Az eukariótáktól eltérően a baktériumoknak nincs kialakult sejtmagjuk, de DNS-ük nincs szétszórva a sejtben, hanem egy kompakt szerkezetben, az úgynevezett nukleoidban koncentrálódik. Funkcionális értelemben egy nukleáris berendezés funkcionális analógja.
Mi az a nukleoid
A bakteriális nukleoid sejtjeik egy olyan régiója, amely strukturált genetikai anyagot tartalmaz. Az eukarióta sejtmagtól eltérően nem választja el membrán a sejt többi részétől, és nincs állandó alakja. Ennek ellenére a baktériumok genetikai apparátusa egyértelműen elkülönül a citoplazmától.
Maga a kifejezés "magszerű" vagy "nukleáris régiót" jelent. Ezt a szerkezetet először 1890-ben Otto Buchli zoológus fedezte fel, de az eukarióták genetikai apparátusától való eltérését már az 1950-es évek elején azonosították az elektronmikroszkópos technológiának köszönhetően. A „nukleoid” elnevezés a „bakteriális kromoszóma” fogalmának felel meg, ha az utóbbi egyetlen példányban található egy sejtben.
A Nucleoid nem tartalmaz olyan plazmidokat, amelyeka bakteriális genom extrakromoszómális elemei.
A bakteriális nukleoid jellemzői
Általában a nukleoid a baktériumsejt központi részét foglalja el, és a tengelye mentén helyezkedik el. Ennek a kompakt képződménynek a térfogata nem haladja meg a 0,5 mikront3, és a molekulatömege 1×109 és 3×10 között változik.9 d alton. Bizonyos pontokon a nukleoid a sejtmembránhoz kötődik.
A bakteriális nukleoid három összetevőből áll:
- DNS.
- Strukturális és szabályozó fehérjék.
- RNA.
A DNS kromoszómális szerveződése különbözik az eukariótáktól. Leggyakrabban a bakteriális nukleoid egy kromoszómát vagy annak több másolatát tartalmazza (aktív növekedés esetén számuk eléri a 8-at vagy többet). Ez a mutató a mikroorganizmus életciklusának típusától és szakaszától függően változik. Egyes baktériumoknak több kromoszómája van, különböző génkészletekkel.
A nukleoid közepén a DNS meglehetősen szorosan össze van csomagolva. Ez a zóna nem elérhető a riboszómák, a replikációs és transzkripciós enzimek számára. Éppen ellenkezőleg, a nukleoid perifériás régiójának dezoxiribonukleinsav hurkai közvetlen kapcsolatban állnak a citoplazmával, és a bakteriális genom aktív régióit képviselik.
A fehérjekomponens mennyisége a bakteriális nukleoidban nem haladja meg a 10%-ot, ami körülbelül 5-ször kevesebb, mint az eukarióta kromatinban. A legtöbb fehérje a DNS-hez kapcsolódik, és részt vesz annak strukturálásában. Az RNS egy termékbakteriális gének transzkripciója, amely a nukleoid perifériáján történik.
A baktériumok genetikai apparátusa egy dinamikus képződmény, amely képes megváltoztatni alakját és szerkezeti felépítését. Hiányzik belőle az eukarióta sejt magjára jellemző nucleolus és mitotikus apparátus.
Bakteriális kromoszóma
A legtöbb esetben a bakteriális nukleoid kromoszómák zárt gyűrű alakúak. A lineáris kromoszómák sokkal kevésbé gyakoriak. Mindenesetre ezek a struktúrák egyetlen DNS-molekulából állnak, amely a baktériumok túléléséhez szükséges génkészletet tartalmazza.
A kromoszómális DNS szupertekervényes hurkok formájában teljesedik ki. A hurkok száma kromoszómánként 12 és 80 között változik. Mindegyik kromoszóma egy teljes értékű replikon, mivel a megkettőződés során a DNS teljesen másolódik. Ez a folyamat mindig a replikációs origóból (OriC) indul, amely a plazmamembránhoz kapcsolódik.
A kromoszómában lévő DNS-molekula teljes hossza több nagyságrenddel nagyobb, mint egy baktérium mérete, ezért szükségessé válik a csomagolás, de a funkcionális aktivitás megőrzése mellett.
Az eukarióta kromatinban ezeket a feladatokat a fő fehérjék - a hisztonok - látják el. A bakteriális nukleoid olyan DNS-kötő fehérjéket tartalmaz, amelyek felelősek a genetikai anyag szerkezeti szerveződéséért, és befolyásolják a génexpressziót és a DNS-replikációt is.
A nukleoidokhoz kapcsolódó fehérjék a következők:
- hisztonszerű fehérjék HU, H-NS, FIS és IHF;
- topoizomerázok;
- az SMC család fehérjéi.
Az utolsó 2 csoport van a legnagyobb hatással a genetikai anyag szupertekervényére.
A kromoszómális DNS negatív töltéseinek semlegesítését poliaminok és magnéziumionok végzik.
A nukleoid biológiai szerepe
Először is, a nukleoid a baktériumok számára szükséges az örökletes információk tárolásához és továbbításához, valamint a sejtszintézis szintjén való megvalósításához. Más szavakkal, ennek a képződménynek a biológiai szerepe megegyezik a DNS-ével.
Egyéb bakteriális nukleoid funkciók a következők:
- genetikai anyag lokalizálása és tömörítése;
- funkcionális DNS-csomagolás;
- anyagcsere szabályozása.
A DNS strukturálása nemcsak lehetővé teszi, hogy a molekula beilleszkedjen egy mikroszkopikus sejtbe, hanem feltételeket teremt a replikációs és transzkripciós folyamatok normális áramlásához is.
A nukleoid molekuláris szerveződésének jellemzői a DNS-konformáció megváltoztatásával feltételeket teremtenek a sejtmetabolizmus szabályozásához. A szabályozás úgy történik, hogy a kromoszóma bizonyos szakaszait kihurkolják a citoplazmába, ami elérhetővé teszi azokat a transzkripciós enzimek számára, vagy fordítva, behúzással.
Érzékelési módszerek
Három módon lehet vizuálisan kimutatni egy nukleoidot a baktériumokban:
- fénymikroszkópia;
- fáziskontrasztmikroszkópia;
- elektronmikroszkópia.
A módszertől függőena készítmény elkészítése és a kutatási módszer szerint a nukleoid eltérő lehet.
Fénymikroszkópia
A nukleoid fénymikroszkóppal történő kimutatásához a baktériumokat előzetesen megfestik, hogy a nukleoid színe eltérjen a sejt többi tartalmától, különben ez a szerkezet nem lesz látható. A baktériumok rögzítése egy tárgylemezen is kötelező (ebben az esetben a mikroorganizmusok elpusztulnak).
A fénymikroszkóp lencséjén keresztül a nukleoid egy bab alakú, világos határokkal rendelkező képződménynek tűnik, amely a sejt központi részét foglalja el.
Színezési módszerek
A legtöbb esetben a következő baktériumfestési módszereket alkalmazzák a nukleoid fénymikroszkópos vizualizálására:
- Romanovsky-Giemsa szerint;
- Felgen-módszer.
Romanovsky-Giemsa szerinti festéskor a baktériumokat metil-alkohollal előfixálják egy tárgylemezre, majd 10-20 percig impregnálják őket azúrkék, eonin és metilénkék egyenlő keverékéből készült festékkel., metanolban oldva. Ennek eredményeként a nukleoid lila színűvé válik, a citoplazma pedig halvány rózsaszínűvé válik. A mikroszkópos vizsgálat előtt a foltot lecsepegtetjük, a tárgylemezt desztillátummal mossuk és szárítjuk.
A Feulgen-módszer gyenge savas hidrolízist alkalmaz. Ennek eredményeként a felszabaduló dezoxiribóz aldehid formába kerül, és kölcsönhatásba lép a Schiff-reagens fukszin-kénsavával. Ennek eredményeként a nukleoid vörös, a citoplazma pedig kék színűvé válik.
Fáziskontrasztmikroszkópia
Fáziskontraszt mikroszkóppal rendelkeziknagyobb felbontású, mint a fény. Ez a módszer nem igényli a készítmény rögzítését és festését - a megfigyelés élő baktériumok esetén történik. Az ilyen sejtekben lévő nukleoid világos ovális területnek tűnik a sötét citoplazma hátterében. Fluoreszcens festékek alkalmazásával hatékonyabb módszert lehet elérni.
Nukleoid-detektálás elektronmikroszkóppal
Kétféleképpen készíthet készítményt az elektronmikroszkópos nukleoidvizsgálathoz:
- ultravékony vágás;
- Vágja le a fagyott baktériumokat.
A baktérium ultravékony metszetének elektronmikroszkópos felvételén a nukleoid vékony filamentumokból álló sűrű hálózati szerkezetnek tűnik, amely világosabbnak tűnik, mint a környező citoplazma.
Az immunfestés után egy fagyott baktérium metszetén a nukleoid korallszerű szerkezetnek tűnik, sűrű maggal és vékony kiemelkedésekkel, amelyek behatolnak a citoplazmába.
Az elektronikus fényképeken a baktériumok nukleoidja leggyakrabban a sejt központi részét foglalja el, és kisebb térfogatú, mint egy élő sejtben. Ennek oka a készítmény rögzítéséhez használt vegyszereknek való kitettség.
