Spre deosebire de eucariote, bacteriile nu au un nucleu format, dar ADN-ul lor nu este împrăștiat în întreaga celulă, ci este concentrat într-o structură compactă numită nucleoid. În termeni funcționali, este un analog funcțional al unui aparat nuclear.
Ce este un nucleoid
Un nucleoid bacterian este o regiune din celulele lor care conține material genetic structurat. Spre deosebire de nucleul eucariot, acesta nu este separat printr-o membrană de restul conținutului celular și nu are o formă permanentă. În ciuda acestui fapt, aparatul genetic al bacteriilor este clar separat de citoplasmă.
Termenul în sine înseamnă „asemănător unui nucleu” sau „regiune nucleară”. Această structură a fost descoperită pentru prima dată în 1890 de zoologul Otto Buchli, dar diferențele sale față de aparatul genetic al eucariotelor au fost identificate deja la începutul anilor 1950 datorită tehnologiei microscopiei electronice. Denumirea „nucleoid” corespunde conceptului de „cromozom bacterian”, dacă acesta din urmă este conținut într-o celulă într-o singură copie.
Nucleoid nu include plasmide caresunt elemente extracromozomiale ale genomului bacterian.
Caracteristici ale nucleoidului bacterian
De obicei, nucleoidul ocupă partea centrală a celulei bacteriene și este orientat de-a lungul axei sale. Volumul acestei formațiuni compacte nu depășește 0,5 microni3, iar greutatea moleculară variază de la 1×109 la 3×109 d alton. În anumite puncte, nucleoidul este legat de membrana celulară.
Nucleoidul bacterian conține trei componente:
- ADN.
- Proteine structurale și de reglementare.
- ARN.
ADN-ul are o organizare cromozomială diferită de cea eucariotă. Cel mai adesea, nucleoidul bacterian conține un cromozom sau mai multe copii ale acestuia (cu creștere activă, numărul lor ajunge la 8 sau mai mult). Acest indicator variază în funcție de tipul și stadiul ciclului de viață al microorganismului. Unele bacterii au mai mulți cromozomi cu seturi diferite de gene.
În centrul nucleoidului, ADN-ul este împachetat destul de strâns. Această zonă este inaccesibilă ribozomilor, enzimelor de replicare și transcripție. Dimpotrivă, buclele dezoxiribonucleice ale regiunii periferice a nucleoidului sunt în contact direct cu citoplasma și reprezintă regiuni active ale genomului bacterian.
Cantitatea de componentă proteică din nucleoidul bacterian nu depășește 10%, ceea ce este de aproximativ 5 ori mai mică decât în cromatina eucariotă. Majoritatea proteinelor sunt asociate cu ADN-ul și participă la structurarea acestuia. ARN-ul este un produstranscrierea genelor bacteriene, care se realizează la periferia nucleoidului.
Aparatul genetic al bacteriilor este o formațiune dinamică capabilă să-și schimbe forma și conformația structurală. Îi lipsesc nucleolii și aparatul mitotic caracteristic nucleului unei celule eucariote.
Cromozom bacterian
În majoritatea cazurilor, cromozomii nucleoizi bacterieni au o formă de inel închis. Cromozomii liniari sunt mult mai puțin frecventi. În orice caz, aceste structuri constau dintr-o singură moleculă de ADN, care conține un set de gene necesare supraviețuirii bacteriilor.
ADN-ul cromozomal este completat sub formă de bucle supercoilate. Numărul de bucle pe cromozom variază de la 12 la 80. Fiecare cromozom este un replicon cu drepturi depline, deoarece la dublare, ADN-ul este copiat în întregime. Acest proces începe întotdeauna de la originea replicării (OriC), care este atașată de membrana plasmatică.
Lungimea totală a unei molecule de ADN dintr-un cromozom este cu câteva ordine de mărime mai mare decât dimensiunea unei bacterii, așa că devine necesară ambalarea acesteia, dar menținând activitatea funcțională.
În cromatina eucariotă, aceste sarcini sunt îndeplinite de principalele proteine - histonele. Nucleoidul bacterian conține proteine care leagă ADN-ul care sunt responsabile de organizarea structurală a materialului genetic și afectează, de asemenea, expresia genelor și replicarea ADN-ului.
Proteinele asociate cu nucleoizi includ:
- proteine asemănătoare histonelor HU, H-NS, FIS și IHF;
- topoizomeraze;
- proteine din familia SMC.
Ultimele 2 grupuri au cea mai mare influență asupra supraînfăşurării materialului genetic.
Neutralizarea sarcinilor negative ale ADN-ului cromozomial este realizată de poliamine și ioni de magneziu.
Rolul biologic al nucleoidului
În primul rând, nucleoidul este necesar bacteriilor pentru a stoca și transmite informații ereditare, precum și pentru a o implementa la nivelul sintezei celulare. Cu alte cuvinte, rolul biologic al acestei formațiuni este același cu cel al ADN-ului.
Alte funcții nucleoide bacteriene includ:
- localizarea și compactarea materialului genetic;
- ambalaj ADN funcțional;
- reglarea metabolismului.
Structurarea ADN-ului nu numai că permite moleculei să se potrivească într-o celulă microscopică, dar creează și condiții pentru fluxul normal al proceselor de replicare și transcripție.
Caracteristicile organizării moleculare a nucleoidului creează condiții pentru controlul metabolismului celular prin modificarea conformației ADN-ului. Reglarea are loc prin buclarea anumitor secțiuni ale cromozomului în citoplasmă, ceea ce le face disponibile pentru enzimele de transcripție sau invers, prin tragerea lor în interior.
Metode de detectare
Există 3 moduri de a detecta vizual un nucleoid în bacterii:
- microscopie cu lumină;
- microscopie de contrast de fază;
- microscopie electronică.
În funcție de metodăpregătirea preparatului și metoda de cercetare, nucleoidul poate arăta diferit.
Microscopie cu lumină
Pentru a detecta un nucleoid folosind un microscop cu lumină, bacteriile sunt colorate în prealabil, astfel încât nucleoidul să aibă o culoare diferită de restul conținutului celular, altfel această structură nu va fi vizibilă. De asemenea, este obligatoriu să fixați bacteriile pe o lamă de sticlă (în acest caz, microorganismele mor).
Prin lentila unui microscop cu lumină, nucleoidul arată ca o formațiune în formă de fasole cu limite clare, care ocupă partea centrală a celulei.
Metode de colorare
În majoritatea cazurilor, următoarele metode de colorare a bacteriilor sunt utilizate pentru a vizualiza nucleoidul prin microscopie cu lumină:
- conform Romanovsky-Giemsa;
- Metoda Felgen.
La colorarea conform Romanovsky-Giemsa, bacteriile sunt prefixate pe o lamă de sticlă cu alcool metilic, iar apoi timp de 10-20 de minute sunt impregnate cu un colorant dintr-un amestec egal de azur, eonină și albastru de metilen, dizolvat în metanol. Ca urmare, nucleoidul devine violet, iar citoplasma devine roz pal. Înainte de microscopie, pata este drenată și lama este spălată cu distilat și uscată.
Metoda Feulgen folosește hidroliza acidă slabă. Ca rezultat, deoxiriboza eliberată trece în formă de aldehidă și interacționează cu acidul fuczin-sulfuros al reactivului Schiff. Ca urmare, nucleoidul devine roșu, iar citoplasma devine albastră.
Microscopie cu contrast de fază
Microscopia cu contrast de fază arerezoluție mai mare decât lumina. Această metodă nu necesită fixarea și colorarea preparatului - observația are loc pentru bacterii vii. Nucleoidul din astfel de celule arată ca o zonă ovală ușoară pe fundalul citoplasmei întunecate. O metodă mai eficientă poate fi realizată prin aplicarea de coloranți fluorescenți.
Detecția nucleoizilor cu un microscop electronic
Există 2 moduri de a pregăti un preparat pentru examinarea nucleoidului la microscop electronic:
- tăitură ultra-subțire;
- Tăiați bacteriile înghețate.
În micrografiile electronice ale unei secțiuni ultrasubțiri a unei bacterii, nucleoidul are aspectul unei structuri dense de rețea constând din filamente subțiri, care arată mai ușor decât citoplasma din jur.
Pe o secțiune a unei bacterii înghețate după imunocolorare, nucleoidul arată ca o structură asemănătoare coralului, cu un miez dens și proeminențe subțiri care pătrund în citoplasmă.
În fotografiile electronice, nucleoidul bacteriilor ocupă cel mai adesea partea centrală a celulei și are un volum mai mic decât într-o celulă vie. Acest lucru se datorează expunerii la substanțele chimice utilizate pentru fixarea preparatului.
