Skirtingai nei eukariotai, bakterijos neturi susiformavusio branduolio, tačiau jų DNR nėra išsibarsčiusi po visą ląstelę, o susitelkusi kompaktiškoje struktūroje, vadinamoje nukleoidu. Funkciniu požiūriu tai yra funkcinis branduolinio aparato analogas.
Kas yra nukleoidas
Bakterinis nukleoidas yra jų ląstelių sritis, kurioje yra struktūrinės genetinės medžiagos. Skirtingai nuo eukariotų branduolio, jis nėra atskirtas membrana nuo likusio ląstelės turinio ir neturi nuolatinės formos. Nepaisant to, bakterijų genetinis aparatas yra aiškiai atskirtas nuo citoplazmos.
Pats terminas reiškia „panašus į branduolį“arba „branduolinė sritis“. Pirmą kartą šią struktūrą 1890 m. atrado zoologas Otto Buchli, tačiau jos skirtumai nuo eukariotų genetinio aparato buvo nustatyti jau šeštojo dešimtmečio pradžioje elektroninės mikroskopijos technologijos dėka. Pavadinimas „nukleoidas“atitinka „bakterinės chromosomos“sąvoką, jei pastaroji ląstelėje yra viena kopija.
Nukleoidas neapima plazmidžių, kuriosyra ekstrachromosominiai bakterijų genomo elementai.
Bakterinio nukleoido savybės
Paprastai nukleoidas užima centrinę bakterinės ląstelės dalį ir yra orientuotas išilgai jos ašies. Šio kompaktiško darinio tūris neviršija 0,5 mikrono3, o molekulinė masė svyruoja nuo 1×109 iki 3×109 d altonų. Tam tikruose taškuose nukleoidas yra prijungtas prie ląstelės membranos.
Bakterinį nukleoidą sudaro trys komponentai:
- DNR.
- Struktūriniai ir reguliuojantys b altymai.
- RNA.
DNR turi chromosomų struktūrą, kuri skiriasi nuo eukariotų. Dažniausiai bakterijų nukleoide yra viena chromosoma arba kelios jos kopijos (aktyviai augant, jų skaičius siekia 8 ar daugiau). Šis rodiklis skiriasi priklausomai nuo mikroorganizmo tipo ir gyvenimo ciklo etapo. Kai kurios bakterijos turi kelias chromosomas su skirtingais genų rinkiniais.
Nukleoidinės DNR centre yra gana sandariai supakuota. Ši zona yra neprieinama ribosomoms, replikacijos ir transkripcijos fermentams. Priešingai, nukleoido periferinės srities dezoksiribonukleininės kilpos tiesiogiai liečiasi su citoplazma ir atstovauja aktyvioms bakterijų genomo sritims.
Bakterinio nukleoido b altymo komponento kiekis neviršija 10%, tai yra maždaug 5 kartus mažiau nei eukariotų chromatine. Dauguma b altymų yra susiję su DNR ir dalyvauja jos struktūravime. RNR yra produktasbakterijų genų transkripcija, kuri atliekama nukleoido periferijoje.
Genetinis bakterijų aparatas yra dinamiškas darinys, galintis keisti savo formą ir struktūrinę konformaciją. Jai trūksta nukleolių ir mitozinio aparato, būdingo eukariotinės ląstelės branduoliui.
Bakterijų chromosoma
Daugeliu atvejų bakterijų nukleoidinės chromosomos yra uždaro žiedo formos. Linijinės chromosomos yra daug rečiau paplitusios. Bet kokiu atveju šias struktūras sudaro viena DNR molekulė, kurioje yra genų rinkinys, būtinas bakterijoms išgyventi.
Chromosomų DNR užbaigiama superspiralinių kilpų pavidalu. Kilpų skaičius vienoje chromosomoje svyruoja nuo 12 iki 80. Kiekviena chromosoma yra pilnavertis replikonas, nes padvigubėjus DNR nukopijuojama visa. Šis procesas visada prasideda nuo replikacijos pradžios (OriC), kuris yra pritvirtintas prie plazminės membranos.
Bendras DNR molekulės ilgis chromosomoje yra keliomis eilėmis didesnis nei bakterijos dydis, todėl tampa būtina ją supakuoti, tačiau išlaikant funkcinį aktyvumą.
Eukariotų chromatine šias užduotis atlieka pagrindiniai b altymai – histonai. Bakteriniame nukleoide yra DNR surišančių b altymų, kurie yra atsakingi už struktūrinę genetinės medžiagos organizavimą, taip pat turi įtakos genų ekspresijai ir DNR replikacijai.
Su nukleoidais susiję b altymai apima:
- histoną panašūs b altymai HU, H-NS, FIS ir IHF;
- topoizomerazės;
- SMC šeimos b altymai.
Paskutinės 2 grupės turi didžiausią įtaką genetinės medžiagos superspiralizacijai.
Neigiamus chromosomų DNR krūvius neutralizuoja poliaminai ir magnio jonai.
Biologinis nukleoido vaidmuo
Visų pirma, nukleoidas reikalingas bakterijoms, kad galėtų saugoti ir perduoti paveldimą informaciją, taip pat ją įgyvendinti ląstelių sintezės lygmenyje. Kitaip tariant, šio darinio biologinis vaidmuo yra toks pat kaip ir DNR.
Kitos bakterijų nukleoidų funkcijos apima:
- genetinės medžiagos lokalizavimas ir sutankinimas;
- funkcinė DNR pakuotė;
- medžiagų apykaitos reguliavimas.
DNR struktūra ne tik leidžia molekulei tilpti į mikroskopinę ląstelę, bet ir sudaro sąlygas normaliai replikacijos ir transkripcijos procesų eigai.
Nukleoido molekulinės struktūros ypatybės sudaro sąlygas kontroliuoti ląstelių metabolizmą, keičiant DNR konformaciją. Reguliavimas vyksta ištraukiant tam tikras chromosomos dalis į citoplazmą, todėl jos tampa prieinamos transkripcijos fermentams, arba atvirkščiai, įtraukiant jas į vidų.
Aptikimo metodai
Yra 3 būdai vizualiai aptikti nukleoidą bakterijose:
- šviesos mikroskopija;
- fazinė kontrastinė mikroskopija;
- elektroninė mikroskopija.
Priklauso nuo metodopreparato paruošimas ir tyrimo metodas, nukleoidas gali atrodyti kitaip.
Šviesos mikroskopija
Norint aptikti nukleoidą naudojant šviesos mikroskopą, bakterijos preliminariai nudažomos taip, kad nukleoido spalva skirtųsi nuo likusio ląstelės turinio, kitaip ši struktūra nebus matoma. Taip pat privaloma fiksuoti bakterijas ant stiklelio (tokiu atveju mikroorganizmai miršta).
Pro šviesos mikroskopo objektyvą nukleoidas atrodo kaip pupelės formos darinys su aiškiomis ribomis, kuris užima centrinę ląstelės dalį.
Dažymo metodai
Daugeliu atvejų, norint vizualizuoti nukleoidą šviesos mikroskopu, naudojami šie bakterijų dažymo metodai:
- pagal Romanovsky-Giemsa;
- Felgeno metodas.
Dažant pagal Romanovsky-Giemsa, bakterijos iš anksto fiksuojamos ant stiklelio metilo alkoholiu, o po to 10-20 minučių impregnuojamos dažais iš vienodo žydros, eonino ir metileno mėlynos mišinio., ištirpintas metanolyje. Dėl to nukleoidas tampa purpurinis, o citoplazma tampa šviesiai rausva. Prieš atliekant mikroskopiją, dėmė nusausinama, o stiklelis nuplaunamas distiliatu ir išdžiovinamas.
Feulgen metodu naudojama silpnoji rūgštinė hidrolizė. Dėl to išsiskyrusi deoksiribozė pereina į aldehido formą ir sąveikauja su Šifo reagento fuksino-sieros rūgštimi. Dėl to nukleoidas tampa raudonas, o citoplazma tampa mėlyna.
Fazinė kontrasto mikroskopija
Yra fazinio kontrasto mikroskopijadidesnė skiriamoji geba nei šviesa. Šis metodas nereikalauja preparato fiksavimo ir dažymo – stebėjimas vyksta gyvoms bakterijoms. Nukleoidas tokiose ląstelėse atrodo kaip šviesus ovalus plotas tamsios citoplazmos fone. Veiksmingesnis metodas gali būti atliekamas naudojant fluorescencinius dažus.
Nukleoidų aptikimas elektroniniu mikroskopu
Yra 2 būdai, kaip paruošti preparatą nukleoidų tyrimui elektroniniu mikroskopu:
- ypač plonas pjūvis;
- Supjaustykite sušalusias bakterijas.
Ypač plonos bakterijos pjūvio elektroninėse mikrografijose nukleoidas atrodo kaip tanki tinklinė struktūra, sudaryta iš plonų gijų, kuri atrodo lengvesnė už aplinkinę citoplazmą.
Sušalusios bakterijos dalyje po imuninio dažymo nukleoidas atrodo kaip koralą primenanti struktūra su tankia šerdimi ir plonomis iškyšomis, prasiskverbiančiomis į citoplazmą.
Elektroninėse nuotraukose bakterijų nukleoidas dažniausiai užima centrinę ląstelės dalį ir yra mažesnio tūrio nei gyvoje ląstelėje. Taip yra dėl preparato fiksavimui naudojamų cheminių medžiagų poveikio.
