S-fase: wat gebeurt er tijdens deze subfase van de celcyclus?

Heb je je ooit afgevraagd hoe je lichaam groeit of hoe het een blessure geneest? Het korte antwoord is: celverdeling.

Het is waarschijnlijk geen verrassing dat dit vitale celbiologische proces sterk gereguleerd is - en daarom veel stappen omvat. Een van deze belangrijke stappen is de S fase van de celcyclus.

De celcyclus – ook wel de celdelingscyclus genoemd – omvat de stappen a eukaryote cel moet voltooien om te delen en nieuwe cellen te produceren. Wanneer een cel zich deelt, noemen wetenschappers de oorspronkelijke cel de bovenliggende cel en de cellen geproduceerd door de splitsing de dochtercellen.

Mitose en interfase zijn de twee basisonderdelen waaruit de celcyclus bestaat. Mitose (soms M-fase genoemd) is het deel van de cyclus waar de daadwerkelijke celdeling plaatsvindt. Interfase is de tijd tussen de delingen wanneer de cel het werk doet om zich klaar te maken om te delen, zoals het groeien en repliceren van zijn DNA.

De tijd die nodig is om de celcyclus te voltooien, is afhankelijk van het type cel en de omstandigheden. De meeste menselijke cellen hebben bijvoorbeeld 24 uur nodig om te delen, maar sommige cellen zijn snel aan het fietsen en delen veel sneller.

Wetenschappers die de cellen die de darmen bekleden in het laboratorium kweken, zien soms dat die cellen elke negen tot tien uur de celcyclus voltooien!

Het interfase-gedeelte van de celcyclus is veel langer dan het mitose-gedeelte. Dit is logisch omdat een nieuwe cel de voedingsstoffen moet opnemen die hij nodig heeft om te groeien en zijn DNA en andere vitale celmachines te repliceren voordat hij een oudercel kan worden en zich via mitose kan delen.

Het interfase-gedeelte van de celcyclus omvat subfasen genaamd Kloof 1 (G1 fase), Synthese (S fase) en kloof 2 (G2 fase).

De celcyclus is een cirkel, maar sommige cellen verlaten de celcyclus tijdelijk of permanent via de Gap 0 (G0) fase. In deze subfase besteedt de cel zijn energie aan het uitvoeren van alle taken die het celtype normaal doet, in plaats van te delen of zich voor te bereiden om te delen.

Tijdens de subfasen G1 en G2 wordt de cel groter, repliceert zijn organellen en maakt zich klaar om zich in dochtercellen te verdelen. S fase is de DNA-synthese fase. Tijdens dit deel van de celcyclus repliceert de cel zijn volledige DNA-complement.

Het vormt ook de centrosoom, wat het microtubuli-organiserende centrum is dat de cel uiteindelijk zal helpen het DNA uit elkaar te trekken dat zal worden verdeeld tussen dochtercellen.

De S-fase is belangrijk vanwege wat er tijdens dit deel van de celcyclus plaatsvindt en ook vanwege wat het vertegenwoordigt.

Het invoeren van de S-fase (door de G1/S-overgang gaan) is een belangrijk controlepunt in de celcyclus, soms de beperkingspunt. Je kunt het zien als het point of no return voor de cel, omdat het de laatste kans is voor de cel om te stoppen celproliferatieof celgroei via celdeling. Zodra de cel de S-fase binnengaat, is het voorbestemd om de celdeling te voltooien, wat er ook gebeurt.

Omdat de S-fase het belangrijkste controlepunt is, moet de cel dit deel van de celcyclus strak reguleren met behulp van genen en genproducten, zoals eiwitten.

Om dit te doen, vertrouwt de cel op het bewaren van een evenwicht tussen: pro-proliferatieve genen, die de cel ertoe aanzetten te delen, en tumorsuppressorgenen, die werken om celproliferatie te stoppen. Enkele belangrijke tumorsuppressor-eiwitten (gecodeerd door tumorsuppressorgenen) omvatten: p53, p21, Chk1/2 en pRb.

Het belangrijkste werk van de S-fase van de celcyclus is het repliceren van de hele complement van DNA. Om dit te doen, activeert de cel pre-replicatiecomplexen om replicatie oorsprong. Dit zijn gewoon delen van het DNA waar de replicatie zal beginnen.

Terwijl een eenvoudig organisme zoals een eencellige protist misschien maar een enkele replicatieoorsprong heeft, hebben complexere organismen er veel meer. Een gistorganisme kan bijvoorbeeld tot 400 replicatieoorsprongen hebben, terwijl een menselijke cel 60.000 replicatieoorsprongen kan hebben.

Menselijke cellen hebben dit enorme aantal replicatieoorsprongen nodig omdat menselijk DNA zo lang is. Wetenschappers weten dat de DNA-replicatie machines kunnen slechts ongeveer 20 tot 100 basen per seconde kopiëren, wat betekent dat een enkel chromosoom ongeveer 2.000 uur nodig zou hebben om te repliceren met behulp van een enkele replicatieoorsprong.

Dankzij de upgrade naar 60.000 replicatieoorsprongen kunnen menselijke cellen in plaats daarvan de S-fase-in voltooien ongeveer acht uur.

Op de oorsprongsplaatsen van de replicatie is DNA-replicatie afhankelijk van een enzym dat helicase. Dit enzym wikkelt de dubbelstrengs DNA-helix af - een beetje zoals het openritsen van een rits. Eenmaal afgewikkeld, zal elk van de twee strengen een sjabloon worden om nieuwe strengen te synthetiseren die bestemd zijn voor de dochtercellen.

Het daadwerkelijke bouwen van de nieuwe strengen gekopieerd DNA vraagt ​​om een ​​ander enzym, DNA-polymerase. De bases (of nucleotiden) die de DNA-streng vormen, moeten de volgen complementaire basenparing regel. Dit vereist dat ze altijd op een specifieke manier binden: adenine met thymine en cytosine met guanine. Met behulp van dit patroon bouwt het enzym een ​​nieuwe streng die perfect past bij de sjabloon.

Net als de originele DNA-helix is ​​het nieuw gesynthetiseerde DNA erg lang en vereist het een zorgvuldige verpakking om in de kern te passen. Om dit te doen, produceert de cel eiwitten genaamd histonen. Deze histonen werken als spoelen waar het DNA zich omheen wikkelt, net als draad op een spoel. Samen vormen het DNA en de histonen complexen genaamd nucleosomen.

Het is natuurlijk van vitaal belang dat het nieuw gesynthetiseerde DNA perfect past bij de sjabloon, waardoor een dubbelstrengs DNA-helix wordt geproduceerd die identiek is aan het origineel. Net zoals je waarschijnlijk doet bij het schrijven van een essay of het oplossen van wiskundige problemen, moet de cel zijn werk controleren om fouten te voorkomen.

Dit is belangrijk omdat het DNA uiteindelijk zal coderen voor eiwitten en andere belangrijke biomoleculen. Zelfs een enkele verwijderde of gewijzigde nucleotide kan het verschil maken tussen een functionele genproduct en een die niet werkt. Deze DNA-schade is een oorzaak van veel menselijke ziekten.

Er zijn drie belangrijke controlepunten voor het proeflezen van het nieuw gerepliceerde DNA. De eerste is het replicatiecontrolepunt bij de replicatie vorken. Deze vorken zijn gewoon de plaatsen waar het DNA openritst en het DNA-polymerase de nieuwe strengen bouwt.

Terwijl het nieuwe basen toevoegt, controleert het enzym ook zijn werk terwijl het langs de streng naar beneden beweegt. De exonuclease actieve site op het enzym kan alle nucleotiden die per ongeluk aan de streng zijn toegevoegd, wegwerken, waardoor fouten in realtime tijdens de DNA-synthese worden voorkomen.

De andere checkpoints – genaamd de S-M controlepost en de intra-S-fase checkpoint – de cel in staat stellen om het nieuw gesynthetiseerde DNA te controleren op fouten die zijn opgetreden tijdens DNA-replicatie. Als er fouten worden gevonden, pauzeert de celcyclus terwijl kinase enzymen mobiliseren naar de site om de fouten te herstellen.

Celcycluscontrolepunten zijn cruciaal voor het produceren van gezonde, functionele cellen. Ongecorrigeerde fouten of schade kunnen ziekten bij de mens veroorzaken, waaronder kanker. Als de fouten of schade ernstig of onherstelbaar zijn, kan de cel een apoptoseof geprogrammeerde celdood. Dit doodt in wezen de cel voordat het ernstige problemen in uw lichaam kan veroorzaken.