S-fase: Hva skjer under denne underfasen av cellesyklusen?

Har du noen gang lurt på hvordan kroppen din vokser eller hvordan den helbreder en skade? Det korte svaret er celledeling.

Det er sannsynligvis ingen overraskelse at denne viktige cellebiologiprosessen er sterkt regulert - og derfor inneholder mange trinn. En av disse viktige trinnene er S-fase av cellesyklusen.

De cellesyklus - noen ganger kalt celledelingssyklusen - omfatter trinnene a eukaryot celle må fullføres for å dele og produsere nye celler. Når en celle deler seg, kaller forskere den opprinnelige cellen for foreldre celle og cellene produsert av splittelsen datterceller.

Mitose og mellomfase er de to grunnleggende delene som utgjør cellesyklusen. Mitose (noen ganger kalt M-fase) er den delen av syklusen der faktisk celledeling forekommer. Interfase er tiden mellom inndelinger når cellen gjør arbeidet for å gjøre seg klar til å dele seg, for eksempel å dyrke og replikere DNA.

Tiden det tar å fullføre cellesyklusen, avhenger av celletypen og forholdene. For eksempel krever de fleste menneskelige celler hele 24 timer å dele seg, men noen celler sykler raskt og deler seg mye raskere.

Forskere som dyrker cellene som strekker tarmene i laboratoriet, ser noen ganger cellene fullføre cellesyklusen hver ni til ti timer!

Interfasedelen av cellesyklusen er mye lengre enn mitosedelen. Dette er fornuftig fordi en ny celle må absorbere næringsstoffene den trenger for å vokse og replikere DNA og andre vitale cellemaskinerier før den kan bli en foreldercelle og dele seg via mitose.

Interfase-delen av cellesyklusen inkluderer underfaser som kalles Gap 1 (G1-fase), Syntese (S-fase) og Gap 2 (G2-fase).

Cellesyklusen er en sirkel, men noen celler går ut av cellesyklusen midlertidig eller permanent via Gap 0 (G0) fase. Mens den er i denne underfasen, bruker cellen sin energi på å utføre de oppgavene som celletypen normalt gjør, i stedet for å dele eller forberede seg på å dele seg.

I løpet av G1- og G2-underfasene blir cellen større, replikerer organellene og gjør seg klar til å dele seg i datterceller. S-fase er den DNA-syntese fase. I løpet av denne delen av cellesyklusen replikerer cellen hele DNA-komplementet.

Det danner også sentrosom, som er det mikrotubuli-organiserende senteret som til slutt vil hjelpe cellen med å trekke fra hverandre DNA som blir delt mellom datterceller.

S-fasen er viktig på grunn av hva som foregår under denne delen av cellesyklusen, og også på grunn av hva den representerer.

Å gå inn i S-fasen (passerer gjennom G1 / S-overgangen) er et viktig kontrollpunkt i cellesyklusen, noen ganger kalt begrensningspunkt. Du kan tenke på det som et punkt for ingen retur for cellen siden det er den siste muligheten for cellen å stoppe celleproliferasjon, eller cellevekst via celledeling. Når cellen kommer inn i S-fase, er den bestemt til å fullføre celledeling, uansett hva.

Fordi S-fasen er det viktigste kontrollpunktet, må cellen regulere denne delen av cellesyklusen tett ved hjelp av gener og genprodukter, som proteiner.

For å gjøre dette er cellen avhengig av å holde en balanse mellom pro-proliferative gener, som oppfordrer cellen til å dele seg, og tumorundertrykkende gener, som arbeider for å stoppe celleproliferasjon. Noen viktige tumorundertrykkende proteiner (kodet av tumorundertrykkelsesgener) inkluderer p53, p21, Chk1 / 2 og pRb.

Hovedarbeidet i S-fasen i cellesyklusen replikerer hele komplement av DNA. For å gjøre dette aktiverer cellen pre-replikasjonskomplekser for å lage replikering opprinnelse. Dette er ganske enkelt områder av DNA der replikasjon vil begynne.

Mens en enkel organisme som en enkeltcellet protist bare kan ha en enkelt replikasjonsopprinnelse, har mer komplekse organismer mange flere. For eksempel kan en gjærorganisme ha opptil 400 replikasjonsopprinnelser mens en menneskelig celle kan ha 60 000 replikasjonsopprinnelser.

Menneskelige celler krever dette enorme antallet replikasjonsopprinnelser fordi menneskelig DNA er så lang. Forskere vet at DNA-replikasjon maskiner kan bare kopiere omtrent 20 til 100 baser per sekund, noe som betyr at et enkelt kromosom vil ta omtrent 2000 timer å replikere ved hjelp av en enkelt replikasjonsopprinnelse.

Takket være oppgraderingen til 60 000 replikasjonsopprinnelser, kan menneskelige celler i stedet fullføre S-fasen omtrent åtte timer.

På replikasjonsopprinnelsesstedene er DNA-replikasjon avhengig av et enzym som kalles helikase. Dette enzymet avvikler den dobbeltstrengede DNA-spiralen - som å pakke ut en glidelås. Når de er avviklet, blir hver av de to trådene en mal for å syntetisere nye tråder som er bestemt for dattercellene.

Den faktiske bygningen av de nye strengene av kopiert DNA krever et annet enzym, DNA-polymerase. Basene (eller nukleotider) som består av DNA-strengen, må følge utfyllende baseparringsregel. Dette krever at de alltid binder seg på en bestemt måte: adenin med tymin og cytosin med guanin. Ved å bruke dette mønsteret bygger enzymet en ny streng som passer perfekt med malen.

Akkurat som den originale DNA-helixen, er det nylig syntetiserte DNA veldig lang og krever nøye emballasje for å passe inn i kjernen. For å gjøre dette produserer cellen proteiner som kalles histoner. Disse histonene fungerer som spoler som DNA brytes rundt, akkurat som en tråd på en spindel. Sammen danner DNA og histonene komplekser som kalles nukleosomer.

Selvfølgelig er det viktig at det nylig syntetiserte DNAet er et perfekt match for malen, og produserer en dobbeltstrenget DNA-helix identisk med originalen. Akkurat som du sannsynligvis gjør når du skriver et essay eller løser matteproblemer, må cellen sjekke arbeidet sitt for å unngå feil.

Dette er viktig fordi DNA til slutt vil kode for proteiner og andre viktige biomolekyler. Selv et enkelt slettet eller endret nukleotid kan utgjøre forskjellen mellom et funksjonelt genprodukt og en som ikke fungerer. Denne DNA-skaden er en årsak til mange menneskelige sykdommer.

Det er tre hovedkontrollpunkter for korrekturlesing av nylig replikert DNA. Den første er replikeringskontrollpunktet ved replikasjonen gafler. Disse gaflene er rett og slett stedene der DNA-pakningen løsner og DNA-polymerasen bygger de nye strengene.

Mens det tilsettes nye baser, sjekker enzymet også sitt arbeid når det beveger seg nedover strengen. De eksonukleas aktivt sted på enzymet kan redigere eventuelle nukleotider som legges til strengen ved en feiltakelse, og forhindre feil i sanntid under DNA-syntese.

De andre sjekkpunktene - kalt SM-sjekkpunkt og intra-S fase kontrollpunkt - gjøre cellen i stand til å gjennomgå det nylig syntetiserte DNAet for feil som oppstod under DNA-replikasjon. Hvis det blir funnet feil, vil cellesyklusen stoppe mens kinase enzymer mobiliserer til nettstedet for å reparere feilene.

Cellesykluskontrollpunkter er avgjørende for å produsere sunne, funksjonelle celler. Ukorrekt feil eller skade kan forårsake sykdommer hos mennesker, inkludert kreft. Hvis feilene eller skadene er alvorlige eller uopprettelige, kan cellen gjennomgå apoptose, eller programmert celledød. Dette dreper i hovedsak cellen før den kan forårsake alvorlige problemer i kroppen din.