W przeciwieństwie do eukariontów, bakterie nie mają uformowanego jądra, ale ich DNA nie jest rozproszone po komórce, ale jest skoncentrowane w zwartej strukturze zwanej nukleoidem. Pod względem funkcjonalnym jest funkcjonalnym odpowiednikiem aparatu jądrowego.
Co to jest nukleoid
Nukleoid bakteryjny to region w ich komórkach, który zawiera ustrukturyzowany materiał genetyczny. W przeciwieństwie do jądra eukariotycznego nie jest oddzielone błoną od reszty zawartości komórki i nie ma stałego kształtu. Mimo to aparat genetyczny bakterii jest wyraźnie oddzielony od cytoplazmy.
Sam termin oznacza „podobny do jądra” lub „region jądrowy”. Struktura ta została po raz pierwszy odkryta w 1890 roku przez zoologa Otto Buchli, ale jej różnice w stosunku do aparatu genetycznego eukariontów zostały zidentyfikowane już na początku lat pięćdziesiątych dzięki technologii mikroskopii elektronowej. Nazwa „nukleoid” odpowiada pojęciu „chromosomu bakteryjnego”, jeśli ten ostatni jest zawarty w komórce w jednej kopii.
Nukleoid nie zawiera plazmidów, któreto pozachromosomalne elementy genomu bakteryjnego.
Cechy bakteryjnego nukleoidu
Zazwyczaj nukleoid zajmuje centralną część komórki bakteryjnej i jest zorientowany wzdłuż jej osi. Objętość tej zwartej formacji nie przekracza 0,5 mikrona 3, a masa cząsteczkowa zmienia się od 1×109 do 3×109 d alton. W pewnych punktach nukleoid jest związany z błoną komórkową.
Nukleoid bakteryjny zawiera trzy składniki:
- DNA.
- Białka strukturalne i regulacyjne.
- RNA.
DNA ma organizację chromosomową, która różni się od organizacji eukariotycznej. Najczęściej nukleoid bakteryjny zawiera jeden chromosom lub kilka jego kopii (przy aktywnym wzroście ich liczba sięga 8 lub więcej). Wskaźnik ten zmienia się w zależności od rodzaju i etapu cyklu życiowego drobnoustroju. Niektóre bakterie mają wiele chromosomów z różnymi zestawami genów.
W środku nukleoidowego DNA jest dość ciasno upakowane. Strefa ta jest niedostępna dla rybosomów, enzymów replikacyjnych i transkrypcyjnych. Wręcz przeciwnie, pętle dezoksyrybonukleinowe regionu obwodowego nukleoidu są w bezpośrednim kontakcie z cytoplazmą i reprezentują aktywne regiony genomu bakteryjnego.
Ilość składnika białkowego w nukleoidzie bakteryjnym nie przekracza 10%, czyli około 5 razy mniej niż w chromatynie eukariotycznej. Większość białek jest związana z DNA i uczestniczy w jego strukturyzacji. RNA to produkttranskrypcja genów bakteryjnych, która odbywa się na obrzeżach nukleoidu.
Aparat genetyczny bakterii to dynamiczna formacja zdolna do zmiany kształtu i konformacji strukturalnej. Brakuje jąderek i aparatu mitotycznego charakterystycznego dla jądra komórki eukariotycznej.
Chromosom bakteryjny
W większości przypadków bakteryjne chromosomy nukleoidowe mają kształt zamkniętego pierścienia. Chromosomy liniowe są znacznie mniej powszechne. W każdym razie struktury te składają się z pojedynczej cząsteczki DNA, która zawiera zestaw genów niezbędnych do przetrwania bakterii.
Chromosomalny DNA jest uzupełniony w formie superskręconych pętli. Liczba pętli na chromosom waha się od 12 do 80. Każdy chromosom jest pełnoprawnym replikonem, ponieważ przy podwojeniu DNA jest kopiowane całkowicie. Ten proces zawsze zaczyna się od początku replikacji (OriC), które jest przyłączone do błony plazmatycznej.
Całkowita długość cząsteczki DNA w chromosomie jest o kilka rzędów wielkości większa niż wielkość bakterii, więc konieczne staje się jej zapakowanie, ale przy zachowaniu aktywności funkcjonalnej.
W chromatynie eukariotycznej zadania te są wykonywane przez główne białka - histony. Nukleoid bakteryjny zawiera białka wiążące DNA, które są odpowiedzialne za strukturalną organizację materiału genetycznego, a także wpływają na ekspresję genów i replikację DNA.
Białka związane z nukleoidami obejmują:
- białka podobne do histonów HU, H-NS, FIS i IHF;
- topoizomerazy;
- białka z rodziny SMC.
Ostatnie 2 grupy mają największy wpływ na superskręcenie materiału genetycznego.
Neutralizacja ujemnych ładunków chromosomalnego DNA jest przeprowadzana przez poliaminy i jony magnezu.
Biologiczna rola nukleoidu
Po pierwsze, nukleoid jest niezbędny bakteriom do przechowywania i przekazywania informacji dziedzicznych, a także do wdrażania jej na poziomie syntezy komórkowej. Innymi słowy, biologiczna rola tej formacji jest taka sama jak rola DNA.
Inne funkcje nukleoidów bakteryjnych obejmują:
- lokalizacja i zagęszczanie materiału genetycznego;
- funkcjonalne opakowanie DNA;
- regulacja metabolizmu.
Strukturyzacja DNA nie tylko umożliwia dopasowanie cząsteczki do mikroskopijnej komórki, ale także stwarza warunki dla normalnego przepływu procesów replikacji i transkrypcji.
Cechy organizacji molekularnej nukleoidu stwarzają warunki do kontroli metabolizmu komórkowego poprzez zmianę konformacji DNA. Regulacja zachodzi poprzez zapętlenie pewnych fragmentów chromosomu do cytoplazmy, co czyni je dostępnymi dla enzymów transkrypcyjnych lub odwrotnie, poprzez ich wciąganie.
Metody wykrywania
Istnieją 3 sposoby wizualnego wykrycia nukleoidu w bakteriach:
- mikroskopia świetlna;
- mikroskopia z kontrastem fazowym;
- mikroskopia elektronowa.
W zależności od metodyprzygotowania preparatu i metody badawczej, nukleoid może wyglądać inaczej.
Mikroskopia świetlna
Aby wykryć nukleoid za pomocą mikroskopu świetlnego, bakterie są wstępnie barwione, aby nukleoid miał inny kolor niż reszta zawartości komórki, w przeciwnym razie ta struktura nie będzie widoczna. Obowiązkowe jest również utrwalenie bakterii na szkiełku (w tym przypadku mikroorganizmy giną).
Dzięki soczewce mikroskopu świetlnego nukleoid wygląda jak formacja w kształcie fasoli z wyraźnymi granicami, która zajmuje centralną część komórki.
Metody kolorowania
W większości przypadków do wizualizacji nukleoidu za pomocą mikroskopii świetlnej stosuje się następujące metody barwienia bakterii:
- według Romanowskiego-Giemsy;
- Metoda Felgena.
W przypadku barwienia według Romanovsky-Giemsa bakterie są wstępnie utrwalane na szkiełku z alkoholem metylowym, a następnie przez 10-20 minut są impregnowane barwnikiem z jednakowej mieszaniny lazuru, eoniny i błękitu metylenowego, rozpuszczony w metanolu. W rezultacie nukleoid staje się fioletowy, a cytoplazma staje się bladoróżowa. Przed mikroskopią barwnik jest odsączany, a szkiełko jest przemywane destylatem i suszone.
Metoda Feulgena wykorzystuje hydrolizę słabego kwasu. W rezultacie uwolniona dezoksyryboza przechodzi w formę aldehydową i oddziałuje z kwasem fuksyno-siarkowym odczynnika Schiffa. W rezultacie nukleoid staje się czerwony, a cytoplazma niebieska.
Mikroskopia z kontrastem fazowym
Mikroskopia z kontrastem fazowymwyższa rozdzielczość niż światło. Metoda ta nie wymaga utrwalania i barwienia preparatu – obserwacja dotyczy żywych bakterii. Nukleoid w takich komórkach wygląda jak jasny owalny obszar na tle ciemnej cytoplazmy. Bardziej efektywną metodę można uzyskać, stosując barwniki fluorescencyjne.
Wykrywanie nukleoidów za pomocą mikroskopu elektronowego
Istnieją 2 sposoby przygotowania preparatu do badania nukleoidów pod mikroskopem elektronowym:
- bardzo cienkie cięcie;
- Wytnij zamrożone bakterie.
Na mikrografach elektronowych ultracienkich fragmentów bakterii nukleoid ma wygląd gęstej struktury sieciowej składającej się z cienkich włókien, które wyglądają jaśniej niż otaczająca cytoplazma.
Na skrawku zamrożonej bakterii po wybarwieniu immunologicznym nukleoid wygląda jak koralowata struktura z gęstym rdzeniem i cienkimi wypustkami wnikającymi do cytoplazmy.
Na fotografiach elektronicznych nukleoid bakterii zajmuje najczęściej centralną część komórki i ma mniejszą objętość niż w żywej komórce. Wynika to z wystawienia na działanie chemikaliów użytych do utrwalenia preparatu.
