Zellorganellen. Bakterienzelle: keine Organellen. Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 1

Zellorganellen Bakterienzelle: keine Organellen Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 1

Zellorganellen tierische Zelle: Organellen Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 2

Zellorganellen pflanzliche Zelle: Organellen Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 3

Zellorganellen tierische Zelle: Organellen 1000-fach 23000-fach Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 4

Zellorganellen Funktion der Organellen Zellkern Raues ER, Ribosomen Mitochondrien Chloroplasten Glattes ER Golgi-Apparat Lysosom Peroxisomen Cytoskelett Replikation, Transkription Translation, Proteinmodifikation Citratzyklus, Fettsäureabbau, Atmungskette Photosynthese, Zuckeraufbau Lipidbiosynthese Proteinmodifikation, Vesikulärer Transport Verdau aufgenommener und eigener Makromoleküle/Organellen/Bakterien Oxidation, Entgiftung Transport, Formgebung Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 5

Zellorganellen Zellkern Zellkern: Replikation, Transkription Nucleolus: Transkription der ribosomalen RNA, Aufbau der Ribosomen Kernpore: Transport von: z.b. mrna, Ribosomen, trna (heraus) Regulatorproteine, Polymerasen Histone, ribosomale Proteine (hinein) GTP-abhängig Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 6

Zellorganellen Ribosomen, Raues Endoplasmatisches Reticulum Ribosomen Proteinsynthese freie Ribosomen cytosolischer Weg Cytosol, Mitochondrien Chloroplasten, Peroxisomen Ribosomen am ER (rer) sekretorischer Weg rer, Golgi, Lysosomen, Membran, Exocytose nachträglicher Import in Organellen Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 7

Zellorganellen Ribosomen, Raues Endoplasmatisches Reticulum Proteinsynthese am rauen ER: kotranslationale Sequestrierung Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 8

Zellorganellen Ribosomen, Raues Endoplasmatisches Reticulum Proteinsynthese am rauen ER: kotranslationale Sequestrierung Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 9

Zellorganellen Raues Endoplasmatisches Reticulum Proteinsynthese am rauen ER: core glycosylation N-Glykosylierung durch Glykosyltransferasen Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 10

Zellorganellen Golgi-Apparat und vesikulärer Transport Funktion: Protein- und Lipidmodifikationen und vesikulärer Transport Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 11

Zellorganellen Golgi-Apparat und vesikulärer Transport Funktion: Protein- und Lipidmodifikationen und vesikulärer Transport Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 12

Zellorganellen Golgi-Apparat und vesikulärer Transport Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 13

Zellorganellen Golgi-Apparat und vesikulärer Transport Clathrin COPI COPII Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 14

Zellorganellen Lysosomen: Abbau von endogenem und exogenem Material Steckbrief: - 0,2 2 µm - einfache Membran - intrazellulärer Magen - Verdauungsenzyme Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 15

Zellorganellen Lysosomen: Abbau von endogenem und exogenem Material Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 16

Zellorganellen Lysosomen: Abbau von endogenem und exogenem Material Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 17

Zellorganellen Mitochondrien ca. 2000 / Zelle Kraftwerke der Zelle : vollständig: Citrat-Zyklus Fettsäure-Oxidation Atmungskette ATP-Synthese teilweise: Gluconeogenese Porphyrin-Biosynthese Keton-Körper-Synthese Harnstoff-Zyklus Steroid-Synthese Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 18

Zellorganellen Chloroplasten Photosynthese, Calvin-Zyklus Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 19

Zellorganellen Vergleich: Mitochondrien und Chloroplasten - eigene DNA - eigene Proteinbiosynthese - zweite innere Membran Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 20

Zellorganellen (Zytoskelett) Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 21

Zellorganellen (Zytoskelett) Cytoskelett - Mikrotubuli Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 22

Zellorganellen (Zytoskelett) Cytoskelett - Mikrotubuli Funktionen: Herstellung der äußeren Zellform Gleitschienen zum Vesikeltransport Positionierung von Organellen Herstellung von u.a. Centriol, Kernteilungsspindel Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 23

Zellorganellen (Zytoskelett) Cytoskelett - Mikrotubuli Nervenzelle nicht neuronale Zelle Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 24

Zellorganellen (Zytoskelett) Cytoskelett - Mikrotubuli Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 25

Zellorganellen und zelluläre Strukturen Cytoskelett Mikrofilamente Aktin-Filamente Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 26

Zellorganellen und zelluläre Strukturen Cytoskelett Mikrofilamente Aktin-Filamente Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 27

Zellorganellen und zelluläre Strukturen Funktionen: Form und Stabilität der Zelle Muskelkontraktion: Aktin + Myosin, ATP-abhängig Kontraktion bestimmter Zellbereiche Fortbewegung ganzer Zellen (z.b. Amöben) Cytoskelett Mikrofilamente Aktin-Filamente Aktin-Fasern Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 28

Zellorganellen und zelluläre Strukturen Cytoskelett Mikrofilamente Aktin-Filamente Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 29

Zellorganellen und zelluläre Strukturen Cytoskelett Mikrofilamente Aktin-Filamente Wachstumskegel eines Neurons Endothelzellen der pulmonaren Arterie Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 30

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Verschiedene Arten der Kontakte: undurchlässige Zell-Zell-Verbindungen: tight junctions Haftverbindungen: Adhäsionsgürtel (Zell-Zell-Verbindung) Fokalkontakt (Zell-Matrix-Verbindung) Punktdesmosom (Zell-Zell-Verbindung) Hemidesmosom (Zell-Matrix-Verbindung) Kontakte über Adhäsionsproteine kommunizierende Verbindungen: gap junctions Plasmodesmen (Pflanzen) chemische Synapsen Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 31

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 32

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe undurchlässige Zell-Zell-Verbindungen tight junctions Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 33

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe undurchlässige Zell-Zell-Verbindungen tight junctions Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 34

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Haftverbindungen Adhäsionsgürtel und Fokalkontakte Adhäsionsgürtel Fokalkontakte Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 35

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Haftverbindungen Adhäsionsgürtel und Fokalkontakte Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 36

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Haftverbindungen Punktdesmosomen und Hemidesmosomen Punktdesmosom Hemidesmosomen Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 37

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Haftverbindungen Verbindungskomplex Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 38

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Haftverbindungen Kontakte über Adhäsionsproteine Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 39

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Cadherine Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 40

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Cadherine Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 41

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Cadherine Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 42

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe Integrine Zelladhäsion und Signalübertragung Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 43

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe kommunizierende Verbindungen gap junctions Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 44

Zellen im Gewebeverband Zusammenhalt von Zellen im Gewebe kommunizierende Verbindungen chemische Synapsen Biochemie 08 Zellorganellen und Strukturen 45

Zentrales Dogma der Biologie Replikation Biochemie 01/1

Zentrales Dogma der Biologie DNA Replikation DNA Transkription Reverse Transkription RNA Protein RNA Replikation Translation Biochemie 01/2

DNA Replikation Bei der Zellteilung muss die DNA schnell, effizient und korrekt vermehrt werden. Aus einem Doppelstrang werden zwei identische Tochter- Stränge, wobei das Experiment von Meselson & Stahl gezeigt hat, dass die DNA-Replikation semikonservativ verläuft. Biochemie 01/3

Zellteilung Biochemie 01/4

DNA-Replikation Biochemie 01/5

DNA-Replikation Biochemie 01/6

DNA Polymerisation datp, dgtp, dctp, dttp DNA-Polymerase (DNA-abhängig) MCB1201.mov Biochemie 01/7

DNA-Polymerasen E. coli: DNA-Polymerase I, II, III (Pol I, Pol II, Pol III) Pol I Pol II Pol III Masse (kd) 103 90 130 Moleküle/Zelle 400? 10-20 Wechselzahl* 600 30-60 60.000 Strukturgen pola polb polc Letale Mutante + - + Polymerase: 5 3 + + + Exonuclease 3 5 + + + 5 3 + - - *neue Nucleotide/min und Molekül bei 37 C Biochemie 01/8

Polymerisationsrichtung: 5 3 Bewegung der Replikationsgabel Leitstrang Folgestrang (Okazakifragment) Elternstrang Die DNA-Polymerisation verläuft immer in 5 3 -Richtung!!!! DNA-Polymerase kann nur Oligonucleotide verlängern! Biochemie 01/9

DNA-Replikation Entwindung der DNA: Einzelstrang Stabilisierung der Einzelstränge RNA-Primer durch Primase Verlängerung durch DNA-Polymerase III Leit- und Folgestrang Nick-Translation durch DNA-Polymerase I DNA-Ligase Biochemie 01/10

DNA-Replikation bei E. coli Untersuchung mit Hilfe von Autoradiogrammen Replikationsauge: Θ-Struktur MCB1202.mov Biochemie 01/11

Replikations-Typen Biochemie 01/12

Initiation der Replikation oric-locus: 245 bp, stark konserviert, Origin of Replication 30 Untereinheiten von DnaA-Protein (52 kd) binden an oric, schmelzen DNA auf Helikase: DnaB (Hexamer) entwindet DNA, ATP-abhängig Einzelstrang-Bindungsproteine (SSBs) stabilisieren die einzelsträngige DNA Biochemie 01/13

Initiation der Replikation Biochemie 01/14

Komplex aus SSB und DNA DNA Polymerase Biochemie 01/15

Primase (DnaG) DNA-abhängige RNA-Polymerase Synthese eines RNA-Primers durch Primase (DnaG) Teil des Primosom (mit DnaA, DnaB, PriA,B,C, DnaT) Biochemie 01/16

RNA-Primer 10-12 Basen lang etwa alle 1000 Basen auf der DNA (Folgestrang) Biochemie 01/17

RNA-Primer Okazaki-Fragmente: Prokaryonten: 1.000-2.000 Basen Eukaryonten: 100-200 Basen DNA Replication1.mp4 Biochemie 01/18

Replikation Entwindung der DNA: Einzelstrang Stabilisierung der Einzelstränge RNA-Primer durch Primase Verlängerung durch DNA-Polymerase III Leit- und Folgestrang Nicktranslation durch DNA-Polymerase I DNA-Ligase Biochemie 01/19

DNA-Polymerase III Holoenzym: Multiproteinkomplex Biochemie 01/20

Komponenten der DNA-Polymerase III (E. coli) -complex core Biochemie 01/21

DNA-Polymerase III Core-Enzyme: α-untereinheit: ε-einheit: θ-einheit: Polymerase 5 3 Exonuclease 3 5 Hilfsprotein Biochemie 01/22

DNA-Polymerase III β-untereinheit: sliding clamp sliding clamp Biochemie 01/23

DNA-Polymerase III β-untereinheit: sliding clamp Biochemie 01/24

DNA-Polymerase III Prozessivität: Katalyse-Zyklen, ohne vom Substrat abzufallen Core-Enzym: Holoenzym: 10-15 Basen >5000 Basen! Biochemie 01/25

DNA-Polymerase III -Untereinheit: clamp loader Biochemie 01/26

https://www.youtube.com/watch?v=gl3aigv7w4a Biochemie 01/27

DNA Rotation Biochemie 01/28

DNA Rotation Replikationsgeschwindigkeit (E. coli): 500-800 Nukleotide/Sec 50-80 Rotationen/Sec wären nötig! (~3.000-5.000 rpm) großer Energie-Verbrauch! Biochemie 01/29

DNA Rotation Topoisomerase Topoisomerase 1 and 2.mp4 Biochemie 01/30

DNA Rotation Topoisomerase: Biochemie 01/31

DNA Rotation Replikationsgeschwindigkeit (E. coli): 500-800 Nukleotide/Sec 50-80 Rotationen/Sec wären nötig! (~3.000-5.000 rpm) großer Energie-Verbrauch! Biochemie 01/32

RNA Primer RNA Primer (müssen noch gegen DNA ausgetauscht werden!) Biochemie 01/33

DNA-Polymerase I 928 Aminosäuren Polymerase 5 3 Exonuklease 3 5 erlaubt eigene Fehlerkorrektur 5 3 repariert Einzelstrangbrüche, entfernt RNA Primer Biochemie 01/34

DNA-Polymerase I Exonuklease 5 3 Polymerase 5 3 Nick Translation Nick Biochemie 01/35

DNA-Polymerase I Exonuklease 5 3 Polymerase 5 3 * * **** radioaktive Markierung der DNA Biochemie 01/36

DNA-Polymerase I Exonuklease 3 5 Korrekturfunktion (Proofreading) Biochemie 01/37

DNA-Polymerase I Das Klenow-Fragment 5 3 Polymerase 3 5 Exonuklease (Klenow fragment) 324-928 1-323 Subtilisin 5-3 Exonuklease (Nick Translation) Biochemie 01/38

DNA-Polymerase I Das Klenow-Fragment polymerizing editing Biochemie 01/39

DNA-Ligase Biochemie 01/40

DNA-Ligase phosphoamide NAD + diphosphate ATP phosphodiester Biochemie 01/41

Replikations-Gabel (3D) Biochemie 01/42

Replikations-Gabel (3D) DNA Replication Biochemie 01/43

Termination der Replikation Ter-Sequenz: ~23 bp 350 kb Region DNA Polymerase DNA Polymerase Biochemie 01/44

Termination der Replikation Ter-Sequenz: ~23 bp 350 kb Region DNA Polymerase DNA Polymerase Tus-Proteine binden an Ter-DNA Biochemie 01/45

Termination der Replikation Tus-Protein (Terminator utilization substance) mit ter-dna Biochemie 01/46

Replikation E. coli: Replikation des Genoms: 35-40 min. Zellteilung: 20 min! Biochemie 01/47

Replikation E. coli: Replikation des Genoms: 35-40 min. Zellteilung: 20 min! Biochemie 01/48

Rolling Circle Replikation Bacteriophage P22 New DNA synthesis Displaced strand Synthesis of complementary DNA strand and packaging Biochemie 01/49

Rolling Circle Replikation Bacteriophage P22 Bacteriophage PhiX174: looped rolling circle Biochemie 01/50

Replikation bei Eukaryonten Biochemie 01/51

Zellzyklus Mitose Interphase Biochemie 01/52

DNA-Replikation Biochemie 01/53

Initiation bei Eukaryonten Menschliches Genom: 3x10 9 bp E. coli Genom: 4.7x10 6 bp Biochemie 01/54

Initiation bei Eukaryonten Initiation: viele Startpunkte, ca. alle 3-300 kb Biochemie 01/55

DNA-Polymerase bei Eukaryonten DNA-Polymerase fest assoziierte Primase-Aktivität, keine Exonuclease-Aktivität synthetisiert ca. 100 nt Folgestrang- Replikase Leitstrang- Replikase DNA-Polymerase im Komplex mit PCNA keine fest assoziierte Primase-Aktivität, Exonuclease-Aktivität unbegrenzt prozessiv DNA-Polymerase keine fest assoziierte Primase-Aktivität, Exonuclease-Aktivität Hoch prozessiv (proliferating cell nuclear antigen) DNA-Polymerase β (Reparatur) DNA-Polymerase γ (Mitochondrien) Biochemie 01/56

Eukaryontische Sliding Clamp Prokaryonten: Eukaryonten: Biochemie 01/57

DNA-Polymerase β Klenow Fragment DNA-Polymerase β Biochemie 01/58

Replikationsauge E. coli D. melanogaster Biochemie 01/59

Ligase (Eukaryonten) Biochemie 01/60

Ligase (Eukaryonten) Biochemie 01/61

Termination bei Eukaryonten Prokaryonten: Eukaryonten: Biochemie 01/62

Termination bei Eukaryonten Biochemie 01/63

Telomerase Carol Greider Elizabeth Blackburn Jack W. Szostak Nobel Prize 2009 Telomerase ist ein Ribonucleo-Protein! Biochemie 01/64

Telomerase Telomerase Biochemie 01/65

Telomer-Struktur Hoogsteen-Wasserstoffbrücken G-Quartett Biochemie 01/66