Toisin kuin eukaryooteissa, bakteereissa ei ole muodostunutta ydintä, mutta niiden DNA ei ole hajallaan solussa, vaan se on keskittynyt kompaktiin rakenteeseen, jota kutsutaan nukleoidiksi. Toiminnallisesti se on ydinlaitteen toiminnallinen analogi.
Mikä on nukleoidi
Bakteerinen nukleoidi on niiden soluissa oleva alue, joka sisältää strukturoitua geneettistä materiaalia. Toisin kuin eukaryoottinen ydin, sitä ei erota kalvo muusta solusisällöstä eikä sillä ole pysyvää muotoa. Tästä huolimatta bakteerien geneettinen laite on selvästi erotettu sytoplasmasta.
Termi itsessään tarkoittaa "ytimen k altaista" tai "ydinaluetta". Tämän rakenteen löysi ensimmäisen kerran vuonna 1890 eläintieteilijä Otto Buchli, mutta sen erot eukaryoottien geneettiseen laitteistoon havaittiin jo 1950-luvun alussa elektronimikroskopiatekniikan ansiosta. Nimi "nukleoidi" vastaa käsitettä "bakteerikromosomi", jos jälkimmäinen sisältyy soluun yhtenä kopiona.
Nukleoidi ei sisällä plasmideja, jotkaovat bakteerigenomin ekstrakromosomaalisia elementtejä.
Bakteerisen nukleoidin ominaisuudet
Yleensä nukleoidi sijaitsee bakteerisolun keskiosassa ja on suunnattu sen akselia pitkin. Tämän kompaktin muodostelman tilavuus ei ylitä 0,5 mikronia3, ja molekyylipaino vaihtelee välillä 1×109 ja 3×109 d altonia. Tietyissä kohdissa nukleoidi on sitoutunut solukalvoon.
Bakteerinen nukleoidi sisältää kolme komponenttia:
- DNA.
- Rakenteelliset ja säätelevät proteiinit.
- RNA.
DNA:lla on kromosomiorganisaatio, joka eroaa eukaryootista. Useimmiten bakteerinukleoidi sisältää yhden kromosomin tai useita sen kopioita (aktiivisessa kasvussa niiden lukumäärä on 8 tai enemmän). Tämä indikaattori vaihtelee mikro-organismin tyypistä ja elinkaaren vaiheesta riippuen. Joillakin bakteereilla on useita kromosomeja erilaisilla geenisarjoilla.
Nukleoidin keskellä DNA on pakattu melko tiiviisti. Tämä vyöhyke ei ole ribosomien, replikaatio- ja transkriptioentsyymien ulottumattomissa. Päinvastoin, nukleoidin perifeerisen alueen deoksiribonukleiinisilmukat ovat suorassa kosketuksessa sytoplasmaan ja edustavat bakteerigenomin aktiivisia alueita.
Proteiinikomponentin määrä bakteerinukleoidissa ei ylitä 10 %, mikä on noin 5 kertaa vähemmän kuin eukaryoottisessa kromatiinissa. Useimmat proteiinit liittyvät DNA:han ja osallistuvat sen rakentumiseen. RNA on tuotebakteerigeenien transkriptio, joka suoritetaan nukleoidin reuna-alueella.
Bakteereiden geneettinen laite on dynaaminen muodostelma, joka pystyy muuttamaan muotoaan ja rakenteellista muotoaan. Siitä puuttuu eukaryoottisolun ytimelle tyypilliset nukleolit ja mitoottinen laite.
Bakteerikromosomi
Useimmissa tapauksissa bakteerien nukleoidikromosomeilla on suljettu rengas. Lineaariset kromosomit ovat paljon harvinaisempia. Joka tapauksessa nämä rakenteet koostuvat yhdestä DNA-molekyylistä, joka sisältää joukon geenejä, jotka ovat välttämättömiä bakteerien selviytymiselle.
Kromosomaalinen DNA valmistuu superkierteisten silmukoiden muodossa. Silmukoiden lukumäärä kromosomia kohti vaihtelee 12:sta 80:een. Jokainen kromosomi on täysimittainen replikoni, koska kaksinkertaistuessa DNA kopioituu kokonaan. Tämä prosessi alkaa aina replikaation origosta (OriC), joka on kiinnittynyt plasmakalvoon.
DNA-molekyylin kokonaispituus kromosomissa on useita suuruusluokkia suurempi kuin bakteerin koko, joten se on pakattava, mutta toiminnallinen aktiivisuus säilyy.
Eukaryoottisessa kromatiinissa nämä tehtävät suorittavat pääproteiinit - histonit. Bakteerinukleoidi sisältää DNA:ta sitovia proteiineja, jotka vastaavat geneettisen materiaalin rakenteellisesta organisoinnista ja vaikuttavat myös geenien ilmentymiseen ja DNA:n replikaatioon.
Nukleoideihin liittyviä proteiineja ovat:
- histonin k altaiset proteiinit HU, H-NS, FIS ja IHF;
- topoisomeraasit;
- SMC-perheen proteiinit.
Kahdella viimeisellä ryhmällä on suurin vaikutus geneettisen materiaalin superkiertymiseen.
Kromosomaalisen DNA:n negatiivisten varausten neutralointi tapahtuu polyamiinien ja magnesiumionien avulla.
Nukleoidin biologinen rooli
Ensinnäkin nukleoidi on välttämätön bakteereille, jotta ne voivat tallentaa ja välittää perinnöllistä tietoa sekä toteuttaa sitä solusynteesin tasolla. Toisin sanoen tämän muodostelman biologinen rooli on sama kuin DNA:n.
Muita bakteerien nukleoiditoimintoja ovat:
- geneettisen materiaalin lokalisointi ja tiivistäminen;
- toimiva DNA-pakkaus;
- aineenvaihdunnan säätely.
DNA-rakenteen ansiosta molekyyli ei vain sovi mikroskooppiseen soluun, vaan se myös luo olosuhteet normaalille replikaatio- ja transkriptioprosessille.
Nukleoidin molekyyliorganisaation ominaisuudet luovat olosuhteet solujen aineenvaihdunnan säätelylle muuttamalla DNA-konformaatiota. Säätely tapahtuu silmukoimalla tiettyjä kromosomin osia sytoplasmaan, jolloin ne ovat transkriptioentsyymien käytettävissä, tai päinvastoin vetämällä ne sisään.
Havaitsemismenetelmät
On 3 tapaa havaita visuaalisesti nukleoidi bakteereista:
- valomikroskopia;
- faasikontrastimikroskopia;
- elektronimikroskooppi.
Tavasta riippuenvalmisteen valmistelu ja tutkimusmenetelmä, nukleoidi voi näyttää erilaiselta.
Valomikroskopia
Nukleoidin havaitsemiseksi valomikroskoopilla bakteerit värjätään alustavasti siten, että nukleoidin väri eroaa muusta solusisällöstä, muuten tämä rakenne ei näy. Bakteerien kiinnittäminen lasilevylle on myös pakollista (tässä tapauksessa mikro-organismit kuolevat).
Valomikroskoopin linssin läpi nukleoidi näyttää pavun muotoiselta muodostelm alta, jolla on selkeät rajat ja joka sijaitsee solun keskiosassa.
Väritysmenetelmät
Useimmissa tapauksissa seuraavia bakteerien värjäysmenetelmiä käytetään nukleoidin visualisoimiseen valomikroskopialla:
- Romanovsky-Giemsan mukaan;
- Felgen-menetelmä.
Romanovsky-Giemsan mukaan värjätettäessä bakteerit esikiinnitetään lasilevylle metyylialkoholilla, jonka jälkeen ne kyllästetään 10-20 minuutin ajan väriaineella, joka on valmistettu tasaisesta taivaansinisen, eoniinin ja metyleenisinisen seoksesta., liuotettuna metanoliin. Tämän seurauksena nukleoidi muuttuu violetiksi ja sytoplasma vaaleanpunaiseksi. Ennen mikroskopiaa tahra valutetaan pois ja objektilasi pestään tisleellä ja kuivataan.
Feulgen-menetelmässä käytetään heikkoa happohydrolyysiä. Tämän seurauksena vapautunut deoksiriboosi siirtyy aldehydimuotoon ja on vuorovaikutuksessa Schiff-reagenssin fuksiini-rikkihapon kanssa. Tämän seurauksena nukleoidi muuttuu punaiseksi ja sytoplasma siniseksi.
Faasikontrastimikroskopia
Vaihekontrastimikroskoopissa onvaloa korkeampi resoluutio. Tämä menetelmä ei vaadi valmisteen kiinnittämistä ja värjäystä - tarkkailu tapahtuu elävien bakteerien var alta. Tällaisten solujen nukleoidi näyttää vaale alta soike alta alueelta tumman sytoplasman taustalla. Tehokkaampi menetelmä voidaan tehdä käyttämällä fluoresoivia väriaineita.
Nukleoidien havaitseminen elektronimikroskoopilla
On 2 tapaa valmistaa valmistelu nukleoiditutkimukseen elektronimikroskoopilla:
- erittäin ohut leikkaus;
- Leikkaa jäätyneet bakteerit.
Bakteerin ultraohuen osan elektronimikrokuvissa nukleoidi näyttää tiheältä ohuista filamenteista koostuv alta verkkorakenteelta, joka näyttää kevyemmältä kuin ympäröivä sytoplasma.
Jäätyneen bakteerin osalla immunovärjäyksen jälkeen nukleoidi näyttää korallinomaiselta rakenteelta, jossa on tiheä ydin ja ohuita ulkonemia, jotka tunkeutuvat sytoplasmaan.
Elektronisissa valokuvissa bakteerien nukleoidi sijaitsee useimmiten solun keskiosassa ja sen tilavuus on pienempi kuin elävässä solussa. Tämä johtuu altistumisesta valmisteen kiinnittämiseen käytetyille kemikaaleille.
