S-Phase: Was passiert während dieser Unterphase des Zellzyklus?

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Ihr Körper wächst oder wie er eine Verletzung heilt? Die kurze Antwort ist Zellteilung.

Kein Wunder, dass dieser lebenswichtige Prozess der Zellbiologie stark reguliert ist – und daher viele Schritte umfasst. Einer dieser wichtigen Schritte ist der S-Phase des Zellzyklus.

Das Zellzyklus – manchmal auch Zellteilungszyklus genannt – umfasst die Schritte a Eukaryotische Zelle muss abgeschlossen werden, um sich zu teilen und neue Zellen zu produzieren. Wenn sich eine Zelle teilt, nennen Wissenschaftler die ursprüngliche Zelle die Mutterzelle und die durch die Spaltung produzierten Zellen Tochterzellen.

Mitose und Zwischenphase sind die beiden grundlegenden Teile, aus denen der Zellzyklus besteht. Mitose (manchmal als M-Phase bezeichnet) ist der Teil des Zyklus, in dem die eigentliche Zellteilung stattfindet. Zwischenphase ist die Zeit zwischen den Teilungen, in der die Zelle die Arbeit verrichtet, um sich auf die Teilung vorzubereiten, wie z. B. das Wachstum und die Replikation ihrer DNA.

Die Zeit bis zum Abschluss des Zellzyklus hängt vom Zelltyp und den Bedingungen ab. Zum Beispiel benötigen die meisten menschlichen Zellen volle 24 Stunden, um sich zu teilen, aber einige Zellen sind schnelle Zyklen und teilen sich viel schneller.

Wissenschaftler, die die Zellen, die den Darm auskleiden, im Labor züchten, sehen manchmal, dass diese Zellen alle neun bis zehn Stunden den Zellzyklus abschließen!

Der Interphase-Teil des Zellzyklus ist viel länger als der Mitose-Teil. Dies ist sinnvoll, da eine neue Zelle die Nährstoffe aufnehmen muss, die sie zum Wachstum und zur Replikation ihrer DNA und anderer lebenswichtiger Zellmaschinen benötigt, bevor sie eine Elternzelle werden und sich über Mitose teilen kann.

Der Interphase-Teil des Zellzyklus umfasst Unterphasen namens Lücke 1 (G1-Phase), Synthese (S-Phase) und Lücke 2 (G2-Phase).

Der Zellzyklus ist ein Kreis, aber einige Zellen verlassen den Zellzyklus vorübergehend oder dauerhaft über die Lücke 0 (G0)-Phase. In dieser Unterphase verbraucht die Zelle ihre Energie, um alle Aufgaben auszuführen, die der Zelltyp normalerweise erledigt, anstatt sich zu teilen oder sich auf die Teilung vorzubereiten.

Während der Unterphasen G1 und G2 wächst die Zelle, repliziert ihre Organellen und bereitet sich darauf vor, sich in Tochterzellen zu teilen. S-Phase ist der DNA-Synthese Phase. Während dieses Teils des Zellzyklus repliziert die Zelle ihr gesamtes DNA-Komplement.

Es bildet auch die Zentrosom, das ist das Mikrotubuli-organisierende Zentrum, das der Zelle schließlich hilft, die DNA auseinander zu ziehen, die zwischen den Tochterzellen aufgeteilt wird.

Die S-Phase ist wichtig wegen dem, was während dieses Teils des Zellzyklus passiert und auch wegen dem, was sie repräsentiert.

Der Eintritt in die S-Phase (Durchgang durch den G1/S-Übergang) ist ein wichtiger Kontrollpunkt im Zellzyklus, der manchmal als bezeichnet wird Einschränkungspunkt. Sie können es sich als den Punkt vorstellen, an dem es für die Zelle kein Zurück mehr gibt, da dies die letzte Gelegenheit für die Zelle ist, anzuhalten Zellvermehrungoder Zellwachstum durch Zellteilung. Sobald die Zelle in die S-Phase eintritt, ist sie dazu bestimmt, die Zellteilung abzuschließen, egal was passiert.

Da die S-Phase der wichtigste Kontrollpunkt ist, muss die Zelle diesen Teil des Zellzyklus mithilfe von Genen und Genprodukten wie Proteinen streng regulieren.

Um dies zu tun, ist die Zelle darauf angewiesen, ein Gleichgewicht zwischen proproliferative Gene, die die Zelle zur Teilung drängen, und Tumorsuppressorgene, die die Zellproliferation stoppen. Einige wichtige Tumorsuppressorproteine ​​(kodiert durch Tumorsuppressorgene) umfassen p53, p21, Chk1/2 und pRb.

Die Hauptarbeit der S-Phase des Zellzyklus ist die Replikation des gesamten Komplement der DNA. Dazu aktiviert die Zelle Prä-Replikationskomplexe, um Replikationsursprünge. Dies sind einfach Bereiche der DNA, in denen die Replikation beginnt.

Während ein einfacher Organismus wie ein einzelliger Protist möglicherweise nur einen einzigen Replikationsursprung hat, haben komplexere Organismen viel mehr. Beispielsweise kann ein Hefeorganismus bis zu 400 Replikationsstartpunkte haben, während eine menschliche Zelle 60.000 Replikationsstartpunkte haben kann.

Menschliche Zellen benötigen diese riesige Anzahl von Replikationsstartpunkten, weil die menschliche DNA so lang ist. Wissenschaftler wissen, dass die DNA Replikation Maschinen können nur etwa 20 bis 100 Basen pro Sekunde kopieren, was bedeutet, dass ein einzelnes Chromosom ungefähr 2.000 Stunden benötigen würde, um mit einem einzigen Replikationsstartpunkt zu replizieren.

Dank des Upgrades auf 60.000 Replikationsstartpunkte können menschliche Zellen stattdessen die S-Phase in etwa acht Stunden.

An den Replikationsursprungsstellen beruht die DNA-Replikation auf einem Enzym namens Helikase. Dieses Enzym wickelt die doppelsträngige DNA-Helix ab – ähnlich wie beim Öffnen eines Reißverschlusses. Nach dem Abwickeln wird jeder der beiden Stränge zu einer Matrize, um neue Stränge zu synthetisieren, die für die Tochterzellen bestimmt sind.

Der eigentliche Aufbau der neuen Stränge der kopierten DNA erfordert ein weiteres Enzym, DNA-Polymerase. Die Basen (oder Nukleotide), die den DNA-Strang umfassen, müssen dem komplementäre Basenpaarungsregel. Dies erfordert, dass sie immer auf eine bestimmte Weise binden: Adenin an Thymin und Cytosin an Guanin. Anhand dieses Musters baut das Enzym einen neuen Strang auf, der sich perfekt mit der Matrize paart.

Genau wie die ursprüngliche DNA-Helix ist die neu synthetisierte DNA sehr lang und erfordert eine sorgfältige Verpackung, um in den Zellkern zu passen. Dazu produziert die Zelle Proteine ​​namens Histone. Diese Histone wirken wie Spulen, um die sich die DNA wickelt, wie ein Faden auf einer Spindel. Zusammen bilden die DNA und die Histone Komplexe namens Nukleosomen.

Natürlich ist es wichtig, dass die neu synthetisierte DNA perfekt zur Vorlage passt und eine doppelsträngige DNA-Helix erzeugt, die mit dem Original identisch ist. Genau wie Sie es wahrscheinlich tun, wenn Sie einen Aufsatz schreiben oder mathematische Probleme lösen, muss die Zelle ihre Arbeit überprüfen, um Fehler zu vermeiden.

Dies ist wichtig, da die DNA schließlich für Proteine ​​​​und andere wichtige kodieren wird Biomoleküle. Schon ein einzelnes deletiertes oder verändertes Nukleotid kann den Unterschied zwischen einem funktionellen Genprodukt und einer, der nicht funktioniert. Dieser DNA-Schaden ist eine Ursache für viele menschliche Krankheiten.

Es gibt drei Hauptkontrollpunkte für das Korrekturlesen der neu replizierten DNA. Der erste ist der Replikationsprüfpunkt bei der Replikation Gabeln. Diese Gabeln sind einfach die Stellen, an denen sich die DNA entpackt und die DNA-Polymerase die neuen Stränge baut.

Beim Hinzufügen neuer Basen überprüft das Enzym auch seine Arbeit, während es sich den Strang hinunter bewegt. Das Exonuklease aktives Zentrum auf dem Enzym kann alle irrtümlich an den Strang hinzugefügten Nukleotide herausschneiden und so Fehler während der DNA-Synthese in Echtzeit verhindern.

Die anderen Kontrollpunkte – genannt die S-M-Checkpoint und der Intra-S-Phasen-Checkpoint – ermöglichen der Zelle, die neu synthetisierte DNA auf Fehler zu überprüfen, die während der DNA-Replikation aufgetreten sind. Wenn Fehler gefunden werden, wird der Zellzyklus angehalten, während Kinase Enzyme mobilisieren an der Stelle, um die Fehler zu beheben.

Zellzyklus-Checkpoints sind entscheidend für die Produktion gesunder, funktionsfähiger Zellen. Unkorrigierte Fehler oder Schäden können menschliche Krankheiten, einschließlich Krebs, verursachen. Wenn die Fehler oder Schäden schwerwiegend oder nicht reparierbar sind, kann die Zelle Apoptoseoder programmierter Zelltod. Dies tötet die Zelle im Wesentlichen ab, bevor es ernsthafte Probleme in Ihrem Körper verursachen kann.