Pijlerartikel · Celbiologie

Celdeling en de celcyclus

Celdeling is het proces waarbij één cel zich splitst in twee dochtercellen. Bij eukaryoten doorloopt een cel daarvoor de celcyclus: groeien (G1), het DNA verdubbelen (S), zich voorbereiden (G2) en delen (M: mitose plus cytokinese). Zo krijgt elke dochtercel een volledige, identieke kopie van het DNA. Bacteriën delen eenvoudiger, door binaire deling.

Elk meercellig organisme begint als één bevruchte eicel. Een volwassen mens bestaat uit naar schatting 37 biljoen cellen, en ook daarna gaat het delen door: huid, darmwand en beenmerg vervangen elke dag honderden miljarden cellen. Celdeling dient drie doelen: groei, herstel van beschadigd weefsel en voortplanting (bij eencelligen is één deling al een nieuw organisme). Voor het maken van geslachtscellen bestaat een aparte vorm, de meiose; het verschil lees je in mitose vs meiose.

De celcyclus: G1, S, G2 en M

De periode tussen twee delingen heet de interfase. Dat is geen rustperiode: de cel groeit, maakt eiwitten en organellen aan en kopieert haar DNA. De eigenlijke deling (M-fase) beslaat maar een klein deel van de cyclus.

± 24 uur G1 – groei (± 11 h) S – DNA-replicatie (± 8 h) G2 – voorbereiding (± 4 h) M – mitose (± 1 h)
  • G1-fase (gap 1): de cel groeit, maakt eiwitten en organellen. De duur verschilt sterk per celtype. Cellen die niet meer delen, zoals de meeste zenuwcellen en hartspiercellen, verlaten de cyclus en gaan in een rustfase G0.
  • S-fase (synthese): de DNA-replicatie. Elk chromosoom bestaat daarna uit twee identieke chromatiden, verbonden bij het centromeer.
  • G2-fase (gap 2): de cel controleert of het DNA correct en volledig gekopieerd is, maakt eiwitten voor de deling en verdubbelt bij dierlijke cellen het centrosoom.
  • M-fase: de mitose (kerndeling) gevolgd door de cytokinese (deling van het cytoplasma).

Chromosomen en DNA-hoeveelheid per fase

Een klassieke examenvraag: hoeveel chromosomen en hoeveel DNA heeft een cel in elke fase? Let op het verschil tussen het aantal chromosomen (tel de centromeren) en de hoeveelheid DNA (tel de chromatiden).

Menselijke lichaamscel (2n = 46) door de celcyclus
FaseAantal chromosomenChromatiden per chromosoomDNA-hoeveelheid
G14612x
Na S en in G2462 (92 chromatiden)4x
Metafase4624x
Anafase (hele cel)92 (chromatiden heten nu chromosomen)14x
Elke dochtercel na cytokinese4612x

Hier is ‘x’ de hoeveelheid DNA in één chromosoomset. Het aantal chromosomen blijft na de S-fase dus gelijk (46), terwijl de hoeveelheid DNA verdubbelt. Pas in de anafase, als de chromatiden uit elkaar gaan, worden het tijdelijk 92 losse chromosomen in één cel.

De fasen van de mitose

De mitose verdeelt de gekopieerde chromosomen eerlijk over twee kernen. Ze wordt in vier fasen ingedeeld (soms vijf, met de prometafase apart):

De fasen van de mitose in het kort
FaseWat gebeurt er?Herkenbaar aan
Profasechromosomen condenseren (spiraliseren) en worden zichtbaar; de spoelfiguur begint zich te vormen; kernmembraan valt uiteendikke, X-vormige chromosomen verspreid in de cel
Metafasespoeldraden hechten aan de centromeren; alle chromosomen liggen in het equatorvlakchromosomen op één lijn in het midden
Anafasecentromeren splitsen; de chromatiden worden naar tegenovergestelde polen getrokkentwee V-vormige groepen die uit elkaar bewegen
Telofasebij elke pool vormt zich een nieuw kernmembraan; chromosomen ontspiraliserentwee kernen in één (langgerekte) cel

De spoelfiguur bestaat uit microtubuli: eiwitbuisjes die vanuit de polen groeien en de chromatiden letterlijk uit elkaar trekken door aan het uiteinde te ‘krimpen’. De gedetailleerde bespreking per fase, met de vergelijking met meiose, staat in mitose en meiose.

Cytokinese: plant- en dierlijke cellen delen anders

Na de kerndeling moet ook het cytoplasma, met de organellen, verdeeld worden. Hoe dat gebeurt, hangt af van de celwand.

Cytokinese bij dierlijke en plantaardige cellen
Dierlijke celPlantaardige cel
Mechanismeinsnoering: een ring van actine- en myosinefilamenten trekt het celmembraan in het midden samencelplaat: blaasjes uit het golgi-apparaat smelten in het midden samen en groeien naar buiten toe
Zichtbaar alsklievingsgroeve, de cel krijgt een ‘taille’een nieuwe scheidingswand die van binnen naar buiten groeit
Eindresultaattwee cellen met elk een eigen celmembraantwee cellen gescheiden door middenlamel en nieuwe celwanden
Centriolenaanwezig in het centrosoomafwezig; de spoelfiguur vormt zich toch

Een stijve celwand kan niet insnoeren, vandaar het verschil. Bij planten vindt deling bovendien vooral plaats in meristemen: de groeipunten in wortel- en stengeltoppen. Een worteltopje van een ui is daarom het klassieke preparaat om mitose onder de microscoop te bekijken.

Rekenen aan celdeling: de mitotische index

Bij een practicum met een worteltopje tel je hoeveel cellen zich in een fase van de mitose bevinden. De mitotische index is het aandeel delende cellen:

mitotische index = (aantal cellen in mitose / totaal aantal cellen) × 100 %
cellen in mitose
cellen in pro-, meta-, ana- of telofase
totaal
alle getelde cellen in het beeld, inclusief interfase

Voorbeeld. Je telt 400 cellen, waarvan 32 in mitose. De mitotische index is 32 / 400 × 100 % = 8 %. Omdat de cellen in een groeipunt willekeurig over de cyclus verdeeld zijn, is het aandeel cellen in een fase gelijk aan het aandeel tijd dat die fase duurt. Duurt de hele cyclus 20 uur, dan duurt de mitose ongeveer 0,08 × 20 h = 1,6 uur. Zie je 18 van de 32 delende cellen in de profase, dan duurt de profase 18 / 400 × 20 h ≈ 0,9 uur: de profase is de langste fase van de mitose, de anafase de kortste.

Hoe vaak delen cellen in het menselijk lichaam? (orde van grootte)
CeltypeDeling / vernieuwing
Darmwand (epitheel)vernieuwd in ongeveer 3 tot 5 dagen
Opperhuidvernieuwd in enkele weken
Rode bloedcellenleven ongeveer 120 dagen; worden zelf niet gedeeld maar steeds nieuw gemaakt uit stamcellen in het beenmerg
Levercellennormaal in G0, maar kunnen weer gaan delen: een lever kan na gedeeltelijke verwijdering teruggroeien
Zenuwcellen, hartspiercellendelen vrijwel niet meer na de geboorte

Binaire deling bij bacteriën

Prokaryoten, zoals bacteriën, hebben geen kern en meestal één ringvormig chromosoom. Ze delen door binaire deling (tweedeling):

  1. De replicatie van het ringchromosoom begint op één vaste plek (de oorsprong) en verloopt in twee richtingen.
  2. De twee kopieën schuiven naar de twee uiteinden terwijl de cel langer wordt.
  3. In het midden vormt zich een eiwitring die het membraan en de celwand naar binnen laat groeien, tot er twee cellen zijn.

Er is geen spoelfiguur en geen mitose. Onder ideale omstandigheden deelt E. coli ongeveer elke 20 minuten. Rekenvoorbeeld: in 10 uur passen 600 / 20 = 30 delingen. Eén bacterie levert dan 2³⁰ ≈ 1,1 · 10⁹ bacteriën op, ruim een miljard. In werkelijkheid loopt de groei vast doordat voedsel opraakt en afvalstoffen zich ophopen, maar het verklaart waarom je eten met bederfelijke producten niet uren buiten de koelkast laat staan. Omdat de dochtercellen genetisch identiek zijn, ontstaat variatie bij bacteriën vooral door mutaties en door uitwisseling van plasmiden.

Controle van de celcyclus: checkpoints

Een cel deelt niet zomaar. Op drie belangrijke controlepunten (checkpoints) wordt gecontroleerd of de volgende stap veilig is:

  • G1-controlepunt (restrictiepunt): is de cel groot genoeg, zijn er groeisignalen en is het DNA onbeschadigd? Zo niet, dan gaat de cel naar G0 of wacht ze. Het eiwit p53 kan hier de cyclus stilzetten zodat het DNA hersteld wordt, of de cel tot zelfmoord (apoptose) aanzetten.
  • G2-controlepunt: is alle DNA volledig en foutloos gekopieerd?
  • Spoelcontrolepunt (in de metafase): zitten álle chromosomen aan spoeldraden van beide polen vast? Pas dan begint de anafase. Gaat dit mis, dan krijgt een dochtercel een chromosoom te veel of te weinig.

De motor achter de cyclus bestaat uit eiwitten die cyclines heten en de enzymen die ze activeren (cyclineafhankelijke kinasen, CDK’s). De hoeveelheid van elke cycline stijgt en daalt in een vast ritme en duwt de cel zo van de ene fase naar de volgende.

Wanneer het misgaat: kanker

Kanker is in de kern een ziekte van ontspoorde celdeling. Door een opeenstapeling van mutaties in genen die de celcyclus regelen, negeert een cel de controlepunten: ze deelt zonder groeisignaal, herstelt DNA-schade niet en pleegt geen apoptose. De nakomelingen erven die eigenschappen en vormen een tumor. Veel chemotherapieën en bestraling richten zich daarom op snel delende cellen; dat verklaart bijwerkingen als haaruitval en darmklachten, want haarzakjes en darmwand delen ook snel.

Gewone lichaamscellen kunnen niet eindeloos delen. Bij elke deling worden de uiteinden van de chromosomen (telomeren) een stukje korter; na ongeveer 50 delingen stopt een gekweekte menselijke cel (de Hayflick-grens). Kankercellen omzeilen dit vaak door het enzym telomerase aan te zetten.

Veelgestelde vragen

Wat is celdeling?

Celdeling is het proces waarbij een cel zich splitst in twee dochtercellen. Bij eukaryoten bestaat het uit de mitose (kerndeling) en de cytokinese (deling van het cytoplasma); bacteriën delen door binaire deling.

Wat zijn de fasen van de celcyclus?

De celcyclus bestaat uit de G1-fase (groei), de S-fase (DNA-replicatie), de G2-fase (voorbereiding op de deling) en de M-fase (mitose en cytokinese). G1, S en G2 vormen samen de interfase.

Wat gebeurt er in de S-fase?

In de S-fase wordt al het DNA gekopieerd. Elk chromosoom bestaat daarna uit twee identieke chromatiden; het aantal chromosomen blijft gelijk, de hoeveelheid DNA verdubbelt.

Wat is het verschil tussen cytokinese bij planten en dieren?

Een dierlijke cel snoert in het midden in door een ring van actine en myosine. Een plantencel kan door haar stijve celwand niet insnoeren en vormt in het midden een celplaat uit golgiblaasjes, die uitgroeit tot een nieuwe celwand.

Hoe delen bacteriën?

Bacteriën delen door binaire deling: het ringvormige chromosoom wordt gekopieerd, de kopieën gaan naar beide uiteinden en de cel snoert in het midden in twee. Onder ideale omstandigheden kan E. coli elke 20 minuten delen.

Wat heeft celdeling met kanker te maken?

Bij kanker hebben cellen mutaties in genen die de celcyclus regelen. Ze negeren de controlepunten en blijven delen zonder signaal, waardoor een tumor ontstaat.

Verder lezen