Till skillnad från eukaryoter har bakterier inte en bildad kärna, men deras DNA är inte utspritt i cellen, utan är koncentrerat i en kompakt struktur som kallas en nukleoid. I funktionella termer är det en funktionell analog till en kärnkraftsapparat.
Vad är en nukleoid
En bakteriell nukleoid är en region i deras celler som innehåller strukturerat genetiskt material. Till skillnad från den eukaryota kärnan är den inte separerad av ett membran från resten av cellinnehållet och har inte en permanent form. Trots detta är bakteriernas genetiska apparat tydligt separerad från cytoplasman.
Uttrycket i sig betyder "kärnliknande" eller "kärnområde". Denna struktur upptäcktes först 1890 av zoologen Otto Buchli, men dess skillnader från eukaryoternas genetiska apparat identifierades redan i början av 1950-talet tack vare elektronmikroskopiteknik. Namnet "nukleoid" motsvarar begreppet "bakteriell kromosom", om den senare finns i en cell i en enda kopia.
Nukleoid inkluderar inte plasmider somär extrakromosomala element i bakteriegenomet.
Funktioner hos bakteriell nukleoid
Vanligtvis upptar nukleoiden den centrala delen av bakteriecellen och är orienterad längs dess axel. Volymen av denna kompakta formation överstiger inte 0,5 mikron3, och molekylvikten varierar från 1×109 till 3×109 d alton. Vid vissa punkter är nukleoiden bunden till cellmembranet.
Bakterienukleoiden innehåller tre komponenter:
- DNA.
- Strukturella och regulatoriska proteiner.
- RNA.
DNA har en kromosomorganisation som skiljer sig från eukaryot. Oftast innehåller den bakteriella nukleoiden en kromosom eller flera kopior av den (med aktiv tillväxt når deras antal 8 eller mer). Denna indikator varierar beroende på typen och skedet av mikroorganismens livscykel. Vissa bakterier har flera kromosomer med olika uppsättningar gener.
I mitten av nukleoiden packas DNA ganska tätt. Denna zon är otillgänglig för ribosomer, replikations- och transkriptionsenzymer. Tvärtom är deoxiribonukleinslingorna i den perifera regionen av nukleoiden i direkt kontakt med cytoplasman och representerar aktiva regioner av bakteriegenomet.
Mängden av proteinkomponenten i den bakteriella nukleoiden överstiger inte 10 %, vilket är cirka 5 gånger mindre än i eukaryot kromatin. De flesta proteiner är associerade med DNA och deltar i dess strukturering. RNA är en produkttranskription av bakteriegener, som utförs i periferin av nukleoiden.
Bakteriers genetiska apparat är en dynamisk formation som kan ändra sin form och strukturella konformation. Den saknar kärnor och mitotiska apparater som är karakteristiska för kärnan i en eukaryot cell.
Bakteriell kromosom
I de flesta fall har bakteriella nukleoidkromosomer en sluten ringform. Linjära kromosomer är mycket mindre vanliga. I alla fall består dessa strukturer av en enda DNA-molekyl, som innehåller en uppsättning gener som är nödvändiga för bakteriers överlevnad.
Kromosom alt DNA kompletteras i form av superspolade slingor. Antalet slingor per kromosom varierar från 12 till 80. Varje kromosom är en fullfjädrad replikon, eftersom vid fördubbling kopieras DNA helt. Denna process startar alltid från replikationsursprunget (OriC), som är fäst vid plasmamembranet.
Den totala längden av en DNA-molekyl i en kromosom är flera storleksordningar större än storleken på en bakterie, så det blir nödvändigt att paketera den, men med bibehållen funktionell aktivitet.
I eukaryot kromatin utförs dessa uppgifter av huvudproteinerna - histoner. Den bakteriella nukleoiden innehåller DNA-bindande proteiner som är ansvariga för den strukturella organisationen av det genetiska materialet, och som även påverkar genuttryck och DNA-replikation.
Nukleoidassocierade proteiner inkluderar:
- histonliknande proteiner HU, H-NS, FIS och IHF;
- topoisomeraser;
- proteiner från SMC-familjen.
De sista 2 grupperna har störst inflytande på det genetiska materialets supercoiling.
Neutralisering av de negativa laddningarna av kromosom alt DNA utförs av polyaminer och magnesiumjoner.
Nukleoidens biologiska roll
Först och främst är nukleoiden nödvändig för bakterier för att lagra och överföra ärftlig information, såväl som för att implementera den på cellsyntesnivå. Med andra ord, den biologiska rollen för denna formation är densamma som för DNA.
Andra bakteriella nukleoidfunktioner inkluderar:
- lokalisering och komprimering av genetiskt material;
- funktionell DNA-förpackning;
- reglering av ämnesomsättningen.
DNA-strukturering tillåter inte bara molekylen att passa in i en mikroskopisk cell, utan skapar också förutsättningar för det normala flödet av replikations- och transkriptionsprocesser.
Funktioner i nukleoidens molekylära organisation skapar förutsättningar för kontroll av cellulär metabolism genom att ändra DNA-konformationen. Reglering sker genom att vissa delar av kromosomen slinga ut i cytoplasman, vilket gör dem tillgängliga för transkriptionsenzymer, eller vice versa, genom att dra in dem.
Detektionsmetoder
Det finns tre sätt att visuellt detektera en nukleoid i bakterier:
- ljusmikroskopi;
- faskontrastmikroskopi;
- elektronmikroskopi.
Beroende på metodberedningen av preparatet och forskningsmetoden kan nukleoiden se annorlunda ut.
Ljusmikroskopi
För att detektera en nukleoid med ett ljusmikroskop färgas bakterier preliminärt så att nukleoiden har en annan färg än resten av cellinnehållet, annars kommer denna struktur inte att synas. Det är också obligatoriskt att fixera bakterier på en glasskiva (i detta fall dör mikroorganismer).
Genom linsen i ett ljusmikroskop ser nukleoiden ut som en bönformad formation med tydliga gränser, som upptar den centrala delen av cellen.
Färgmetoder
I de flesta fall används följande färgningsmetoder för bakterier för att visualisera nukleoiden med ljusmikroskopi:
- enligt Romanovsky-Giemsa;
- Felgen-metoden.
Vid färgning enligt Romanovsky-Giemsa förfixeras bakterier på ett objektglas med metylalkohol, och sedan i 10-20 minuter impregneras de med ett färgämne från en lika blandning av azurblått, eonin och metylenblått löst i metanol. Som ett resultat blir nukleoiden lila och cytoplasman blir ljusrosa. Före mikroskopi dräneras fläcken och objektglaset tvättas med destillat och torkas.
Feulgenmetoden använder svag syrahydrolys. Som ett resultat går den frigjorda deoxiribosen över i aldehydformen och interagerar med fuchsin-svavelsyran i Schiff-reagenset. Som ett resultat blir nukleoiden röd och cytoplasman blir blå.
Faskontrastmikroskopi
Faskontrastmikroskopi harhögre upplösning än ljus. Denna metod kräver inte fixering och färgning av preparatet - observationen sker för levande bakterier. Nukleoiden i sådana celler ser ut som ett ljust ov alt område mot bakgrund av mörk cytoplasma. En mer effektiv metod kan göras genom att applicera fluorescerande färgämnen.
Nukleoiddetektering med ett elektronmikroskop
Det finns två sätt att förbereda en förberedelse för nukleoidundersökning under ett elektronmikroskop:
- ultra-tunn snitt;
- Skär frysta bakterier.
I elektronmikrofotografier av en ultratunn sektion av en bakterie ser nukleoiden ut som en tät nätverksstruktur bestående av tunna filament, som ser lättare ut än den omgivande cytoplasman.
På ett avsnitt av en frusen bakterie efter immunfärgning ser nukleoiden ut som en korallliknande struktur med en tät kärna och tunna utsprång som tränger in i cytoplasman.
I elektroniska fotografier upptar bakteriens nukleoid oftast den centrala delen av cellen och har en mindre volym än i en levande cell. Detta beror på exponering för kemikalierna som används för att fixera preparatet.
