Σε αντίθεση με τους ευκαρυώτες, τα βακτήρια δεν έχουν σχηματισμένο πυρήνα, αλλά το DNA τους δεν είναι διασκορπισμένο σε όλο το κύτταρο, αλλά συγκεντρώνεται σε μια συμπαγή δομή που ονομάζεται νουκλεοειδές. Από λειτουργική άποψη, είναι ένα λειτουργικό ανάλογο μιας πυρηνικής συσκευής.
Τι είναι ένα νουκλεοειδές
Ένα βακτηριακό νουκλεοειδές είναι μια περιοχή στα κύτταρά τους που περιέχει δομημένο γενετικό υλικό. Σε αντίθεση με τον ευκαρυωτικό πυρήνα, δεν χωρίζεται με μεμβράνη από το υπόλοιπο κυτταρικό περιεχόμενο και δεν έχει μόνιμο σχήμα. Παρόλα αυτά, η γενετική συσκευή των βακτηρίων είναι σαφώς διαχωρισμένη από το κυτταρόπλασμα.
Ο ίδιος ο όρος σημαίνει "πυρηνική περιοχή" ή "πυρηνική περιοχή". Αυτή η δομή ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1890 από τον ζωολόγο Otto Buchli, αλλά οι διαφορές της από τη γενετική συσκευή των ευκαρυωτών εντοπίστηκαν ήδη στις αρχές της δεκαετίας του 1950 χάρη στην τεχνολογία ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Το όνομα "νουκλεοειδές" αντιστοιχεί στην έννοια του "βακτηριακού χρωμοσώματος", εάν το τελευταίο περιέχεται σε ένα κύτταρο σε ένα μόνο αντίγραφο.
Το νουκλεοειδές δεν περιλαμβάνει πλασμίδια πουείναι εξωχρωμοσωμικά στοιχεία του βακτηριακού γονιδιώματος.
Χαρακτηριστικά βακτηριακού νουκλεοειδούς
Συνήθως, το νουκλεοειδές καταλαμβάνει το κεντρικό τμήμα του βακτηριακού κυττάρου και είναι προσανατολισμένο κατά μήκος του άξονά του. Ο όγκος αυτού του συμπαγούς σχηματισμού δεν υπερβαίνει τα 0,5 microns3 και το μοριακό βάρος ποικίλλει από 1×109 έως 3×109 d alton. Σε ορισμένα σημεία, το νουκλεοειδές συνδέεται με την κυτταρική μεμβράνη.
Το βακτηριακό νουκλεοειδές περιέχει τρία συστατικά:
- DNA.
- Δομικές και ρυθμιστικές πρωτεΐνες.
- RNA.
Το
DNA έχει μια χρωμοσωμική οργάνωση που είναι διαφορετική από την ευκαρυωτική. Τις περισσότερες φορές, το βακτηριακό νουκλεοειδές περιέχει ένα χρωμόσωμα ή πολλά αντίγραφά του (με ενεργό ανάπτυξη, ο αριθμός τους φτάνει τα 8 ή περισσότερα). Αυτός ο δείκτης ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο και το στάδιο του κύκλου ζωής του μικροοργανισμού. Ορισμένα βακτήρια έχουν πολλαπλά χρωμοσώματα με διαφορετικά σύνολα γονιδίων.
Στο κέντρο του νουκλεοειδούς το DNA είναι συσκευασμένο αρκετά σφιχτά. Αυτή η ζώνη είναι απρόσιτη για τα ριβοσώματα, τα ένζυμα αντιγραφής και μεταγραφής. Αντίθετα, οι δεοξυριβονουκλεϊκοί βρόχοι της περιφερειακής περιοχής του νουκλεοειδούς βρίσκονται σε άμεση επαφή με το κυτταρόπλασμα και αντιπροσωπεύουν ενεργές περιοχές του βακτηριακού γονιδιώματος.
Η ποσότητα του πρωτεϊνικού συστατικού στο βακτηριακό νουκλεοειδές δεν υπερβαίνει το 10%, που είναι περίπου 5 φορές μικρότερο από ό,τι στην ευκαρυωτική χρωματίνη. Οι περισσότερες πρωτεΐνες συνδέονται με το DNA και συμμετέχουν στη δόμησή του. Το RNA είναι προϊόνμεταγραφή βακτηριακών γονιδίων, η οποία πραγματοποιείται στην περιφέρεια του νουκλεοειδούς.
Η γενετική συσκευή των βακτηρίων είναι ένας δυναμικός σχηματισμός ικανός να αλλάξει το σχήμα και τη δομική του διαμόρφωση. Δεν έχει τους πυρήνες και τη μιτωτική συσκευή που είναι χαρακτηριστικά του πυρήνα ενός ευκαρυωτικού κυττάρου.
Βακτηριακό χρωμόσωμα
Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα βακτηριακά νουκλεοειδή χρωμοσώματα έχουν σχήμα κλειστού δακτυλίου. Τα γραμμικά χρωμοσώματα είναι πολύ λιγότερο κοινά. Σε κάθε περίπτωση, αυτές οι δομές αποτελούνται από ένα μόνο μόριο DNA, το οποίο περιέχει ένα σύνολο γονιδίων που είναι απαραίτητα για την επιβίωση των βακτηρίων.
Το χρωμοσωμικό DNA ολοκληρώνεται με τη μορφή υπερτυλιγμένων βρόχων. Ο αριθμός των βρόχων ανά χρωμόσωμα κυμαίνεται από 12 έως 80. Κάθε χρωμόσωμα είναι ένα πλήρες ρεπλικόνιο, αφού κατά τον διπλασιασμό το DNA αντιγράφεται εξ ολοκλήρου. Αυτή η διαδικασία ξεκινά πάντα από την αρχή της αντιγραφής (OriC), η οποία συνδέεται με την πλασματική μεμβράνη.
Το συνολικό μήκος ενός μορίου DNA σε ένα χρωμόσωμα είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το μέγεθος ενός βακτηρίου, επομένως καθίσταται απαραίτητο να συσκευαστεί, αλλά διατηρώντας τη λειτουργική του δραστηριότητα.
Στην ευκαρυωτική χρωματίνη, αυτές οι εργασίες εκτελούνται από τις κύριες πρωτεΐνες - τις ιστόνες. Το βακτηριακό νουκλεοειδές περιέχει πρωτεΐνες που δεσμεύουν το DNA που είναι υπεύθυνες για τη δομική οργάνωση του γενετικού υλικού και επίσης επηρεάζουν την έκφραση γονιδίων και την αντιγραφή του DNA.
Οι πρωτεΐνες που σχετίζονται με νουκλεοειδή περιλαμβάνουν:
- πρωτεΐνες τύπου ιστόνης HU, H-NS, FIS και IHF;
- τοποϊσομεράσες;
- πρωτεΐνες της οικογένειας SMC.
Οι 2 τελευταίες ομάδες έχουν τη μεγαλύτερη επιρροή στην υπερέλιξη του γενετικού υλικού.
Η εξουδετέρωση των αρνητικών φορτίων του χρωμοσωμικού DNA πραγματοποιείται από πολυαμίνες και ιόντα μαγνησίου.
Ο βιολογικός ρόλος του νουκλεοειδούς
Πρώτα απ' όλα, το νουκλεοειδές είναι απαραίτητο για τα βακτήρια προκειμένου να αποθηκεύουν και να μεταδίδουν κληρονομικές πληροφορίες, καθώς και να τις εφαρμόζουν σε επίπεδο κυτταρικής σύνθεσης. Με άλλα λόγια, ο βιολογικός ρόλος αυτού του σχηματισμού είναι ο ίδιος με αυτόν του DNA.
Άλλες βακτηριακές νουκλεοειδείς λειτουργίες περιλαμβάνουν:
- εντοπισμός και συμπίεση γενετικού υλικού;
- λειτουργική συσκευασία DNA;
- ρύθμιση του μεταβολισμού.
Η δομή του DNA όχι μόνο επιτρέπει στο μόριο να χωρέσει σε ένα μικροσκοπικό κύτταρο, αλλά δημιουργεί επίσης συνθήκες για την κανονική ροή των διαδικασιών αντιγραφής και μεταγραφής.
Τα χαρακτηριστικά της μοριακής οργάνωσης του νουκλεοειδούς δημιουργούν συνθήκες για τον έλεγχο του κυτταρικού μεταβολισμού αλλάζοντας τη διαμόρφωση του DNA. Η ρύθμιση λαμβάνει χώρα με το άνοιγμα ορισμένων τμημάτων του χρωμοσώματος στο κυτταρόπλασμα, το οποίο τα καθιστά διαθέσιμα για μεταγραφικά ένζυμα, ή αντίστροφα, τραβώντας τα προς τα μέσα.
Μέθοδοι ανίχνευσης
Υπάρχουν 3 τρόποι για να ανιχνεύσετε οπτικά ένα νουκλεοειδές σε βακτήρια:
- μικροσκόπιο φωτός;
- μικροσκοπία αντίθεσης φάσης;
- ηλεκτρονική μικροσκοπία.
Ανάλογα με τη μέθοδοη προετοιμασία του παρασκευάσματος και η μέθοδος έρευνας, το νουκλεοειδές μπορεί να φαίνεται διαφορετικό.
Μικροσκόπιο φωτός
Για την ανίχνευση ενός νουκλεοειδούς χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο φωτός, τα βακτήρια χρωματίζονται προκαταρκτικά έτσι ώστε το νουκλεοειδές να έχει διαφορετικό χρώμα από το υπόλοιπο κυτταρικό περιεχόμενο, διαφορετικά αυτή η δομή δεν θα είναι ορατή. Είναι επίσης υποχρεωτικό να στερεωθούν τα βακτήρια σε μια γυάλινη πλάκα (σε αυτή την περίπτωση, οι μικροοργανισμοί πεθαίνουν).
Μέσω του φακού ενός μικροσκοπίου φωτός, το νουκλεοειδές μοιάζει με σχηματισμό σε σχήμα φασολιού με σαφή όρια, που καταλαμβάνει το κεντρικό τμήμα του κυττάρου.
Μέθοδοι χρωματισμού
Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι ακόλουθες μέθοδοι χρώσης για βακτήρια χρησιμοποιούνται για την οπτικοποίηση του νουκλεοειδούς με μικροσκοπία φωτός:
- σύμφωνα με τον Romanovsky-Giemsa;
- Μέθοδος Felgen.
Κατά τη χρώση σύμφωνα με την Romanovsky-Giemsa, τα βακτήρια προκαθορίζονται σε γυάλινη αντικειμενοφόρο πλάκα με μεθυλική αλκοόλη και στη συνέχεια εμποτίζονται για 10-20 λεπτά με βαφή από ίσο μείγμα αζούρου, εονίνης και μπλε του μεθυλενίου, διαλυμένο σε μεθανόλη. Ως αποτέλεσμα, το νουκλεοειδές γίνεται μοβ και το κυτταρόπλασμα γίνεται απαλό ροζ. Πριν από τη μικροσκοπία, ο λεκές στραγγίζεται και η αντικειμενοφόρος πλάκα πλένεται με απόσταγμα και στεγνώνει.
Η μέθοδος Feulgen χρησιμοποιεί υδρόλυση ασθενούς οξέος. Ως αποτέλεσμα, η απελευθερωμένη δεοξυριβόζη περνά στη μορφή αλδεΰδης και αλληλεπιδρά με το φουξινο-θειικό οξύ του αντιδραστηρίου Schiff. Ως αποτέλεσμα, το νουκλεοειδές γίνεται κόκκινο και το κυτταρόπλασμα γίνεται μπλε.
Μικροσκοπία αντίθεσης φάσης
Η μικροσκοπία αντίθεσης φάσης έχειυψηλότερη ανάλυση από το φως. Αυτή η μέθοδος δεν απαιτεί στερέωση και χρώση του παρασκευάσματος - η παρατήρηση πραγματοποιείται για ζωντανά βακτήρια. Το νουκλεοειδές σε τέτοια κύτταρα μοιάζει με μια ανοιχτόχρωμη ωοειδή περιοχή στο φόντο του σκοτεινού κυτταροπλάσματος. Μια πιο αποτελεσματική μέθοδος μπορεί να γίνει με την εφαρμογή φθοριζόντων βαφών.
Ανίχνευση νουκλεοειδών με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο
Υπάρχουν 2 τρόποι προετοιμασίας ενός παρασκευάσματος για εξέταση νουκλεοειδών με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο:
- πολύ λεπτή κοπή;
- Κόψτε κατεψυγμένα βακτήρια.
Σε μικρογραφίες ηλεκτρονίων ενός εξαιρετικά λεπτού τμήματος ενός βακτηρίου, το νουκλεοειδές έχει την εμφάνιση μιας δομής πυκνού δικτύου που αποτελείται από λεπτά νημάτια, τα οποία φαίνεται ελαφρύτερα από το περιβάλλον κυτταρόπλασμα.
Σε ένα τμήμα παγωμένου βακτηρίου μετά από ανοσοχρώση, το νουκλεοειδές μοιάζει με κοραλλιοειδές δομή με πυκνό πυρήνα και λεπτές προεξοχές που διεισδύουν στο κυτταρόπλασμα.
Στις ηλεκτρονικές φωτογραφίες, το νουκλεοειδές των βακτηρίων καταλαμβάνει συχνότερα το κεντρικό τμήμα του κυττάρου και έχει μικρότερο όγκο από ότι σε ένα ζωντανό κύτταρο. Αυτό οφείλεται στην έκθεση στις χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση του παρασκευάσματος.
