der Patient hat einen Wert von 160 mg/dL. Dies liegt deutlich über dem oberen Grenzwert des physiologischen Referenzbereichs von 99 mg/dL und ist somit als pathologisch zu betrachten.
• HbA1c: Der Wert des Patienten beträgt 8%. Der physiologische Referenzbereich liegt zwischen 4% und 5.6%. Auch dieser Wert ist somit pathologisch.

Ein hoher HbA1c-Wert deutet auf eine längerfristig erhöhte Blutglukose hin. Der Wert von 8% entspricht einer durchschnittlichen Blutglukose von etwa 183 mg/dL (es gibt eine angenäherte Formel zur Umrechnung: eAG (estimated Average Glucose) = 28.7 x HbA1c - 46.7).

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Patient möglicherweise an Diabetes mellitus leidet. Es sollte eine weiterführende diagnostische Abklärung erfolgen, beispielsweise:

• Nüchternblutzucker-Test: Um den Nüchternblutzuckerspiegel zu überprüfen.
• Oraler Glukosetoleranztest (OGTT): Um die Blutzuckerregulation des Patienten nach einer Glukosebelastung zu beobachten.
• Bestimmung der C-Peptid-Werte: Dies kann helfen, die endogene Insulinproduktion zu bewerten.

b)

Erkläre die Bedeutung von HbA1c in der Langzeitüberwachung der Blutzuckerkontrolle und beschreibe, wie ein erhöhter HbA1c-Wert eine langfristige Hyperglykämie reflektiert.

Lösung:

HbA1c (Hämoglobin A1c): HbA1c ist eine Form von Hämoglobin, an die sich Glukose bindet. Der HbA1c-Wert gibt den durchschnittlichen Blutzuckerspiegel der letzten zwei bis drei Monate an. Dies liegt daran, dass die Lebensdauer eines roten Blutkörperchens, das Hämoglobin enthält, etwa 120 Tage beträgt.

Die Bindung von Glukose an Hämoglobin erfolgt durch eine nicht-enzymatische glykolytische Reaktion, bekannt als Glykation. Je höher die Konzentration von Glukose im Blut, desto mehr Glukose bindet sich an das Hämoglobin, was zu einem höheren HbA1c-Wert führt.

Die Bedeutung von HbA1c in der Langzeitüberwachung der Blutzuckerkontrolle liegt in seiner Fähigkeit, den Durchschnitt der Blutglukosespiegel über einen längeren Zeitraum abzubilden. Dies ist besonders wichtig bei der Diagnose und Überwachung von Diabetes mellitus, da kurzfristige Schwankungen der Blutzuckerwerte durch tägliche Blutzuckermessungen erfasst werden können, während der HbA1c-Wert einen umfassenderen Überblick bietet.

Ein erhöhter HbA1c-Wert reflektiert eine langfristige Hyperglykämie (hoher Blutzuckerspiegel). Chronisch hohe Blutzuckerwerte können zu einer Vielzahl von gesundheitlichen Problemen führen, einschließlich:

• Gefäßschäden (Mikro- und Makroangiopathie), die zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen können.
• Neuropathie (Nervenschäden).
• Nephropathie (Nierenschäden).
• Retinopathie (Schäden an der Netzhaut des Auges).

Die ADA (American Diabetes Association) empfiehlt, dass Menschen mit Diabetes ihren HbA1c-Wert unter 7% halten sollten, um das Risiko dieser Komplikationen zu minimieren.

Zusammengefasst ist der HbA1c-Wert ein wertvolles Instrument für die Langzeitüberwachung der Blutzuckerkontrolle, da er eine kontinuierliche Übersicht über die Glukosespiegel im Blut bietet und es ermöglicht, langfristige Hyperglykämie und das damit verbundene Risiko für Komplikationen zu identifizieren und zu managen.

c)

Benutze die Mittelwert-Standardabweichungs-Methode, um den pathologischen Schwellenwert für die Blutglukose bei einer Standardabweichung von 15 mg/dL zu berechnen. Angenommen, der Mittelwert des gesunden Bereichs beträgt 85 mg/dL.

• Tipp: Pathologisch abweichende Werte sind häufig so definiert, dass sie außerhalb von zwei Standardabweichungen vom Mittelwert liegen.

Lösung:

Um den pathologischen Schwellenwert für die Blutglukose mithilfe der Mittelwert-Standardabweichungs-Methode zu berechnen, verwenden wir die gegebene Standardabweichung und den Mittelwert. Ein Wert gilt als pathologisch, wenn er außerhalb von zwei Standardabweichungen vom Mittelwert liegt.

Gegebene Werte:

• Mittelwert (gesunder Bereich): 85 mg/dL
• Standardabweichung (σ): 15 mg/dL

Berechnungen:

Der obere Grenzwert wird berechnet als:

• Oberer Grenzwert = Mittelwert + 2 × Standardabweichung\[85 \, \text{mg/dL} + 2 \times 15 \, \text{mg/dL} = 85 \, \text{mg/dL} + 30 \, \text{mg/dL} = 115 \, \text{mg/dL}\]

Der untere Grenzwert wird berechnet als:

• Unterer Grenzwert = Mittelwert - 2 × Standardabweichung\[85 \, \text{mg/dL} - 2 \times 15 \, \text{mg/dL} = 85 \, \text{mg/dL} - 30 \, \text{mg/dL} = 55 \, \text{mg/dL}\]

Zusammengefasst, die pathologischen Schwellenwerte für die Blutglukose sind Werte unter 55 mg/dL und Werte über 115 mg/dL. Da der Blutglukosewert des Patienten 160 mg/dL beträgt, liegt dieser deutlich über dem oberen Grenzwert von 115 mg/dL und ist somit als pathologisch zu betrachten.

d)

Basierend auf den pathologischen Ergebnissen, welche weiteren diagnostischen Tests oder Maßnahmen würdest du vorschlagen, um eine mögliche Diagnose für den Patienten zu stellen und seinen Zustand weiter zu überwachen?

Lösung:

Basierend auf den pathologischen Ergebnissen (Blutglukose: 160 mg/dL und HbA1c: 8%), sind weitere diagnostische Tests und Maßnahmen empfehlenswert, um eine mögliche Diagnose für den Patienten zu stellen und seinen Zustand weiter zu überwachen.

Empfohlene diagnostische Tests und Maßnahmen:

• Nüchternblutzucker-Test: Dieser Test misst den Blutzuckerspiegel nach einer Fastenperiode von mindestens 8 Stunden. Ein Wert von 100-125 mg/dL deutet auf Prädiabetes hin, während ein Wert von 126 mg/dL oder höher auf Diabetes mellitus hinweist.
• Oraler Glukosetoleranztest (OGTT): Dieser Test misst den Blutzuckerspiegel nach einer Glukosebelastung (Verabreichung einer bestimmten Menge Glukose). Ein Wert von 140-199 mg/dL nach 2 Stunden weist auf Prädiabetes hin, während ein Wert von 200 mg/dL oder höher auf Diabetes hinweist.
• Bestimmung des Nüchtern-Insulins und C-Peptid-Wertes: Diese Tests helfen, die endogene Insulinproduktion zu bewerten und zu untersuchen, ob die Insulinresistenz oder ein Insulinmangel vorliegt.
• Kontinuierliche Blutzuckermessung: Die Verwendung eines kontinuierlichen Glukosemonitors (CGM) bietet eine 24-Stunden-Überwachung der Blutzuckerspiegel und hilft, Schwankungen und Muster im Blutzucker zu erkennen.
• Blutdruckmessung und Lipidprofil: Da ein Zusammenhang zwischen Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen besteht, sollten Blutdruck und Lipidwerte (Cholesterin, Triglyceride) überprüft werden.
• Urinuntersuchungen: Zum Nachweis von Mikroalbuminurie, was auf frühe Nierenschäden hinweisen kann, die durch Diabetes verursacht werden.
• Funduskopie: Regelmäßige Augenuntersuchungen zur Überprüfung auf diabetische Retinopathie.

Maßnahmen zur Überwachung und Verbesserung des Zustands:

• Ernährungsberatung: Beratung zu einer ausgewogenen, kohlenhydratbewussten Ernährung, die hilft, den Blutzuckerspiegel zu kontrollieren.
• Physische Aktivität: Regelmäßige Bewegung kann helfen, Blutzuckerspiegel zu senken und die Insulinempfindlichkeit zu verbessern.
• Gewichtsmanagement: Übergewichtige Patienten sollten unterstützt werden, ihr Körpergewicht zu reduzieren, um die Blutzuckerkontrolle zu verbessern.
• Medikamentöse Therapie: Je nach Diagnose kann die Einleitung einer antidiabetischen medikamentösen Therapie erforderlich sein (z.B. Metformin, Insulin).

Durch diese diagnostischen Tests und Maßnahmen kann eine genaue Diagnose gestellt und ein individueller Behandlungsplan entwickelt werden, um den Zustand des Patienten effektiv zu managen.

Aufgabe 3)

Bei der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) handelt es sich um eine wichtige Methode der Molekulardiagnostik, die zur Vervielfältigung spezifischer DNA-Abschnitte verwendet wird. Zu den Hauptschritten der PCR gehören die Denaturierung, die Hybridisierung (auch Annealing genannt) und die Elongation. Die PCR findet in der klinischen Chemie vielfältige Anwendungen, z.B. beim Nachweis von Pathogenen, bei der Identifikation genetischer Mutationen und in der Forensik. Die Methode zeichnet sich durch ihre hohe Sensitivität, Spezifität und Schnelligkeit aus. Zu den wesentlichen Komponenten einer PCR zählen das DNA-Template, Primer, dNTPs (desoxynukleosidtriphosphate), DNA-Polymerase und ein geeigneter Puffer.

a)

Erkläre die drei Hauptschritte der PCR (Denaturierung, Hybridisierung, Elongation) im Detail und beschreibe ihre jeweiligen Bedingungen (Temperaturen, Zeiten).

Lösung:

Denaturierung

Im ersten Schritt der PCR, der Denaturierung, wird die doppelsträngige DNA in zwei einzelne Stränge aufgetrennt. Dies geschieht durch Erhitzen der Reaktionsmischung auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 94°C und 98°C. Die hohe Temperatur sorgt dafür, dass die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren aufbrechen, was die DNA-Stränge voneinander trennt. Dieser Schritt dauert meist 15-30 Sekunden.

Hybridisierung (Annealing)

Im zweiten Schritt, der Hybridisierung oder Annealing, wird die Temperatur der Reaktionsmischung gesenkt, damit die spezifischen Primer an ihre komplementären Sequenzen auf den Einzelstrang-DNA-Molekülen binden können. Die optimale Annealing-Temperatur hängt von der Sequenz und Länge der Primer ab, liegt aber gewöhnlich zwischen 50°C und 65°C. Dieser Schritt dauert normalerweise 15-60 Sekunden. Die genaue Temperatur ist kritisch, da zu hohe Temperaturen die Primerbindung verhindern und zu niedrige Temperaturen unspezifische Bindungen fördern können.

Elongation

Im dritten Schritt, der Elongation, ergänzt die DNA-Polymerase die Einzelstrangmatrize, indem sie die passenden dNTPs (Desoxynukleosidtriphosphate) an das 3'-Ende des Primers anfügt und so einen neuen DNA-Strang synthetisiert. Die optimale Temperatur für die DNA-Polymerase, häufig Taq-Polymerase, liegt bei etwa 72°C. Die Dauer der Elongation hängt von der Länge des zu amplifizierenden DNA-Fragments ab und beträgt typischerweise etwa 1 Minute pro 1.000 Basenpaare.

• Denaturierung: 94°C - 98°C, 15-30 Sekunden
• Hybridisierung (Annealing): 50°C - 65°C, 15-60 Sekunden
• Elongation: 72°C, 1 Minute pro 1.000 Basenpaare

b)

Eine PCR-Reaktion wurde durchgeführt, um eine spezifische DNA-Sequenz zu vervielfältigen. Die ursprüngliche Menge an DNA war 10 ng. Nach 30 Zyklen PCR, wie viele Kopien der spezifischen DNA-Sequenz können theoretisch vorliegen? (Hinweis: Die Anzahl der DNA-Moleküle verdoppelt sich in jedem Zyklus). Formuliere die zugehörige mathematische Berechnung.

Lösung:

Um die Anzahl der DNA-Kopien nach 30 Zyklen der PCR zu ermitteln, nutzen wir die Tatsache, dass sich die Menge der DNA in jedem Zyklus verdoppelt. Dies folgt einem exponentiellen Wachstumsmodell.

Formel zur Berechnung der DNA-Kopien:

Die allgemeine Formel zur Berechnung der Anzahl von DNA-Kopien nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen lautet:

\[N = N_0 \times 2^{\text{Anzahl der Zyklen}}\]

wobei:

• N = Anzahl der DNA-Kopien nach den Zyklen
• N_0 = Ausgangsmenge der DNA-Kopien
• Zyklen = Anzahl der durchgeführten PCR-Zyklen

Bei der PCR-Reaktion starten wir mit einer ursprünglichen Menge von 10 ng DNA. Da sich die Anzahl der DNA-Moleküle verdoppelt, können wir die ursprüngliche Menge als \( N_0 = 1 \) festlegen (was bedeutet, dass wir mit einer Einheit starten).

• Ausgangsmenge der DNA (N_0): 1 Kopie
• Anzahl der Zyklen: 30

Setzen wir die Werte in die Formel ein:

\[N = 1 \times 2^{30}\]

Berechnen wir nun den Wert von \( 2^{30} \):

\[2^{30} = 1.073.741.824\]

Das bedeutet, nach 30 Zyklen der PCR könnten theoretisch 1.073.741.824 Kopien der spezifischen DNA-Sequenz vorliegen.

Zusammengefasst:

• Anzahl der DNA-Kopien nach 30 Zyklen: 1.073.741.824

c)

Welche spezifischen Vor- und Nachteile weist die PCR im Vergleich zu traditionellen Methoden der DNA-Analyse (z.B. Southern Blotting) auf? Nenne mindestens drei Punkte für Vor- und Nachteile.

Lösung:

Vorteile der PCR im Vergleich zu traditionellen Methoden der DNA-Analyse

• Hohe Sensitivität: Die PCR kann sehr geringe Mengen an DNA amplifizieren, oft bis hin zu einzelnen Molekülen. Dies ist bei Methoden wie dem Southern Blotting nicht möglich.
• Schnelligkeit: PCR-Reaktionen können in wenigen Stunden durchgeführt werden, während traditionelle Methoden wie Southern Blotting mehrere Tage in Anspruch nehmen können.
• Spezifität: Durch die Verwendung spezifischer Primer kann die PCR bestimmte DNA-Sequenzen sehr genau amplifizieren. Die richtige Auswahl der Primer minimiert die Wahrscheinlichkeit unspezifischer Bindungen.

Nachteile der PCR im Vergleich zu traditionellen Methoden der DNA-Analyse

• Kontaminationsanfälligkeit: Die hohe Sensitivität der PCR kann auch ein Nachteil sein, da selbst kleinste Kontaminationen zu falsch positiven Ergebnissen führen können.
• Begrenzte Quantifizierung: Während die PCR qualitativ hoch präzise ist, ist die exakte Quantifizierung der Ausgangs-DNA-Menge schwieriger, besonders im Vergleich zu Methoden wie dem Southern Blotting, die eine semi-quantitative Analyse ermöglichen.
• Primer-Spezifität: Die Effizienz der PCR hängt stark von der Auswahl der Primer ab. Unspezifische Primer können zu nicht gewünschten Amplifikationsprodukten führen, was bei Methoden wie dem Southern Blotting weniger wahrscheinlich ist.

d)

Beschreibe die Rolle und Bedeutung der folgenden Komponenten in der PCR-Reaktion: DNA-Template, Primer, dNTPs, DNA-Polymerase, Puffer.

Lösung:

Rolle und Bedeutung der PCR-Komponenten

• DNA-Template: Das DNA-Template ist die Ausgangs-DNA, die vervielfältigt werden soll. Es dient als Matrize, an die sich die Primer anbinden und die DNA-Polymerase die neuen Stränge synthetisiert. Ohne das Template gibt es keine spezifische Sequenz zur Amplifikation.
• Primer: Primer sind kurze, einzelsträngige DNA-Stücke, die komplementär zu den Enden der Zielsequenz sind. Sie binden an das DNA-Template und geben der DNA-Polymerase einen Startpunkt, um die Synthese des neuen DNA-Strangs zu beginnen. Die Spezifität der PCR wird entscheidend durch die Primer bestimmt.
• dNTPs (Desoxynukleosidtriphosphate): dNTPs sind die Bausteine, die für die Synthese der neuen DNA-Stränge benötigt werden. Sie bestehen aus den vier Nukleotiden (dATP, dTTP, dCTP, dGTP), die die DNA-Polymerase einfügt, um den neuen Strang zu synthetisieren. Ohne ausreichende dNTPs kann die DNA nicht vervielfältigt werden.
• DNA-Polymerase: Die DNA-Polymerase ist das Enzym, das die Synthese der neuen DNA-Stränge katalysiert. Ein häufig verwendetes Enzym ist die Taq-Polymerase, die aus dem thermophilen Bakterium Thermus aquaticus isoliert wurde. Diese Polymerase ist hitzestabil und kann bei hohen Temperaturen arbeiten, die zur Denaturierung der DNA erforderlich sind.
• Puffer: Der Puffer sorgt für die optimalen chemischen Bedingungen, unter denen die DNA-Polymerase arbeiten kann. Er stabilisiert den pH-Wert und enthält Mg2+-Ionen, die als Kofaktoren für die Aktivität der DNA-Polymerase notwendig sind. Ein geeigneter Puffer ist entscheidend für die Effizienz und Genauigkeit der PCR.

Aufgabe 4)

Ein 55-jähriger Patient wird mit Brustschmerzen in die Notaufnahme eingewiesen. Der Arzt ordnet eine Reihe von Bluttests an, um kardiovaskuläre Biomarker zu messen und die Ursache der Brustschmerzen zu bestimmen. Untersucht werden Troponin, BNP/NT-proBNP, CRP, LDL-Cholesterin und D-Dimer. Die gemessenen Werte sind: Troponin: 0.08 µg/L, BNP: 450 pg/mL, CRP: 3 mg/dL, LDL-Cholesterin: 160 mg/dL, D-Dimer: 750 ng/mL.

a)

Die Troponin-Werte des Patienten liegen bei 0.08 µg/L. Interpretiere diesen Wert im Hinblick auf einen möglichen Myokardinfarkt und erkläre den zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismus.

Lösung:

Der Troponin-Wert des Patienten liegt bei 0.08 µg/L. Um diesen Wert zu interpretieren und die Möglichkeit eines Myokardinfarkts (Herzinfarkts) zu beurteilen, ist es wichtig, die normalen Referenzwerte für Troponin zu kennen. Normalerweise beträgt der Troponin-Wert im Blut weniger als 0.04 µg/L. Ein Wert von 0.08 µg/L liegt daher oberhalb dieses Bereichs.

Interpretation des Troponin-Werts:

• Ein Troponin-Wert von 0.08 µg/L deutet auf eine Verletzung des Herzmuskels hin. Dieser Wert ist höher als normal und kann auf einen akuten Myokardschaden oder Myokardinfarkt hinweisen.
• Zusätzliche Tests und klinische Beobachtungen sind erforderlich, um die Diagnose zu bestätigen, da verschiedene Bedingungen (wie schwere körperliche Belastung, Niereninsuffizienz oder andere Herzerkrankungen) ebenfalls zu erhöhten Troponin-Werten führen können.

Pathophysiologischer Mechanismus:

• Troponin ist ein Protein, das im Herzmuskel vorkommt und eine Schlüsselrolle in der Muskelkontraktion spielt.
• Bei einer Schädigung des Herzmuskels, wie sie bei einem Myokardinfarkt auftritt, werden die Zellmembranen der Herzmuskelzellen beschädigt und Troponin wird in den Blutkreislauf freigesetzt.
• Ein erhöhter Troponin-Wert im Blut ist ein Marker für Herzmuskelschäden und kann den Schweregrad und die Ausdehnung des Schadens anzeigen.

b)

Der BNP-Wert des Patienten beträgt 450 pg/mL. Erkläre die klinische Bedeutung dieses Wertes und beschreibe, wie BNP als Biomarker für Herzinsuffizienz funktioniert und welche Maßnahmen zur Therapie eingeleitet werden können.

Lösung:

Der BNP-Wert (B-Typ Natriuretisches Peptid) des Patienten beträgt 450 pg/mL. Um diesen Wert zu verstehen, ist es hilfreich zu wissen, dass BNP ein Hormon ist, das hauptsächlich von den Herzventrikeln in Reaktion auf übermäßige Dehnung der Herzmuskulatur produziert wird. BNP wird als Biomarker verwendet, um Herzinsuffizienz zu diagnostizieren und zu überwachen.

Klinische Bedeutung des BNP-Wertes:

• Ein BNP-Wert von 450 pg/mL ist erhöht und deutet auf eine Herzinsuffizienz hin, da die normalen BNP-Werte normalerweise weniger als 100 pg/mL betragen.
• Erhöhte BNP-Werte können auch bei anderen Zuständen wie Niereninsuffizienz, Lungenembolie oder chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) beobachtet werden, aber in Kombination mit den Symptomen und klinischen Befunden wie den Brustschmerzen des Patienten weist ein solcher Wert stark auf eine Herzinsuffizienz hin.

BNP als Biomarker für Herzinsuffizienz:

• Bei einer Herzinsuffizienz wird das Herz einer erhöhten Wandspannung und Dehnung ausgesetzt, was zu einer Freisetzung von BNP führt.
• BNP hilft dabei, den Blutdruck zu senken, die Natriurese (Ausscheidung von Natrium im Urin) zu fördern und die extrazelluläre Flüssigkeitsbalance zu regulieren, um die Überlastung des Herzens zu reduzieren.
• Ein erhöhter BNP-Wert im Blut ist ein Zeichen dafür, dass das Herz unter Druck steht und möglicherweise nicht effizient Blut pumpen kann.

Therapeutische Maßnahmen:

• Die Behandlung der Herzinsuffizienz kann eine Kombination aus Lebensstiländerungen, Medikamenten und manchmal chirurgischen Eingriffen umfassen.
• Medikamente: ACE-Hemmer oder ARBs (Angiotensin-Rezeptorblocker), Betablocker, Diuretika und Aldosteron-Antagonisten werden oft zur Reduktion der Herzbelastung und zur Verbesserung der Herzfunktion eingesetzt.
• Lebensstiländerungen: Salzreduktion in der Ernährung, regelmäßige körperliche Bewegung, Rauchstopp und Gewichtsabnahme.
• Manchmal sind auch chirurgische Eingriffe wie die Implantation eines Herzschrittmachers oder eines Defibrillators notwendig, oder in schweren Fällen eine Herztransplantation.

c)

Die gemessenen Werte des Patienten zeigen auch einen CRP-Wert von 3 mg/dL und einen LDL-Cholesterin-Wert von 160 mg/dL. Erläutere die Zusammenhänge zwischen diesen Werten und dem Risiko für koronare Herzkrankheiten. Welche Rolle spielt eine Entzündung in der Pathogenese der Atherosklerose?

Lösung:

Die gemessenen Werte des Patienten zeigen einen CRP-Wert von 3 mg/dL und einen LDL-Cholesterin-Wert von 160 mg/dL. Diese Werte haben beide wichtige Implikationen in Bezug auf das Risiko für koronare Herzkrankheiten (KHK).

CRP (C-reaktives Protein):

• Ein CRP-Wert von 3 mg/dL ist erhöht, da normale CRP-Werte normalerweise unter 1 mg/dL liegen. Ein erhöhter CRP-Wert ist ein Marker für systemische Entzündungen im Körper.
• Erhöhte CRP-Werte wurden mit einem erhöhten Risiko für kardiovaskuläre Ereignisse und koronare Herzkrankheiten in Verbindung gebracht. Entzündungen spielen eine zentrale Rolle in der Entwicklung und Progression von Atherosklerose.

LDL-Cholesterin (Low-Density Lipoprotein):

• Ein LDL-Cholesterin-Wert von 160 mg/dL ist erhöht, da die empfohlenen Werte normalerweise unter 100 mg/dL liegen, insbesondere bei Personen mit Risikofaktoren für Herzkrankheiten.
• Erhöhtes LDL-Cholesterin ist einer der Hauptfaktoren für die Entwicklung der Atherosklerose und damit ein erhöhtes Risiko für koronare Herzkrankheiten. LDL-Cholesterin kann sich an den Wänden der Arterien ablagern und Plaques bilden, die zu Verengungen und Blockaden führen können.

Zusammenhang zwischen CRP, LDL-Cholesterin und KHK:

• Erhöhtes LDL-Cholesterin führt dazu, dass Cholesterin in die Arterienwände eindringt, wo es oxidiert und eine Entzündungsreaktion hervorruft.
• Die Entzündung führt zur Freisetzung von CRP aus der Leber, was die Entzündungsreaktion verstärkt und zur Plaquebildung und Instabilität beiträgt.
• Chronische Entzündungen können die Plaques anfälliger für Brüche machen, was zu Thrombosen und akuten kardiovaskulären Ereignissen wie Herzinfarkten führen kann.

Entzündungen und Atherosklerose:

• Die Pathogenese der Atherosklerose beinhaltet die Ansammlung von Lipiden, insbesondere LDL, in der Intima der Arterienwände. Diese Lipidablagerungen führen zu einer lokalen Entzündungsreaktion.
• Makrophagen und andere entzündliche Zellen wandern in die Arterienwand ein und phagozytieren das oxidierte LDL, was zur Bildung von Schaumzellen und Plaques führt.
• Entzündliche Zytokine und Chemokine werden freigesetzt, was die Entzündungsreaktion weiter verstärkt und die Plaquebildung und -entwicklung fördert.
• CRP ist nicht nur ein Marker für Entzündungen, sondern kann auch selbst zur Progression der Atherosklerose beitragen, indem es die Aufnahme von LDL in die Makrophagen fördert und die lokale Entzündungsreaktion verstärkt.