Siklus sel
Siklus sel adalah fungsi sel yang paling mendasar berupa duplikasi akurat sejumlah besar DNA di dalam kromosom, dan kemudian memisahkan hasil duplikasi tersebut hingga terjadi dua sel baru yang identik.
Siklus sel yang berlangsung kontinu dan berulang (siklik), disebut proliferasi. Keberhasilan sebuah proliferasi membutuhkan transisi unidireksional dan teratur dari satu fase siklus sel menuju fase berikutnya. Jenjang reaksi kimia organik yang terjadi seyogyanya diselesaikan sebelum jenjang berikutnya dimulai. Sebagai contoh, dimulainya fase mitosis sebelum selesainya tahap replikasi DNA akan menyebabkan sel tereliminasi.
Jenjang reaksi yang terjadi pada siklus sel, sangat mirip dengan relasi substrat-produk dari sebuah lintasan metabolik. Produk dari sebuah jenjang reaksi akan berfungsi sebagai substrat pada jenjang berikutnya, demikian pula dengan laju reaksi jenjang yang pertama akan menjadi batas maksimal laju reaksi pada jenjang berikutnya.
Transisi antara jenjang reaksi ditentukan oleh lintasan pengendali ekstrinsik dan intrinsik yang terdiri dari beberapa cekpoin, sebagai konfirmasi selesainya reaksi pada suatu jenjang sebelum jenjang berikutnya dimulai. Kedua lintasan kendali dapat memiliki cekpoin yang sama.
Lintasan kendali instrinsik akan menentukan setiap tahap berjalan sebagaimana mestinya. Fasa S, G dan M pada sel mamalia dikendalikan oleh lintasan ini, sehingga waktu yang diperlukan untuk fase tersebut, tidak jauh bervariasi antara satu sel dengan sel lain.
Lintasan kendali ekstrinsik akan berfungsi sebagai respon terhadap kondisi di luar sel atau telisik defisiensi sel.
Defisiensi lintasan kendali intrinsik seringkali menyebabkan kanker. Penyimpangan pada protein yang mengendalikan cekpoin siklus fase sering ditemukan pada penderita kanker.
Pada sel prokariota yang tidak memiliki inti sel, siklus sel terjadi melalui suatu proses yang disebut pembelahan biner, sedang pada sel eukariota yang memiliki inti sel, siklus sel terbagi menjadi dua fase fungsional, fase S dan M, dan fase persiapan, G dan G:
Aktivitas seluler yang terjadi pada cekpoin, tidak dapat berlangsung tanpa enzim intraselular yang disebut CDK. Holoenzim CDK aktif terdiri dari sub-unit katalitik dan sub-unit kendali siklin. Tiap siklin disintesis pada tahap terkait dari fase siklus sel. Sebagai contoh, siklin E disintensis pada akhir fase G hingga awal fase S, sedangkan siklin A disintesis sepanjang interval fase S dan G, dan siklin B disintesis sepanjang fase G dan M. Oleh sebab itu, sub-unit katalitik tidak dapat teraktivasi, hingga siklin yang diperlukan selesai disintesis.
Ikatan yang dibentuk antara sub-unit siklin dan sub-uni katalitik membutuhkan proses fosforilasi pada treonina oleh enzim lain yang disebut CAK, yang terdiri dari siklin H dan CDK7.
Regulasi yang lain adalah deaktivasi CDK oleh fosforilasi domain pengikat ATP oleh enzim kinase yang lain. Deaktivasi tersebut dapat diaktivasi kembali oleh fosfatase dari jenis CDC25. Keberadaan protein inhibitor CDK juga merupakan bentuk regulasi terhadap CDK. Satu jenis penghambat CDK termasuk p21CIP1, p27KIP1, dan p57KIP2; sedangkan jenis yang lain menghambat siklin D/CDK4 atau siklin-6 CDK, antara lain p16INK4, p15INK4B, p18INK4C, dan p19INK4D. Sintesis, aktivitas dan degradasi penghambat ini berada dalam regulasi yang merespon sinyal mitogenik dan antimitogenik, seperti sinyal parakrin dari TGF-β.
Regulasi terhadap CDK di atas menentukan kecepatan terpicunya transisi fase dalam siklus sel, setelah CDK teraktivasi, transisi ke fase berikutnya akan segera terjadi, walaupun jenjang reaksi pada fase berlangsung, belum selesai.
Fasa transisi dari fase G ke fase G disebut fase prima atau fase kompetensi replikatif, pada hepatosit, fase prima dipicu oleh sekresi sitokina IL-6 dan TNF-α oleh sel Kupffer yang menyebabkan hepatosit kehilangan sebagian massanya. Potensi proliferasi hepatosit setelah kehilangan sebagian massanya.
Berbagai protein disintesis pada fase G setelah sel meninggalkan fase G, beberapa ribosom baru dibuat untuk mempercepat sintesis protein.
Sejumlah protein yang dihasilkan berupa enzim untuk mengembalikan fungsi metabolik yang hilang saat sel berada pada fase G, seperti enzim yang dibutuhkan untuk sintesis isoprenoid, zat yang diperlukan untuk aktivitas onkogen Ras dan sintesis poliamina, yang mempunyai banyak fungsi termasuk menyediakan ikatan ionik dengan asam nukleat. Onkogen Ras disintesis sebagai protein prekursor dan membutuhkan proses paska-translasi sebelum dapat menjadi aktif dan melakukan transformasi sel.
Enzim lain yang berperan dalam sintesis DNA, seperti timidina kinase, DNA polimerase dan histon juga dihasilkan ribosom pada fase G.
Transisi ke fase S dari fase G dikendalikan oleh dua buah cekpoin, yaitu "kompetensi" dan "restriksi" yang terletak sekitar 12 dan 2 jam sebelum fase S dimulai. Paling tidak diperlukan tiga faktor pertumbuhan untuk melewati dua cekpoin ini, yaitu PDGF, EGF dan IGF-1.
Pencerap faktor pertumbuhan merupakan protein kompleks yang terbentak seluas membran sel dengan domain yang dapat mengenali faktor pertumbuhan di dalam periplasma dengan sangat khusus. Ligasi yang terjadi dengan ligan akan menginduksi transmisi sinyal ke dalam sitoplasma melalui aktivasi enzim tirosina kinase. Sinyal sitoplasmik yang disebut "kurir sekunder", dapat berupa berbagai protein yang telah mengalami fosforilasi oleh enzim kinase, seperti molekul kecil inositol fosfatase dan AMP; atau ion, seperti Ca, H, dan Zn; kemudian diteruskan oleh menuju inti sel. Di dalam inti sel, gen kemudian teraktivasi sebagai respon terhadap "kurir sekunder" ini.
Pada eukariota, berbagai aktivator () diperlukan sebagai persiapan untuk memasuki fase S guna melakukan replikasi DNA, pada prokariota, hanya terdapat aktivator tunggal. Fasa S dimulai dengan terjadinya paparan pulsa () dengan [H].timidina pada sel, kemudian terjadi paparan lanjutan () non-radioaktif dengan timidina "dingin". Kedua prosedur tersebut menghasilkan beberapa titik replikasi yang mulai tampak terjadi pada beberapa kromosom pada rantai ganda DNA.
Pada titik replikasi, rantai ganda DNA memisahkan diri menjadi dua untai tunggal, sehingga tampak seperti garpu. Pada tiap untai, terjadi sintesis untai DNA yang baru, dengan dimulai oleh molekul primer, atau molekul oligonukleotida pendek, dan diikuti oleh molekul-molekul lain dengan enzim DNA polimerase, membentuk rantai ganda DNA yang baru.
Molekul primer itu disebut RNA primer, yang disintesis dengan enzim RNA polimerase atau dikenal sebagai enzim primase, dari RNA tertentu yang bersifat komplemen dengan salah satu area kromosom pada untai DNA. Primosom merupakan sebutan bagi seluruh kompleks yang berikatan dengan RNA primer.
Polimerisasi untai DNA yang baru bergerak dari tiap-tiap primosom pada titik 5' untai baru ke titik 3' untai baru. Untai baru yang bergerak dengan arah dari titik 3' untai induk ke 5' untai induk disebut untai awal, sedang untai baru yang bergerak sebaliknya disebut untai akhir. Untaian DNA baru dari RNA primer hingga tepat sebelum RNA primer berikutnya disebut fragmen Okazaki, sesuai nama ilmuwan Reiji Okazaki yang pertama kali berhasil mengamati proses polimerasi pada replikasi DNA. Saat polimerasi untai DNA yang baru menyentuh RNA primer pada fragmen Okazaki berikutnya, aktivitas eksonuklease enzim DNA polimerase akan menghancurkan RNA primer pada fragmen tersebut untuk meneruskan untai polimernya hingga menyentuh untai polimer berikutnya, setelah itu enzim DNA ligase akan menyambung kedua untai polimer itu menjadi satu. Titik 5' merupakan letak gugus 5' fosfat, sedang titik 3' merupakan letak gugus 3' OH dari molekul gula deoksiribosa. Ikatan yang terjadi antara kedua gugus ini disebut ikatan fosfodiester.
Polimerasi untai DNA yang baru terhenti hingga bagian ujung kromosom yang disebut telomer. Pada bagian ini, enzim telomerase akan menyambung untaian tersebut dengan deretan molekul RNA sebagai penanda antar kromosom. Pada manusia, berkas yang disisipkan antar kromosom adalah TTAGGG. Penelitian terakhir menunjukkan bahwa rentang telomer pada manusia lambat laun menjadi lebih pendek dengan pertambahan usia, pengamatan ini membuahkan teori penuaan telomer yang masih diteliti hingga saat ini.