I motsetning til eukaryoter har ikke bakterier en dannet kjerne, men deres DNA er ikke spredt over hele cellen, men er konsentrert i en kompakt struktur som kalles en nukleoid. I funksjonelle termer er det en funksjonell analog til et kjernefysisk apparat.
Hva er en nukleoid
En bakteriell nukleoid er en region i cellene deres som inneholder strukturert genetisk materiale. I motsetning til den eukaryote kjernen, er den ikke atskilt med en membran fra resten av celleinnholdet og har ikke en permanent form. Til tross for dette er det genetiske apparatet til bakterier tydelig atskilt fra cytoplasmaet.
Begrepet i seg selv betyr "kjernelignende" eller "atomregion". Denne strukturen ble først oppdaget i 1890 av zoologen Otto Buchli, men dens forskjeller fra det genetiske apparatet til eukaryoter ble identifisert allerede på begynnelsen av 1950-tallet takket være elektronmikroskopiteknologi. Navnet "nukleoid" tilsvarer konseptet "bakterielt kromosom", hvis sistnevnte er inneholdt i en celle i en enkelt kopi.
Nukleoid inkluderer ikke plasmider somer ekstrakromosomale elementer i bakteriegenomet.
Funksjoner av bakteriell nukleoid
Vanligvis okkuperer nukleoiden den sentrale delen av bakteriecellen og er orientert langs dens akse. Volumet til denne kompakte formasjonen overstiger ikke 0,5 mikron3, og molekylvekten varierer fra 1×109 til 3×109 d alton. På visse punkter er nukleoiden bundet til cellemembranen.
Bakterienukleoiden inneholder tre komponenter:
- DNA.
- Strukturelle og regulatoriske proteiner.
- RNA.
DNA har en kromosomorganisasjon som er forskjellig fra eukaryot. Oftest inneholder den bakterielle nukleoiden ett kromosom eller flere kopier av det (med aktiv vekst når antallet 8 eller mer). Denne indikatoren varierer avhengig av typen og stadiet av livssyklusen til mikroorganismen. Noen bakterier har flere kromosomer med forskjellige sett med gener.
I midten av nukleoidet er DNA pakket ganske tett. Denne sonen er utilgjengelig for ribosomer, replikasjons- og transkripsjonsenzymer. Tvert imot er deoksyribonukleinsløyfene i den perifere regionen av nukleoiden i direkte kontakt med cytoplasmaet og representerer aktive områder av bakteriegenomet.
Mengden av proteinkomponenten i den bakterielle nukleoiden overstiger ikke 10 %, som er omtrent 5 ganger mindre enn i eukaryotisk kromatin. De fleste proteiner er assosiert med DNA og deltar i dets strukturering. RNA er et produkttranskripsjon av bakteriegener, som utføres i periferien av nukleoiden.
Det genetiske apparatet til bakterier er en dynamisk formasjon som er i stand til å endre sin form og strukturelle konformasjon. Den mangler nukleoler og mitotiske apparater som er karakteristiske for kjernen til en eukaryot celle.
Bakterielt kromosom
I de fleste tilfeller har bakterielle nukleoidkromosomer en lukket ringform. Lineære kromosomer er mye mindre vanlige. I alle fall består disse strukturene av et enkelt DNA-molekyl, som inneholder et sett med gener som er nødvendige for overlevelse av bakterier.
Kromosom alt DNA kompletteres i form av superkveilede løkker. Antall løkker per kromosom varierer fra 12 til 80. Hvert kromosom er et fullverdig replikon, siden ved dobling kopieres DNA helt. Denne prosessen starter alltid fra replikasjonsorigo (OriC), som er festet til plasmamembranen.
Den totale lengden av et DNA-molekyl i et kromosom er flere størrelsesordener større enn størrelsen på en bakterie, så det blir nødvendig å pakke det, men samtidig som funksjonell aktivitet opprettholdes.
I eukaryotisk kromatin utføres disse oppgavene av hovedproteinene - histoner. Bakterienukleoiden inneholder DNA-bindende proteiner som er ansvarlige for den strukturelle organiseringen av arvestoffet, og som også påvirker genuttrykk og DNA-replikasjon.
Nukleoid-assosierte proteiner inkluderer:
- histonlignende proteiner HU, H-NS, FIS og IHF;
- topoisomeraser;
- proteiner fra SMC-familien.
De siste 2 gruppene har størst innflytelse på supercoilingen av det genetiske materialet.
Nøytralisering av de negative ladningene til kromosom alt DNA utføres av polyaminer og magnesiumioner.
Nukleoidens biologiske rolle
Først av alt er nukleoiden nødvendig for bakterier for å lagre og overføre arvelig informasjon, samt implementere den på nivået av cellulær syntese. Med andre ord, den biologiske rollen til denne formasjonen er den samme som for DNA.
Andre bakterielle nukleoidfunksjoner inkluderer:
- lokalisering og komprimering av genetisk materiale;
- funksjonell DNA-emballasje;
- regulering av stoffskiftet.
DNA-strukturering lar ikke bare molekylet passe inn i en mikroskopisk celle, men skaper også forhold for normal flyt av replikasjons- og transkripsjonsprosesser.
Funksjoner ved den molekylære organiseringen av nukleoiden skaper betingelser for kontroll av cellulær metabolisme ved å endre DNA-konformasjonen. Regulering skjer ved å sløyfe visse deler av kromosomet inn i cytoplasmaet, noe som gjør dem tilgjengelige for transkripsjonsenzymer, eller omvendt, ved å trekke dem inn.
Deteksjonsmetoder
Det er 3 måter å visuelt oppdage en nukleoid i bakterier:
- lysmikroskopi;
- fasekontrastmikroskopi;
- elektronmikroskopi.
Avhengig av metodenforberedelsen av preparatet og forskningsmetoden, kan nukleoiden se annerledes ut.
Lysmikroskopi
For å oppdage en nukleoid ved hjelp av et lysmikroskop, farges bakterier foreløpig slik at nukleoiden har en annen farge enn resten av celleinnholdet, ellers vil ikke denne strukturen være synlig. Det er også obligatorisk å fikse bakterier på et glassglass (i dette tilfellet dør mikroorganismer).
Gjennom linsen til et lysmikroskop ser nukleoiden ut som en bønneformet formasjon med klare grenser, som okkuperer den sentrale delen av cellen.
Fargemetoder
I de fleste tilfeller brukes følgende fargingsmetoder for bakterier for å visualisere nukleoiden ved lysmikroskopi:
- ifølge Romanovsky-Giemsa;
- Felgen-metoden.
Ved farging i henhold til Romanovsky-Giemsa blir bakterier forhåndsfiksert på et glassglass med metylalkohol, og deretter i 10-20 minutter impregnert med et fargestoff fra en lik blanding av asurblått, eonin og metylenblått, oppløst i metanol. Som et resultat blir nukleoidet lilla og cytoplasmaet blek rosa. Før mikroskopering dreneres flekken og objektglasset vaskes med destillat og tørkes.
Feulgen-metoden bruker svak syrehydrolyse. Som et resultat går den frigjorte deoksyribosen over i aldehydformen og interagerer med fuksin-svovelsyren i Schiff-reagenset. Som et resultat blir nukleoidet rødt, og cytoplasmaet blir blått.
Fasekontrastmikroskopi
Fasekontrastmikroskopi harhøyere oppløsning enn lys. Denne metoden krever ikke fiksering og farging av preparatet - observasjonen foregår for levende bakterier. Nukleoiden i slike celler ser ut som et lyst ov alt område mot bakgrunnen av mørk cytoplasma. En mer effektiv metode kan lages ved å bruke fluorescerende fargestoffer.
Nukleoiddeteksjon med et elektronmikroskop
Det er 2 måter å forberede et preparat for nukleoidundersøkelse under et elektronmikroskop:
- ultra-tynt snitt;
- Kutt frosne bakterier.
I elektronmikrofotografier av en ultratynn seksjon av en bakterie, ser nukleoiden ut som en tett nettverksstruktur som består av tynne filamenter, som ser lettere ut enn det omkringliggende cytoplasmaet.
På en seksjon av en frossen bakterie etter immunfarging ser nukleoiden ut som en koralllignende struktur med en tett kjerne og tynne fremspring som trenger inn i cytoplasmaet.
I elektroniske fotografier opptar nukleoiden til bakterier oftest den sentrale delen av cellen og har et mindre volum enn i en levende celle. Dette skyldes eksponering for kjemikaliene som brukes til å fikse preparatet.
