בניגוד לאאוקריוטים, לחיידקים אין גרעין נוצר, אבל ה-DNA שלהם אינו מפוזר בכל התא, אלא מרוכז במבנה קומפקטי הנקרא נוקלואיד. במונחים פונקציונליים, זה אנלוגי פונקציונלי של מנגנון גרעיני.
מהו נוקלואיד
נוקלואיד חיידקי הוא אזור בתאים שלהם המכיל חומר גנטי מובנה. בניגוד לגרעין האוקריוטי, הוא אינו מופרד על ידי קרום משאר התוכן התא ואין לו צורה קבועה. למרות זאת, המנגנון הגנטי של החיידקים מופרד בבירור מהציטופלזמה.
פירוש המונח עצמו הוא "דמוי גרעין" או "אזור גרעיני". מבנה זה התגלה לראשונה ב-1890 על ידי הזואולוג אוטו בוקלי, אך ההבדלים שלו מהמנגנון הגנטי של האוקריוטים זוהו כבר בתחילת שנות ה-50 הודות לטכנולוגיית מיקרוסקופ אלקטרונים. השם "נוקלואיד" מתאים למושג "כרומוזום חיידקי", אם האחרון כלול בתא בעותק בודד.
Nucleoid אינו כולל פלסמידיםהם אלמנטים חוץ-כרומוזומליים של הגנום החיידקי.
תכונות של נוקלואיד חיידקי
בדרך כלל, הנוקלואיד תופס את החלק המרכזי של תא החיידק ומכוון לאורך צירו. הנפח של מבנה קומפקטי זה אינו עולה על 0.5 מיקרון3, והמשקל המולקולרי משתנה בין 1×109 ל-3×109 דלטון. בנקודות מסוימות, הנוקלואיד קשור לממברנת התא.
הנוקלואיד החיידקי מכיל שלושה מרכיבים:
- DNA.
- חלבונים מבניים ורגולטוריים.
- RNA.
ל-DNA יש ארגון כרומוזומלי שונה מאיקריוט. לרוב, הנוקלואיד החיידקי מכיל כרומוזום אחד או מספר עותקים שלו (עם צמיחה פעילה, מספרם מגיע ל-8 או יותר). אינדיקטור זה משתנה בהתאם לסוג ולשלב של מחזור החיים של המיקרואורגניזם. לחיידקים מסוימים יש מספר כרומוזומים עם קבוצות שונות של גנים.
במרכז ה-DNA הנוקלואיד ארוז די בחוזקה. אזור זה אינו נגיש לריבוזומים, אנזימי שכפול ותעתוק. להיפך, לולאות ה-deoxyribonucleic של האזור ההיקפי של הנוקלואיד נמצאות במגע ישיר עם הציטופלזמה ומייצגות אזורים פעילים של הגנום החיידקי.
כמות מרכיב החלבון בנוקלואיד החיידקי אינה עולה על 10%, שזה בערך פי 5 פחות מאשר בכרומטין איקריוטי. רוב החלבונים קשורים ל-DNA ומשתתפים במבנה שלו. RNA הוא מוצרשעתוק של גנים חיידקיים, שמתבצע בפריפריה של הנוקלואיד.
המנגנון הגנטי של חיידקים הוא מבנה דינמי המסוגל לשנות את צורתו ומבנהו. הוא חסר את הגרעינים והמנגנון המיטוטי האופייניים לגרעין של תא איקריוטי.
כרומוזום חיידקי
ברוב המקרים, לכרומוזומי נוקלואיד חיידקים יש צורת טבעת סגורה. כרומוזומים לינאריים שכיחים הרבה פחות. בכל מקרה, מבנים אלו מורכבים ממולקולת DNA אחת, המכילה קבוצה של גנים הדרושים להישרדות החיידקים.
DNA כרומוזומלי הושלם בצורה של לולאות מפותלות. מספר הלולאות לכרומוזום משתנה בין 12 ל-80. כל כרומוזום הוא רפליקון מן המניין, שכן בעת הכפלת ה-DNA מועתק לחלוטין. תהליך זה מתחיל תמיד ממקור השכפול (OriC), המחובר לממברנת הפלזמה.
האורך הכולל של מולקולת DNA בכרומוזום גדול בכמה סדרי גודל מגודלו של חיידק, ולכן יש צורך לארוז אותו, אך תוך שמירה על פעילות תפקודית.
בכרומטין איקריוטי, משימות אלו מבוצעות על ידי החלבונים העיקריים - היסטונים. הנוקלואיד החיידקי מכיל חלבונים קושרים DNA שאחראים על הארגון המבני של החומר הגנטי, ומשפיעים גם על ביטוי גנים ושכפול DNA.
חלבונים הקשורים לגרעין כוללים:
- חלבונים דמויי היסטון HU, H-NS, FIS ו-IHF;
- topoisomerases;
- חלבונים ממשפחת SMC.
ל-2 הקבוצות האחרונות יש את ההשפעה הגדולה ביותר על סלילת העל של החומר הגנטי.
ניטרול המטענים השליליים של ה-DNA הכרומוזומלי מתבצע על ידי פוליאמינים ויוני מגנזיום.
התפקיד הביולוגי של הנוקלואיד
קודם כל, הנוקלואיד נחוץ לחיידקים על מנת לאחסן ולהעביר מידע תורשתי, כמו גם ליישם אותו ברמת הסינתזה הסלולרית. במילים אחרות, התפקיד הביולוגי של היווצרות זו זהה לזה של ה-DNA.
פונקציות נוקלואיד חיידקיות אחרות כוללות:
- לוקליזציה ודחיסה של חומר גנטי;
- אריזה פונקציונלית של DNA;
- ויסות של חילוף החומרים.
מבנה DNA לא רק מאפשר למולקולה להשתלב בתא מיקרוסקופי, אלא גם יוצר תנאים לזרימה נורמלית של תהליכי שכפול ותעתוק.
תכונות של הארגון המולקולרי של הנוקלואיד יוצרות תנאים לשליטה בחילוף החומרים התאי על ידי שינוי קונפורמציה של ה-DNA. ויסות מתרחש על ידי הוצאת חלקים מסוימים של הכרומוזום אל הציטופלזמה, מה שהופך אותם לזמינים עבור אנזימי שעתוק, או להיפך, על ידי משיכתם פנימה.
שיטות זיהוי
ישנן 3 דרכים לזיהוי חזותי של נוקלואיד בחיידקים:
- מיקרוסקופיה אור;
- מיקרוסקופ ניגודיות פאזה;
- מיקרוסקופיה אלקטרונית.
תלוי בשיטההכנת התכשיר ושיטת המחקר, הנוקלואיד עשוי להיראות אחרת.
מיקרוסקופיה אור
כדי לזהות נוקלואיד באמצעות מיקרוסקופ אור, חיידקים נצבעים באופן ראשוני כך שלנוקלואיד יש צבע שונה משאר התוכן התא, אחרת מבנה זה לא יהיה גלוי. כמו כן, חובה לתקן חיידקים על שקף זכוכית (במקרה זה מתים מיקרואורגניזמים).
באמצעות עדשת מיקרוסקופ אור, הנוקלואיד נראה כמו תצורה בצורת שעועית עם גבולות ברורים, התופסת את החלק המרכזי של התא.
שיטות צביעה
ברוב המקרים, נעשה שימוש בשיטות הצביעה הבאות עבור חיידקים כדי להמחיש את הנוקלואיד במיקרוסקופ אור:
- לפי רומנובסקי-גימסה;
- שיטת פלגן.
כאשר צובעים לפי רומנובסקי-גימסה, חיידקים מקובעים מראש על שקף זכוכית עם מתיל אלכוהול, ולאחר מכן במשך 10-20 דקות הם מוספגים בצבע מתערובת שווה של תכלת, אונין ומתילן כחול., מומס במתנול. כתוצאה מכך, הנוקלואיד הופך לסגול והציטופלזמה הופכת לוורודה חיוורת. לפני מיקרוסקופיה, הכתם מתנקז והשקופית נשטפת בתזקיק ומייבשת.
שיטת Feulgen משתמשת בהידרוליזה של חומצה חלשה. כתוצאה מכך, הדאוקסיריבוז המשוחרר עובר לצורת האלדהיד ומקיים אינטראקציה עם החומצה הפוקסין-גופרית של מגיב שיף. כתוצאה מכך, הנוקלואיד הופך לאדום, והציטופלזמה הופכת לכחול.
מיקרוסקופיה בניגוד שלב
למיקרוסקופ ניגודיות שלב ישרזולוציה גבוהה יותר מאשר אור. שיטה זו אינה מצריכה קיבוע וצביעה של התכשיר - התצפית מתבצעת בחיידקים חיים. הנוקלואיד בתאים כאלה נראה כמו אזור סגלגל בהיר על רקע ציטופלזמה כהה. ניתן ליצור שיטה יעילה יותר על ידי מריחת צבעים פלורסנטים.
זיהוי נוקלואיד עם מיקרוסקופ אלקטרוני
ישנן 2 דרכים להכין הכנה לבדיקת נוקלואיד במיקרוסקופ אלקטרוני:
- חתך דק במיוחד;
- חתוך חיידקים קפואים.
בצילומי אלקטרונים של קטע דק במיוחד של חיידק, לנוקלואיד יש מראה של מבנה רשת צפוף המורכב מחוטים דקים, שנראה קל יותר מהציטופלזמה שמסביב.
בקטע של חיידק קפוא לאחר צביעה חיסונית, הנוקלואיד נראה כמו מבנה דמוי אלמוגים עם ליבה צפופה ובליטות דקות החודרות לתוך הציטופלזמה.
בתצלומים אלקטרוניים, הגרעין של החיידקים תופס לרוב את החלק המרכזי של התא ויש לו נפח קטן יותר מאשר בתא חי. זה נובע מחשיפה לכימיקלים המשמשים לתיקון התכשיר.
