A differenza degli eucarioti, i batteri non hanno un nucleo formato, ma il loro DNA non è sparso nella cellula, ma è concentrato in una struttura compatta chiamata nucleoide. In termini funzionali, è un analogo funzionale di un apparato nucleare.
Cos'è un nucleoide
Un nucleoide batterico è una regione nelle loro cellule che contiene materiale genetico strutturato. A differenza del nucleo eucariotico, non è separato da una membrana dal resto del contenuto cellulare e non ha una forma permanente. Nonostante ciò, l'apparato genetico dei batteri è nettamente separato dal citoplasma.
Il termine stesso significa "simile a un nucleo" o "regione nucleare". Questa struttura fu scoperta per la prima volta nel 1890 dallo zoologo Otto Buchli, ma le sue differenze rispetto all'apparato genetico degli eucarioti furono individuate già all'inizio degli anni '50 grazie alla tecnologia della microscopia elettronica. Il nome "nucleoide" corrisponde al concetto di "cromosoma batterico", se quest'ultimo è contenuto in una cellula in un'unica copia.
Nucleoid non include plasmidi chesono elementi extracromosomici del genoma batterico.
Caratteristiche del nucleoide batterico
Di solito il nucleoide occupa la parte centrale della cellula batterica ed è orientato lungo il suo asse. Il volume di questa formazione compatta non supera 0,5 micron3 e il peso molecolare varia da 1×109 a 3×109 d alton. In certi punti, il nucleoide è legato alla membrana cellulare.
Il nucleoide batterico contiene tre componenti:
- DNA.
- Proteine strutturali e regolatorie.
- RNA.
Il DNA ha un'organizzazione cromosomica diversa da quella eucariotica. Molto spesso, il nucleoide batterico contiene un cromosoma o più copie di esso (con una crescita attiva, il loro numero raggiunge 8 o più). Questo indicatore varia a seconda del tipo e della fase del ciclo di vita del microrganismo. Alcuni batteri hanno più cromosomi con diversi insiemi di geni.
Al centro del nucleoide il DNA è stipato abbastanza strettamente. Questa zona è inaccessibile ai ribosomi, agli enzimi di replicazione e di trascrizione. Al contrario, le anse desossiribonucleiche della regione periferica del nucleoide sono a diretto contatto con il citoplasma e rappresentano regioni attive del genoma batterico.
La quantità della componente proteica nel nucleoide batterico non supera il 10%, che è circa 5 volte inferiore a quella della cromatina eucariotica. La maggior parte delle proteine sono associate al DNA e partecipano alla sua strutturazione. L'RNA è un prodottotrascrizione dei geni batterici, che viene effettuata alla periferia del nucleoide.
L'apparato genetico dei batteri è una formazione dinamica in grado di cambiare forma e conformazione strutturale. Manca dei nucleoli e dell'apparato mitotico caratteristici del nucleo di una cellula eucariotica.
Cromosoma batterico
Nella maggior parte dei casi, i cromosomi nucleoidi batterici hanno una forma ad anello chiuso. I cromosomi lineari sono molto meno comuni. In ogni caso, queste strutture sono costituite da un'unica molecola di DNA, che contiene un insieme di geni necessari alla sopravvivenza dei batteri.
Il DNA cromosomico è completato sotto forma di anse superavvolte. Il numero di anelli per cromosoma varia da 12 a 80. Ogni cromosoma è un vero e proprio replicone, poiché durante il raddoppio il DNA viene copiato interamente. Questo processo inizia sempre dall'origine della replicazione (OriC), che è attaccata alla membrana plasmatica.
La lunghezza totale di una molecola di DNA in un cromosoma è di diversi ordini di grandezza maggiore delle dimensioni di un batterio, quindi diventa necessario impacchettarlo, ma mantenendo l'attività funzionale.
Nella cromatina eucariotica, questi compiti sono svolti dalle principali proteine - gli istoni. Il nucleoide batterico contiene proteine che legano il DNA che sono responsabili dell'organizzazione strutturale del materiale genetico e influenzano anche l'espressione genica e la replicazione del DNA.
Le proteine associate ai nucleoidi includono:
- proteine simili all'istone HU, H-NS, FIS e IHF;
- topoisomerasi;
- proteine della famiglia SMC.
Gli ultimi 2 gruppi hanno la maggiore influenza sul superavvolgimento del materiale genetico.
La neutralizzazione delle cariche negative del DNA cromosomico viene effettuata da poliammine e ioni magnesio.
Il ruolo biologico del nucleoide
Prima di tutto, il nucleoide è necessario ai batteri per immagazzinare e trasmettere informazioni ereditarie, oltre che per implementarle a livello di sintesi cellulare. In altre parole, il ruolo biologico di questa formazione è lo stesso di quello del DNA.
Altre funzioni nucleoidi batteriche includono:
- localizzazione e compattazione del materiale genetico;
- packaging funzionale del DNA;
- regolazione del metabolismo.
La strutturazione del DNA non solo consente alla molecola di adattarsi a una cellula microscopica, ma crea anche le condizioni per il normale flusso dei processi di replicazione e trascrizione.
Le caratteristiche dell'organizzazione molecolare del nucleoide creano le condizioni per il controllo del metabolismo cellulare modificando la conformazione del DNA. La regolazione avviene espellendo alcune sezioni del cromosoma nel citoplasma, che le rende disponibili per gli enzimi di trascrizione, o viceversa, tirandole dentro.
Metodi di rilevamento
Ci sono 3 modi per rilevare visivamente un nucleoide nei batteri:
- microscopia ottica;
- microscopia a contrasto di fase;
- microscopia elettronica.
A seconda del metodola preparazione della preparazione e il metodo di ricerca, il nucleoide può avere un aspetto diverso.
Microscopia ottica
Per rilevare un nucleoide usando un microscopio ottico, i batteri vengono preliminarmente colorati in modo che il nucleoide abbia un colore diverso dal resto del contenuto cellulare, altrimenti questa struttura non sarà visibile. È anche obbligatorio fissare i batteri su un vetrino (in questo caso i microrganismi muoiono).
Attraverso la lente di un microscopio ottico, il nucleoide appare come una formazione a forma di fagiolo con confini chiari, che occupa la parte centrale della cellula.
Metodi di colorazione
Nella maggior parte dei casi, per visualizzare il nucleoide al microscopio ottico vengono utilizzati i seguenti metodi di colorazione dei batteri:
- secondo Romanovsky-Giemsa;
- Metodo Felgen.
Quando si colora secondo Romanovsky-Giemsa, i batteri vengono prefissati su un vetrino con alcol metilico, quindi per 10-20 minuti vengono impregnati con un colorante da una miscela uguale di azzurro, eonina e blu di metilene, disciolto in metanolo. Di conseguenza, il nucleoide diventa viola e il citoplasma diventa rosa pallido. Prima della microscopia, la macchia viene drenata e il vetrino viene lavato con distillato e asciugato.
Il metodo Feulgen utilizza un'idrolisi acida debole. Di conseguenza, il desossiribosio rilasciato passa nella forma aldeidica e interagisce con l'acido fucsina-solforoso del reagente di Schiff. Di conseguenza, il nucleoide diventa rosso e il citoplasma diventa blu.
Microscopia a contrasto di fase
La microscopia a contrasto di fase harisoluzione maggiore della luce. Questo metodo non richiede la fissazione e la colorazione del preparato: l'osservazione avviene per batteri vivi. Il nucleoide in tali cellule sembra un'area ovale chiara sullo sfondo del citoplasma scuro. Un metodo più efficace può essere realizzato applicando coloranti fluorescenti.
Rilevamento nucleoide con un microscopio elettronico
Ci sono 2 modi per preparare una preparazione per l'esame dei nucleoidi al microscopio elettronico:
- taglio ultrasottile;
- Taglia i batteri congelati.
Nelle micrografie elettroniche di una sezione ultrasottile di un batterio, il nucleoide ha l'aspetto di una struttura a rete densa costituita da filamenti sottili, che sembra più chiara del citoplasma circostante.
Su una sezione di un batterio congelato dopo l'immunocolorazione, il nucleoide appare come una struttura simile a un corallo con un nucleo denso e sottili sporgenze che penetrano nel citoplasma.
Nelle fotografie elettroniche, il nucleoide dei batteri occupa il più delle volte la parte centrale della cellula e ha un volume inferiore rispetto a una cellula vivente. Ciò è dovuto all'esposizione alle sostanze chimiche utilizzate per fissare il preparato.
