Celcyclus: definitie, fasen, regulering en feiten

Celverdeling is essentieel voor de groei en gezondheid van een organisme. Bijna alle cellen houden zich bezig met celdeling; sommigen doen het meerdere keren in hun leven. Een groeiend organisme, zoals een menselijk embryo, gebruikt celdeling om de omvang en specialisatie van individuele organen te vergroten. Zelfs volwassen organismen, zoals een gepensioneerde volwassen mens, gebruiken celdeling om lichaamsweefsel te onderhouden en te herstellen. De celcyclus beschrijft het proces waarbij cellen hun aangewezen werk doen, groeien en delen, en dan het proces opnieuw beginnen met de twee resulterende dochtercellen. In de 19e eeuw lieten de technologische vooruitgang in de microscopie wetenschappers toe om te bepalen dat alle cellen voortkomen uit andere cellen door het proces van celdeling. Dit weerlegde eindelijk de eerder wijdverbreide overtuiging dat cellen spontaan gegenereerd werden uit beschikbare materie. De celcyclus is verantwoordelijk voor al het doorgaande leven. Of het nu gebeurt in de cellen van algen die zich vastklampen aan een rots in een grot of in de cellen van de huid op je arm, de stappen zijn hetzelfde.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Celdeling is essentieel voor de groei en gezondheid van een organisme. De celcyclus is het herhalende ritme van celgroei en celdeling. Het bestaat uit de stadia interfase en mitose, evenals hun subfasen, en het proces van cytokinese. De celcyclus wordt tijdens elke stap strikt gereguleerd door chemicaliën bij controlepunten om ervoor te zorgen dat: mutaties niet optreden en dat celgroei niet sneller gaat dan wat gezond is voor de omgeving zakdoek.

De celcyclus bestaat in wezen uit twee fasen. De eerste fase is de interfase. Tijdens de interfase bereidt de cel zich voor op celdeling in drie subfasen genaamd G₁ fase, S fase en G₂ fase. Tegen het einde van de interfase zijn de chromosomen in de celkern allemaal gedupliceerd. Door al deze stadia gaat de cel ook door met zijn dagelijkse functies, wat die ook zijn. Interfase kan dagen, weken, jaren duren - en in sommige gevallen voor de hele levensduur van het organisme. De meeste zenuwcellen verlaten de G. nooit₁ stadium van interfase, dus hebben wetenschappers een speciaal stadium aangewezen voor cellen zoals zij genaamd G₀. Deze fase is voor zenuwcellen en andere cellen die niet in een proces van celdeling zullen gaan. Soms is dit omdat ze er gewoon niet klaar voor zijn of niet voor bestemd zijn, zoals zenuwcellen of spiercellen, en dat wordt een toestand van rust genoemd. Andere keren zijn ze te oud of beschadigd, en dat wordt een staat van veroudering genoemd. Omdat zenuwcellen gescheiden zijn van de celcyclus, is schade aan hen meestal onherstelbaar, in tegenstelling tot a gebroken bot, en dit is de reden dat mensen met ruggengraat- of hersenletsel vaak blijvend handicaps.

De tweede fase van de celcyclus heet mitose, of M-fase. Tijdens mitose deelt de kern zich in tweeën, waarbij één kopie van elk gedupliceerd chromosoom naar elk van de twee kernen wordt gestuurd. Er zijn er vier stadia van mitose, en dit zijn profase, metafase, anafase en telofase. Ongeveer op hetzelfde moment dat mitose plaatsvindt, vindt een ander proces plaats, genaamd cytokinese, wat bijna zijn eigen fase is. Dit is het proces waardoor het cytoplasma van de cel, en al het andere daarin, zich deelt. Op die manier, wanneer de kern in tweeën splitst, zijn er twee van alles in de omringende cel die bij elke kern passen. Zodra de deling is voltooid, sluit het plasmamembraan zich om elke nieuwe cel en knijpt het af, waardoor de twee nieuwe identieke cellen volledig van elkaar worden gescheiden. Onmiddellijk zijn beide cellen weer in de eerste fase van interfase: G₁.

G₁ staat voor Gap fase 1. De term "gap" komt uit een tijd waarin wetenschappers celdeling onder de microscoop ontdekten en het mitotische stadium erg opwindend en belangrijk vonden. Ze observeerden de deling van de kern en het bijbehorende cytokinetische proces als bewijs dat alle cellen uit andere cellen kwamen. De stadia van interfase, leek echter statisch en inactief. Daarom beschouwden ze ze als rustperiodes, of hiaten in activiteit. De waarheid is echter dat G₁ – en G₂ aan het einde van de interfase - zijn drukke groeiperiodes voor de cel, waarin de cel in omvang groeit en bijdraagt ​​aan het welzijn van het organisme op welke manier dan ook waarvoor het is "geboren". Naast zijn reguliere cellulaire taken, bouwt de cel moleculen zoals eiwitten en ribonucleïnezuur (RNA).

Als het DNA van de cel niet is beschadigd en de cel voldoende is gegroeid, gaat het verder in de tweede fase van de interfase, genaamd S fase. Dit is een afkorting voor Synthesefase. Tijdens deze fase besteedt de cel, zoals de naam al doet vermoeden, veel energie aan het synthetiseren van moleculen. In het bijzonder repliceert de cel zijn DNA, waarbij hij zijn chromosomen dupliceert. Mensen hebben 46 chromosomen in hun somatische cellen, die allemaal cellen zijn die geen voortplantingscellen zijn (sperma en eicellen). De 46 chromosomen zijn georganiseerd in 23 homologe paren die met elkaar verbonden zijn. Elk chromosoom in een homoloog paar wordt de homoloog van de ander genoemd. Wanneer de chromosomen tijdens de S-fase worden gedupliceerd, worden ze zeer strak rond het histon-eiwit gewikkeld strengen genaamd chromatine, waardoor het duplicatieproces minder vatbaar is voor DNA-replicatiefouten, of mutatie. De twee nieuwe identieke chromosomen heten nu elk chromatiden. Strengen histonen binden de twee identieke chromatiden aan elkaar zodat ze een soort X-vorm vormen. Het punt waar ze zijn gebonden, wordt een centromeer genoemd. Bovendien zijn de chromatiden nog steeds verbonden met hun homoloog, die nu ook een X-vormig paar chromatiden is. Elk paar chromatiden wordt een chromosoom genoemd; de vuistregel is dat er nooit meer dan één chromosoom aan één centromeer is bevestigd.

De laatste fase van interfase is G₂, of Gap fase 2. Deze fase kreeg zijn naam om dezelfde redenen als G₁. Net als tijdens G₁ en S-fase, blijft de cel tijdens het hele stadium bezig met zijn typische taken, zelfs als het het werk van de interfase voltooit en zich voorbereidt op mitose. Om zich voor te bereiden op mitose, deelt de cel zijn mitochondriën, evenals zijn chloroplasten (indien aanwezig). Het begint de voorlopers van spindelvezels te synthetiseren, die microtubuli worden genoemd. Het maakt deze door de centromeren van de chromatideparen in de kern te repliceren en te stapelen. Spindelvezels zullen cruciaal zijn voor het proces van nucleaire deling tijdens mitose, wanneer chromosomen uit elkaar moeten worden getrokken in de twee scheidende kernen; ervoor zorgen dat de juiste chromosomen de juiste kern bereiken en gepaard blijven met de juiste homoloog is cruciaal om genetische mutaties te voorkomen.

De scheidslijnen tussen de fasen van de celcyclus en de subfasen van interfase en mitose zijn kunstgrepen die wetenschappers gebruiken om het proces van celdeling te kunnen beschrijven. In de natuur is het proces vloeiend en oneindig. De eerste fase van mitose wordt genoemd profase. Het begint met de chromosomen in de staat waarin ze zich bevonden aan het einde van de G₂ stadium van interfase, gerepliceerd met zusterchromatiden bevestigd door centromeren. Tijdens de profase condenseert de chromatinestreng, waardoor de chromosomen (dat wil zeggen, elk paar zusterchromatiden) zichtbaar worden onder lichtmicroscopie. De centromeren blijven groeien tot microtubuli, die spindelvezels vormen. Tegen het einde van de profase breekt het kernmembraan af en verbinden de spindelvezels zich om een ​​structureel netwerk door het cytoplasma van de cel te vormen. Omdat de chromosomen nu vrij in het cytoplasma drijven, zijn de spoelvezels de enige ondersteuning die ervoor zorgt dat ze niet op een dwaalspoor blijven drijven.

De cel gaat in metafase zodra het kernmembraan oplost. De spilvezels verplaatsen de chromosomen naar de evenaar van de cel. Dit vlak staat bekend als de spilevenaar of de metafaseplaat. Er is daar niets tastbaars; het is gewoon een vlak waar alle chromosomen op één lijn liggen en dat de cel horizontaal of doorsnijdt verticaal, afhankelijk van hoe u de cel bekijkt of voorstelt (voor een visuele weergave hiervan, zie Middelen). Bij mensen zijn er 46 centromeren en elk is bevestigd aan een paar chromatide-zusters. Het aantal centromeren hangt af van het organisme. Elke centromeer is verbonden met twee spindelvezels. De twee spilvezels divergeren zodra ze het centromeer verlaten, zodat ze verbinding maken met structuren op tegenovergestelde polen van de cel.

De cel verschuift naar de anafase, de kortste van de vier fasen van mitose. De spilvezels die de chromosomen met de polen van de cel verbinden, worden korter en bewegen weg naar hun respectievelijke polen. Daarbij trekken ze de chromosomen waaraan ze vastzitten uit elkaar. De centromeren splitsen zich ook in tweeën als de ene helft met elke chromatidezuster naar een tegenovergestelde pool reist. Omdat elk chromatide nu zijn eigen centromeer heeft, wordt het weer een chromosoom genoemd. Ondertussen worden verschillende spindelvezels die aan beide polen zijn bevestigd langer, waardoor de afstand tussen de twee polen van de cel groter wordt, zodat de cel plat en langer wordt. Het proces van anafase gebeurt op zo'n manier dat aan het einde elke kant van de cel één kopie van elk chromosoom bevat.

Telofase is de vierde en laatste fase van mitose. In dit stadium ontrollen de extreem dicht opeengepakte chromosomen - die werden gecondenseerd om de nauwkeurigheid van de replicatie te vergroten - zichzelf. De spilvezels lossen op en een cellulair organel genaamd de endoplasmatisch reticulum synthetiseert nieuwe kernmembranen rond elke set chromosomen. Dit betekent dat de cel nu twee kernen heeft met elk een volledig genoom. Mitose is voltooid.

Nu de kern is verdeeld, moet de rest van de cel zich ook delen, zodat de twee cellen kunnen scheiden. Dit proces staat bekend als: cytokinese. Het is een afzonderlijk proces van mitose, hoewel het vaak samen met mitose optreedt. Bij dierlijke en plantaardige cellen gebeurt dat anders, want waar dierlijke cellen alleen een plasmacelmembraan hebben, hebben plantencellen een starre celwand. In beide soorten cellen zijn er nu twee verschillende kernen in één cel. In dierlijke cellen vormt zich een samentrekkende ring in het midden van de cel. Dit is een ring van microfilamenten die zich om de cel kronkelen en het plasmamembraan in het midden als een korset aanspannen totdat het een zogenaamde splijtgroef creëert. Met andere woorden, de samentrekkende ring zorgt ervoor dat de cel een zandlopervorm vormt die meer en meer uitgesproken wordt, totdat de cel zich volledig in twee afzonderlijke cellen afknijpt. In plantencellen creëert een organel, het Golgi-complex genaamd, blaasjes, dit zijn membraangebonden vloeistofzakken langs de as die de cel tussen de twee kernen verdeelt. Die blaasjes bevatten polysachariden die nodig zijn om de celplaat en uiteindelijk de celplaat te vormen versmelt met en wordt onderdeel van de celwand die ooit de oorspronkelijke enkele cel huisvestte, maar nu de thuisbasis is van twee cellen.

De celcyclus vereist veel regulering om ervoor te zorgen dat deze niet doorgaat zonder dat aan bepaalde voorwaarden binnen en buiten de cel wordt voldaan. Zonder die regulering zouden er ongecontroleerde genetische mutaties, ongecontroleerde celgroei (kanker) en andere problemen zijn. De celcyclus heeft een aantal controlepunten om te controleren of alles goed verloopt. Als dat niet het geval is, worden reparaties uitgevoerd of wordt geprogrammeerde celdood in gang gezet. Een van de belangrijkste chemische regulatoren van de celcyclus is cycline-afhankelijke kinase (CDK). Er zijn verschillende vormen van dit molecuul die op verschillende punten in de celcyclus werken. Het eiwit bijvoorbeeld p53 wordt geproduceerd door beschadigd DNA in de cel en zal het CDK-complex op de G. deactiveren₁/S checkpoint, waardoor de voortgang van de cel wordt gestopt.