برخلاف یوکاریوت ها، باکتری ها هسته تشکیل شده ندارند، اما DNA آنها در سراسر سلول پراکنده نیست، بلکه در ساختار فشرده ای به نام نوکلوئید متمرکز شده است. از نظر عملکردی، آنالوگ عملکردی یک دستگاه هسته ای است.
نوکلوئید چیست
نوکلوئید باکتریایی ناحیه ای در سلول های آنهاست که حاوی مواد ژنتیکی ساختار یافته است. برخلاف هسته یوکاریوتی، با غشایی از بقیه محتویات سلولی جدا نمی شود و شکل دائمی ندارد. با وجود این، دستگاه ژنتیکی باکتری ها به وضوح از سیتوپلاسم جدا شده است.
این اصطلاح خود به معنای "هسته مانند" یا "منطقه هسته ای" است. این ساختار اولین بار در سال 1890 توسط جانورشناس Otto Buchli کشف شد، اما تفاوت های آن با دستگاه ژنتیکی یوکاریوت ها در اوایل دهه 1950 به لطف فناوری میکروسکوپ الکترونی شناسایی شد. نام "نوکلوئید" با مفهوم "کروموزوم باکتریایی" مطابقت دارد، اگر کروموزوم دوم در یک سلول در یک نسخه وجود داشته باشد.
نوکلوئید شامل پلاسمیدهایی نمی شود کهعناصر خارج کروموزومی ژنوم باکتری هستند.
ویژگی های نوکلوئید باکتریایی
معمولاً نوکلوئید قسمت مرکزی سلول باکتری را اشغال می کند و در امتداد محور آن قرار دارد. حجم این سازند فشرده از 0.5 میکرون تجاوز نمی کند.9 دالتون. در نقاط خاصی، نوکلوئید به غشای سلولی متصل می شود.
نوکلوئید باکتری شامل سه جزء است:
- DNA.
- پروتئین های ساختاری و تنظیمی.
- RNA.
DNA دارای یک سازمان کروموزومی است که با یوکاریوتی متفاوت است. اغلب، نوکلوئید باکتری حاوی یک کروموزوم یا چندین نسخه از آن است (با رشد فعال، تعداد آنها به 8 یا بیشتر می رسد). این شاخص بسته به نوع و مرحله چرخه زندگی میکروارگانیسم متفاوت است. برخی از باکتری ها دارای کروموزوم های متعدد با مجموعه های مختلف ژن هستند.
در مرکز DNA نوکلوئیدی کاملاً محکم بسته بندی شده است. این منطقه برای ریبوزوم ها، تکثیر و آنزیم های رونویسی غیرقابل دسترسی است. برعکس، حلقه‌های دئوکسی ریبونوکلئیک ناحیه محیطی نوکلوئید در تماس مستقیم با سیتوپلاسم هستند و مناطق فعال ژنوم باکتری را نشان می‌دهند.
میزان جزء پروتئینی در نوکلوئید باکتریایی از ۱۰ درصد تجاوز نمی کند که حدود ۵ برابر کمتر از کروماتین یوکاریوتی است. بیشتر پروتئین ها با DNA مرتبط هستند و در ساختار آن شرکت می کنند. RNA یک محصول استرونویسی ژن های باکتریایی که در حاشیه نوکلوئید انجام می شود.
دستگاه ژنتیکی باکتری ها یک سازند پویا است که می تواند شکل و ساختار ساختاری خود را تغییر دهد. فاقد هسته و دستگاه میتوز مشخصه هسته یک سلول یوکاریوتی است.
کروموزوم باکتریایی
در بیشتر موارد، کروموزوم های نوکلوئیدی باکتری شکل حلقه بسته ای دارند. کروموزوم های خطی بسیار کمتر رایج هستند. در هر صورت، این ساختارها از یک مولکول DNA تشکیل شده‌اند که شامل مجموعه‌ای از ژن‌های لازم برای بقای باکتری‌ها است.
DNA کروموزومی به شکل حلقه های ابرپیچ تکمیل می شود. تعداد حلقه‌ها در هر کروموزوم از 12 تا 80 متغیر است. هر کروموزوم یک شبیه‌سازی کامل است، زیرا زمانی که DNA دو برابر می‌شود به طور کامل کپی می‌شود. این فرآیند همیشه از مبدأ همانندسازی (OriC)، که به غشای پلاسمایی متصل است، شروع می‌شود.
طول کل یک مولکول DNA در یک کروموزوم چندین مرتبه بزرگتر از اندازه یک باکتری است، بنابراین بسته بندی آن با حفظ فعالیت عملکردی ضروری است.
در کروماتین یوکاریوتی، این وظایف توسط پروتئین های اصلی - هیستون ها انجام می شود. نوکلوئید باکتری حاوی پروتئین های متصل به DNA است که مسئول سازماندهی ساختاری ماده ژنتیکی است و همچنین بر بیان ژن و تکثیر DNA تأثیر می گذارد.
پروتئین های مرتبط با نوکلوئید عبارتند از:
- پروتئین های شبه هیستون HU، H-NS، FIS و IHF؛
- توپوایزومراز;
- پروتئین های خانواده SMC.
2 گروه آخر بیشترین تأثیر را بر روی ابرپیچ ماده ژنتیکی دارند.
خنثی سازی بارهای منفی DNA کروموزومی توسط پلی آمین ها و یون های منیزیم انجام می شود.
نقش بیولوژیکی نوکلوئید
اول از همه، نوکلوئید برای باکتری ها به منظور ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی و همچنین اجرای آن در سطح سنتز سلولی ضروری است. به عبارت دیگر نقش بیولوژیکی این سازند مانند DNA است.
سایر عملکردهای نوکلوئیدی باکتریایی عبارتند از:
- محلی سازی و فشرده سازی مواد ژنتیکی؛
- بسته بندی DNA عملکردی؛
- تنظیم متابولیسم.
ساختار DNA نه تنها به مولکول اجازه می دهد تا در یک سلول میکروسکوپی قرار گیرد، بلکه شرایطی را برای جریان طبیعی همانندسازی و فرآیندهای رونویسی ایجاد می کند.
ویژگی های سازماندهی مولکولی نوکلوئید شرایطی را برای کنترل متابولیسم سلولی با تغییر ترکیب DNA ایجاد می کند. تنظیم با حلقه کردن بخش های خاصی از کروموزوم به داخل سیتوپلاسم اتفاق می افتد، که آنها را برای آنزیم های رونویسی در دسترس قرار می دهد، یا برعکس، با کشیدن آنها به داخل.
روش‌های تشخیص
۳ راه برای تشخیص بصری نوکلوئید در باکتری ها وجود دارد:
- میکروسکوپ نوری؛
- میکروسکوپ کنتراست فاز؛
- میکروسکوپ الکترونی.
بسته به روشدر آماده سازی و روش تحقیق، نوکلوئید ممکن است متفاوت به نظر برسد.
میکروسکوپ نوری
برای تشخیص یک نوکلوئید با استفاده از میکروسکوپ نوری، ابتدا باکتری ها را رنگ آمیزی می کنند تا نوکلوئید رنگی متفاوت با بقیه محتویات سلولی داشته باشد، در غیر این صورت این ساختار قابل مشاهده نخواهد بود. همچنین تثبیت باکتری ها روی لام شیشه ای الزامی است (در این صورت میکروارگانیسم ها می میرند).
از طریق عدسی یک میکروسکوپ نوری، نوکلوئید شبیه یک سازند لوبیا شکل با مرزهای واضح است که بخش مرکزی سلول را اشغال می کند.
روش های رنگ آمیزی
در بیشتر موارد، روش های رنگ آمیزی زیر برای باکتری ها برای تجسم نوکلوئید با میکروسکوپ نوری استفاده می شود:
- به گفته رومانوفسکی-گیمسا؛
- روش فلگن.
هنگام رنگ آمیزی طبق رومانوفسکی-گیمسا، باکتری ها از قبل روی یک لام شیشه ای با متیل الکل ثابت می شوند و سپس به مدت 10-20 دقیقه آنها را با رنگی از مخلوط مساوی لاجورد، ائونین و متیلن بلو آغشته می کنند. حل شده در متانول. در نتیجه، نوکلوئید بنفش و سیتوپلاسم صورتی کم رنگ می شود. قبل از میکروسکوپ، لکه تخلیه می شود و لام با مقطر شسته و خشک می شود.
روش Feulgen از هیدرولیز اسید ضعیف استفاده می کند. در نتیجه، دئوکسی ریبوز آزاد شده به شکل آلدئید می رود و با اسید فوکسین سولفور معرف شیف برهمکنش می کند. در نتیجه، نوکلوئید قرمز و سیتوپلاسم آبی می شود.
میکروسکوپ کنتراست فاز
میکروسکوپ کنتراست فاز داردوضوح بالاتر از نور این روش نیازی به تثبیت و رنگ آمیزی آماده سازی ندارد - مشاهده برای باکتری های زنده انجام می شود. نوکلوئید در چنین سلول هایی مانند یک ناحیه بیضی روشن در پس زمینه سیتوپلاسم تیره به نظر می رسد. روش موثرتری را می توان با استفاده از رنگ های فلورسنت ایجاد کرد.
تشخیص نوکلوئید با میکروسکوپ الکترونی
2 راه برای آماده سازی آماده سازی برای آزمایش نوکلوئیدی در زیر میکروسکوپ الکترونی وجود دارد:
- برش فوق العاده نازک؛
- باکتری های منجمد را برش دهید.
در میکروگراف های الکترونی یک بخش بسیار نازک از یک باکتری، نوکلوئید به شکل ساختار شبکه ای متراکم متشکل از رشته های نازک ظاهر می شود که سبک تر از سیتوپلاسم اطراف به نظر می رسد.
در قسمتی از یک باکتری منجمد پس از رنگ آمیزی ایمنی، نوکلوئید شبیه ساختاری مرجانی با هسته متراکم و برآمدگی های نازکی است که به داخل سیتوپلاسم نفوذ می کند.
در عکس های الکترونیکی، نوکلوئید باکتری اغلب قسمت مرکزی سلول را اشغال می کند و حجم کمتری نسبت به یک سلول زنده دارد. این به دلیل قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی مورد استفاده برای تعمیر آماده سازی است.
