Atšķirībā no eikariotiem baktērijām nav izveidots kodols, bet to DNS nav izkaisīta pa visu šūnu, bet ir koncentrēta kompaktā struktūrā, ko sauc par nukleoīdu. Funkcionālā ziņā tas ir kodolaparāta funkcionāls analogs.
Kas ir nukleoīds
Baktēriju nukleoīds ir reģions to šūnās, kas satur strukturētu ģenētisko materiālu. Atšķirībā no eikariotu kodola, tas nav atdalīts ar membrānu no pārējā šūnu satura un tam nav pastāvīgas formas. Neskatoties uz to, baktēriju ģenētiskais aparāts ir skaidri atdalīts no citoplazmas.
Pats termins nozīmē "kodolam līdzīgs" vai "kodola reģions". Pirmo reizi šo struktūru 1890. gadā atklāja zoologs Otto Buchli, bet tās atšķirības no eikariotu ģenētiskā aparāta tika konstatētas jau 50. gadu sākumā, pateicoties elektronu mikroskopijas tehnoloģijai. Nosaukums "nukleoīds" atbilst jēdzienam "baktēriju hromosoma", ja tā ir ietverta šūnā vienā eksemplārā.
Nucleoid neietver plazmīdas, kasir baktēriju genoma ekstrahromosomālie elementi.
Baktēriju nukleoīda pazīmes
Parasti nukleoīds aizņem baktērijas šūnas centrālo daļu un ir orientēts pa tās asi. Šī kompaktā veidojuma tilpums nepārsniedz 0,5 mikronus3, un molekulmasa svārstās no 1×109 līdz 3×109 d altons. Noteiktos punktos nukleoīds ir saistīts ar šūnas membrānu.
Baktēriju nukleoīds satur trīs sastāvdaļas:
- DNS.
- Strukturālie un regulējošie proteīni.
- RNA.
DNS ir hromosomu organizācija, kas atšķiras no eikariotu. Visbiežāk baktēriju nukleoīds satur vienu hromosomu vai vairākas tās kopijas (ar aktīvu augšanu to skaits sasniedz 8 vai vairāk). Šis indikators mainās atkarībā no mikroorganisma dzīves cikla veida un stadijas. Dažām baktērijām ir vairākas hromosomas ar dažādiem gēnu komplektiem.
Nukleoīda centrā DNS ir diezgan cieši iesaiņota. Šī zona nav pieejama ribosomām, replikācijas un transkripcijas enzīmiem. Gluži pretēji, nukleoīda perifērā reģiona dezoksiribonukleīna cilpas ir tiešā saskarē ar citoplazmu un pārstāv baktēriju genoma aktīvos reģionus.
Proteīna komponenta daudzums baktēriju nukleoīdā nepārsniedz 10%, kas ir apmēram 5 reizes mazāk nekā eikariotu hromatīnā. Lielākā daļa olb altumvielu ir saistītas ar DNS un piedalās tās strukturēšanā. RNS ir produktsbaktēriju gēnu transkripcija, kas tiek veikta nukleoīda perifērijā.
Baktēriju ģenētiskais aparāts ir dinamisks veidojums, kas spēj mainīt savu formu un strukturālo uzbūvi. Tai trūkst nukleolu un mitotiskā aparāta, kas raksturīgs eikariotu šūnas kodolam.
Baktēriju hromosoma
Lielākajā daļā gadījumu baktēriju nukleoīdu hromosomām ir slēgta gredzena forma. Lineārās hromosomas ir daudz retāk sastopamas. Jebkurā gadījumā šīs struktūras sastāv no vienas DNS molekulas, kas satur baktēriju izdzīvošanai nepieciešamo gēnu kopumu.
Hromosomu DNS ir pabeigta superspirālu cilpu veidā. Cilpu skaits vienā hromosomā svārstās no 12 līdz 80. Katra hromosoma ir pilnvērtīgs replikons, jo, dubultojot DNS, tiek kopēta pilnībā. Šis process vienmēr sākas no replikācijas sākuma (OriC), kas ir pievienots plazmas membrānai.
DNS molekulas kopējais garums hromosomā ir par vairākām lieluma kārtām lielāks nekā baktērijas izmērs, tāpēc kļūst nepieciešams to iepakot, taču vienlaikus saglabājot funkcionālo aktivitāti.
Eikariotu hromatīnā šos uzdevumus veic galvenie proteīni – histoni. Baktēriju nukleoīds satur DNS saistošus proteīnus, kas ir atbildīgi par ģenētiskā materiāla strukturālo organizāciju, kā arī ietekmē gēnu ekspresiju un DNS replikāciju.
Ar nukleoīdiem saistītie proteīni ietver:
- histonam līdzīgi proteīni HU, H-NS, FIS un IHF;
- topoizomerāzes;
- SMC saimes proteīni.
Pēdējām 2 grupām ir vislielākā ietekme uz ģenētiskā materiāla superspirāli.
Hromosomu DNS negatīvo lādiņu neitralizāciju veic poliamīni un magnija joni.
Nukleoīda bioloģiskā loma
Pirmkārt, nukleoīds ir nepieciešams baktērijām, lai saglabātu un nodotu iedzimtības informāciju, kā arī to realizētu šūnu sintēzes līmenī. Citiem vārdiem sakot, šī veidojuma bioloģiskā loma ir tāda pati kā DNS.
Citas baktēriju nukleoīdu funkcijas ietver:
- ģenētiskā materiāla lokalizācija un sablīvēšana;
- funkcionāls DNS iepakojums;
- vielmaiņas regulēšana.
DNS strukturēšana ne tikai ļauj molekulai iekļauties mikroskopiskā šūnā, bet arī rada apstākļus normālai replikācijas un transkripcijas procesu plūsmai.
Nukleoīda molekulārās organizācijas iezīmes rada apstākļus šūnu metabolisma kontrolei, mainot DNS konformāciju. Regulēšana notiek, izdalot noteiktas hromosomas daļas citoplazmā, kas padara tās pieejamas transkripcijas enzīmiem, vai otrādi, ievelkot tās.
Noteikšanas metodes
Ir 3 veidi, kā vizuāli noteikt nukleoīdu baktērijās:
- gaismas mikroskopija;
- fāzes kontrasta mikroskopija;
- elektronu mikroskopija.
Atkarībā no metodespreparāta sagatavošana un izpētes metode, nukleoīds var izskatīties savādāk.
Gaismas mikroskopija
Lai noteiktu nukleoīdu, izmantojot gaismas mikroskopu, baktērijas tiek sākotnēji iekrāsotas tā, lai nukleoīda krāsa atšķirtos no pārējā šūnu satura, pretējā gadījumā šī struktūra nebūs redzama. Obligāti jāfiksē arī baktērijas uz priekšmetstikliņa (šajā gadījumā mikroorganismi iet bojā).
Caur gaismas mikroskopa lēcu nukleoīds izskatās kā pupiņas formas veidojums ar skaidrām robežām, kas aizņem šūnas centrālo daļu.
Krāsošanas metodes
Vairumā gadījumu, lai nukleoīdu vizualizētu ar gaismas mikroskopiju, tiek izmantotas šādas baktēriju krāsošanas metodes:
- pēc Romanovska-Ģiemsa;
- Felgena metode.
Krāsojot pēc Romanovska-Giemsa, baktērijas tiek iepriekš fiksētas uz priekšmetstikliņa ar metilspirtu un pēc tam 10-20 minūtes tiek piesūcinātas ar krāsvielu no vienāda debeszila, eonīna un metilēnzilā maisījuma., izšķīdināts metanolā. Tā rezultātā nukleoīds kļūst purpursarkans, un citoplazma kļūst gaiši rozā. Pirms mikroskopijas traipu nosusina, priekšmetstikliņu mazgā ar destilātu un nosusina.
Fūlgena metodē izmanto vājas skābes hidrolīzi. Rezultātā atbrīvotā dezoksiriboze pāriet aldehīda formā un mijiedarbojas ar Šifa reaģenta fuksīna-sērskābi. Tā rezultātā nukleoīds kļūst sarkans, bet citoplazma kļūst zila.
Fāzes kontrasta mikroskopija
Fāzes kontrasta mikroskopijā iraugstāka izšķirtspēja nekā gaismas. Šī metode neprasa preparāta fiksāciju un krāsošanu – novērošana notiek dzīvām baktērijām. Nukleoīds šādās šūnās izskatās kā gaišs ovāls laukums uz tumšas citoplazmas fona. Efektīvāku metodi var izveidot, uzklājot fluorescējošas krāsvielas.
Nukleoīdu noteikšana ar elektronu mikroskopu
Ir 2 veidi, kā sagatavot preparātu nukleoīdu izmeklēšanai elektronu mikroskopā:
- īpaši plāns griezums;
- Izgrieziet sasalušās baktērijas.
Īpaši plānas baktērijas sekcijas elektronu mikrogrāfijās nukleoīds izskatās kā blīva tīkla struktūra, kas sastāv no plāniem pavedieniem, kas izskatās gaišāki par apkārtējo citoplazmu.
Sasaldētas baktērijas daļā pēc imūnkrāsošanas nukleoīds izskatās kā koraļļiem līdzīga struktūra ar blīvu kodolu un plāniem izvirzījumiem, kas iekļūst citoplazmā.
Elektroniskajās fotogrāfijās baktēriju nukleoīds visbiežāk aizņem šūnas centrālo daļu un tam ir mazāks tilpums nekā dzīvā šūnā. Tas ir saistīts ar preparāta fiksēšanai izmantoto ķīmisko vielu iedarbību.
