Im Gegensatz zu Eukaryoten haben Bakterien keinen geformten Kern, aber ihre DNA ist nicht in der ganzen Zelle verstreut, sondern in einer kompakten Struktur, die als Nukleoid bezeichnet wird, konzentriert. In funktioneller Hinsicht ist es ein funktionelles Analogon eines Nuklearapparats.
Was ist ein Nukleoid
Ein bakterielles Nukleoid ist eine Region in ihren Zellen, die strukturiertes genetisches Material enthält. Anders als der eukaryotische Zellkern ist er nicht durch eine Membran vom restlichen Zellinh alt getrennt und hat keine feste Form. Trotzdem ist der genetische Apparat der Bakterien klar vom Zytoplasma getrennt.
Der Begriff selbst bedeutet "kernähnlich" oder "nukleare Region". Diese Struktur wurde erstmals 1890 von dem Zoologen Otto Buchli entdeckt, aber ihre Unterschiede zum genetischen Apparat von Eukaryoten wurden dank elektronenmikroskopischer Technologie bereits in den frühen 1950er Jahren identifiziert. Der Name „Nukleoid“entspricht dem Begriff „bakterielles Chromosom“, wenn dieses in einer einzigen Kopie in einer Zelle enth alten ist.
Nucleoid enthält keine Plasmide, diesind extrachromosomale Elemente des Bakteriengenoms.
Eigenschaften von bakteriellen Nukleoiden
Normalerweise nimmt das Nukleoid den zentralen Teil der Bakterienzelle ein und ist entlang ihrer Achse orientiert. Das Volumen dieser kompakten Formation überschreitet nicht 0,5 Mikrometer3, und das Molekulargewicht variiert von 1×109 bis 3×109 D alton. An bestimmten Stellen wird das Nukleoid an die Zellmembran gebunden.
Das bakterielle Nukleoid besteht aus drei Komponenten:
- DNA.
- Strukturelle und regulatorische Proteine.
- RNA.
DNA hat eine chromosomale Organisation, die sich von der eukaryotischen unterscheidet. Am häufigsten enthält das bakterielle Nukleoid ein Chromosom oder mehrere Kopien davon (bei aktivem Wachstum erreicht ihre Anzahl 8 oder mehr). Dieser Indikator variiert je nach Art und Stadium des Lebenszyklus des Mikroorganismus. Einige Bakterien haben mehrere Chromosomen mit unterschiedlichen Gensätzen.
Im Zentrum des Nukleoids ist die DNA ziemlich dicht gepackt. Diese Zone ist für Ribosomen, Replikations- und Transkriptionsenzyme unzugänglich. Im Gegensatz dazu stehen die Desoxyribonukleinsäure-Schleifen der peripheren Region des Nukleoids in direktem Kontakt mit dem Zytoplasma und stellen aktive Regionen des Bakteriengenoms dar.
Die Menge der Proteinkomponente im bakteriellen Nukleoid überschreitet nicht 10%, was etwa 5-mal weniger ist als im eukaryotischen Chromatin. Die meisten Proteine sind mit der DNA assoziiert und nehmen an ihrer Strukturierung teil. RNA ist ein ProduktTranskription bakterieller Gene, die an der Peripherie des Nukleoids durchgeführt wird.
Der genetische Apparat von Bakterien ist eine dynamische Formation, die in der Lage ist, ihre Form und strukturelle Konformation zu ändern. Ihm fehlen die Kernkörperchen und der mitotische Apparat, die für den Kern einer eukaryotischen Zelle charakteristisch sind.
Bakterielles Chromosom
In den meisten Fällen haben bakterielle Nukleoidchromosomen eine geschlossene Ringform. Lineare Chromosomen sind viel seltener. In jedem Fall bestehen diese Strukturen aus einem einzigen DNA-Molekül, das eine Reihe von Genen enthält, die für das Überleben von Bakterien notwendig sind.
Chromosomale DNA wird in Form von superspiralisierten Schleifen vervollständigt. Die Anzahl der Schleifen pro Chromosom variiert zwischen 12 und 80. Jedes Chromosom ist ein vollwertiges Replikon, da bei der Verdopplung die DNA komplett kopiert wird. Dieser Prozess geht immer vom Replikationsursprung (OriC) aus, der an der Plasmamembran befestigt ist.
Die Gesamtlänge eines DNA-Moleküls in einem Chromosom ist um mehrere Größenordnungen größer als die Größe eines Bakteriums, daher wird es notwendig, es zu verpacken, aber unter Beibeh altung der funktionellen Aktivität.
Im eukaryontischen Chromatin werden diese Aufgaben von den Hauptproteinen - den Histonen - übernommen. Das bakterielle Nukleoid enthält DNA-bindende Proteine, die für die strukturelle Organisation des genetischen Materials verantwortlich sind und auch die Genexpression und DNA-Replikation beeinflussen.
Nukleoid-assoziierte Proteine umfassen:
- Histon-ähnliche Proteine HU, H-NS, FIS und IHF;
- Topoisomerasen;
- Proteine der SMC-Familie.
Die letzten 2 Gruppen haben den größten Einfluss auf das Supercoiling des Erbguts.
Die Neutralisierung der negativen Ladungen der chromosomalen DNA erfolgt durch Polyamine und Magnesiumionen.
Die biologische Rolle des Nukleoids
Zunächst ist das Nukleoid für Bakterien notwendig, um Erbinformationen zu speichern und weiterzugeben sowie auf der Ebene der Zellsynthese umzusetzen. Mit anderen Worten, die biologische Rolle dieser Formation ist dieselbe wie die der DNA.
Andere bakterielle Nukleoidfunktionen umfassen:
- Lokalisierung und Verdichtung von genetischem Material;
- funktionelle DNA-Verpackung;
- Regulation des Stoffwechsels.
DNA-Strukturierung ermöglicht nicht nur, dass das Molekül in eine mikroskopisch kleine Zelle passt, sondern schafft auch Bedingungen für den normalen Ablauf von Replikations- und Transkriptionsvorgängen.
Merkmale der molekularen Organisation des Nukleoids schaffen Bedingungen für die Kontrolle des Zellstoffwechsels durch Veränderung der DNA-Konformation. Die Regulation erfolgt, indem bestimmte Abschnitte des Chromosoms in das Zytoplasma ausgeschleust werden, das sie für Transkriptionsenzyme verfügbar macht, oder umgekehrt, indem sie hineingezogen werden.
Erkennungsmethoden
Es gibt 3 Möglichkeiten, ein Nukleoid in Bakterien visuell nachzuweisen:
- Lichtmikroskopie;
- Phasenkontrastmikroskopie;
- Elektronenmikroskopie.
Abhängig von der Methodeder Herstellung des Präparats und der Forschungsmethode kann das Nukleoid anders aussehen.
Lichtmikroskopie
Um ein Nukleoid mit einem Lichtmikroskop nachzuweisen, werden Bakterien vorläufig so gefärbt, dass das Nukleoid eine andere Farbe als der Rest des Zellinh alts hat, da sonst diese Struktur nicht sichtbar ist. Es ist auch obligatorisch, Bakterien auf einem Objektträger zu fixieren (in diesem Fall sterben Mikroorganismen ab).
Durch die Linse eines Lichtmikroskops sieht das Nukleoid wie eine bohnenförmige Formation mit klaren Grenzen aus, die den zentralen Teil der Zelle einnimmt.
Färbemethoden
In den meisten Fällen werden die folgenden Färbemethoden für Bakterien verwendet, um das Nukleoid durch Lichtmikroskopie sichtbar zu machen:
- nach Romanovsky-Giemsa;
- Felgen-Methode.
Bei der Färbung nach Romanovsky-Giemsa werden Bakterien auf einem Glasobjektträger mit Methylalkohol vorfixiert und dann für 10-20 Minuten mit einem Farbstoff aus einer gleichen Mischung aus Azur, Eonin und Methylenblau imprägniert, gelöst in Methanol. Als Ergebnis wird das Nukleoid violett und das Zytoplasma wird blassrosa. Vor der Mikroskopie wird die Färbung abgelassen und der Objektträger mit Destillat gewaschen und getrocknet.
Das Feulgen-Verfahren verwendet eine schwache Säurehydrolyse. Dadurch geht die freigesetzte Desoxyribose in die Aldehydform über und tritt mit der fuchsinschwefeligen Säure des Schiff-Reagenz in Wechselwirkung. Dadurch wird das Nukleoid rot und das Zytoplasma blau.
Phasenkontrastmikroskopie
Phasenkontrastmikroskopie hathöhere Auflösung als Licht. Diese Methode erfordert keine Fixierung und Färbung des Präparats – die Beobachtung erfolgt für lebende Bakterien. Das Nukleoid in solchen Zellen sieht vor dem Hintergrund des dunklen Zytoplasmas wie ein heller ovaler Bereich aus. Eine effektivere Methode kann durch Auftragen von fluoreszierenden Farbstoffen erreicht werden.
Nukleoid-Nachweis mit einem Elektronenmikroskop
Es gibt 2 Möglichkeiten, ein Präparat für die Nukleoiduntersuchung unter einem Elektronenmikroskop vorzubereiten:
- ultradünner Schnitt;
- Gefrorene Bakterien schneiden.
In elektronenmikroskopischen Aufnahmen eines ultradünnen Schnitts eines Bakteriums sieht das Nukleoid aus wie eine dichte Netzwerkstruktur aus dünnen Filamenten, die heller aussieht als das umgebende Zytoplasma.
Auf einem Schnitt eines gefrorenen Bakteriums nach Immunfärbung sieht das Nukleoid aus wie eine korallenartige Struktur mit einem dichten Kern und dünnen Vorsprüngen, die in das Zytoplasma eindringen.
In elektronischen Fotografien nimmt das Nukleoid von Bakterien meistens den zentralen Teil der Zelle ein und hat ein kleineres Volumen als in einer lebenden Zelle. Dies ist auf die Exposition gegenüber den Chemikalien zurückzuführen, die zur Fixierung des Präparats verwendet werden.
