Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кристаллическая структура β-глюкозидазы из Thermotoga neapolitana (PDB: 5IDI ). Термостабильный протеин, активный при 80 ° C и с температурой разворачивания 101 ° C. [1]

Термостабильность - это свойство вещества сопротивляться необратимым изменениям в его химической или физической структуре, часто за счет сопротивления разложению или полимеризации при высокой относительной температуре.

Термостойкие материалы могут использоваться в промышленности в качестве антипиренов . Термостабильный пластик , необычное и нетрадиционное термин, скорее всего, относится к термореактивному пластику , который не может быть реконструированными при нагревании, чем к термопласту , который может быть переплавленным и переделкой.

Термостабильность также является свойством некоторых белков. Быть термостабильным белком означает быть устойчивым к изменениям в структуре белка из-за воздействия тепла.

Термостабильные белки [ править ]

При добавлении тепла это разрушает внутримолекулярные связи, обнаруженные в третичной структуре белков, в результате чего белок разворачивается и становится неактивным.

Большинство форм жизни на Земле живут при температурах ниже 50 ° C, обычно от 15 до 50 ° C. Внутри этих организмов находятся макромолекулы (белки и нуклеиновые кислоты), которые образуют трехмерные структуры, необходимые для их ферментативной активности. [2] Выше естественной температуры организма тепловая энергия может вызвать разворачивание и денатурацию , так как тепло может разрушить внутримолекулярные связи в третичной и четвертичной структуре. Это развертывание приведет к потере ферментативной активности, что по понятным причинам вредно для продолжающихся жизненных функций. Примером этого является денатурирование белков в белке из прозрачной, почти бесцветной жидкости в непрозрачный белый нерастворимый гель.

Белки, способные выдерживать такие высокие температуры по сравнению с белками, которые не могут, обычно происходят от микроорганизмов, которые являются гипертермофилами. Такие организмы могут выдерживать температуру выше 50 ° C, поскольку обычно живут в среде с температурой 85 ° C и выше. [3] Существуют определенные термофильные формы жизни, которые могут выдерживать температуры выше этой, и имеют соответствующие приспособления для сохранения функции белков при этих температурах. [4] Они могут включать измененные объемные свойства клетки для стабилизации всех белков [5] и специфические изменения отдельных белков. Сравнение гомологичныхБелки, присутствующие в этих термофилах и других организмах, обнаруживают некоторые различия в структуре белка. Одно заметное отличие - наличие дополнительных водородных связей в белках термофила, что означает, что структура белка более устойчива к разворачиванию. Точно так же термостабильные белки богаты солевыми мостиками или / и дополнительными дисульфидными мостиками, стабилизирующими структуру. [6] [7] Другими факторами термостабильности белка являются компактность структуры белка, [8] олигомеризация [9] и сила взаимодействия между субъединицами.

Использование и приложения [ править ]

Полимеразные цепные реакции [ править ]

Термостабильные ферменты, такие как полимераза Taq и ДНК-полимераза Pfu , используются в полимеразных цепных реакциях (ПЦР), где температуры 94 ° C или выше используются для расплавления цепей ДНК на стадии денатурации ПЦР. [10] Эта устойчивость к высокой температуре позволяет ДНК-полимеразе удлинять ДНК с желаемой интересующей последовательностью в присутствии дНТФ.

Очистка белков [ править ]

Знание устойчивости ферментов к высоким температурам особенно полезно при очистке белков . В процессе тепловой денатурации смесь белков можно подвергнуть воздействию высоких температур, что приведет к денатурации белков, которые не являются термостабильными, и выделению белка, который является термодинамически стабильным. Один из ярких примеров этого - очистка щелочной фосфатазы от гипертермофила Pyrococcus abyssi . Этот фермент известен своей термостабильностью при температурах выше 95 ° C и поэтому может быть частично очищен нагреванием при гетерологичной экспрессии в E. coli . [11] Повышение температуры вызывает кишечную палочку.белки осаждаются, в то время как щелочная фосфатаза P. abyssi стабильно остается в растворе.

Гликозид гидролазы [ править ]

Другой важной группой термостабильных ферментов являются гликозидгидролазы . Эти ферменты ответственны за разложение основной части биомассы, полисахаридов, присутствующих в крахмале и лигноцеллюлозе. Таким образом, гликозидгидролазы приобретают большой интерес для применения в области биопереработки в биоэкономике будущего. [12] Некоторыми примерами являются производство моносахаридов для пищевых продуктов, а также использование в качестве источника углерода для микробного преобразования топлива (этанол) и химических промежуточных продуктов, производство олигосахаридов для пребиотических применений и производство поверхностно-активных веществ алкилгликозидного типа. Все эти процессы часто включают термическую обработку для облегчения гидролиза полисахаридов, что дает термостабильные вариантыгликозидгидролазы играют важную роль в этом контексте.

Подходы к повышению термостабильности белков [ править ]

Белковая инженерия может быть использована для повышения термостабильности белков. Ряд сайт-направленного и случайного мутагенеза методов, [13] [14] в дополнение к направленной эволюции , [15] , были использованы для увеличения термостабильности белков - мишеней. Сравнительные методы были использованы для повышения стабильности мезофильных белков на основе сравнения с термофильными гомологами. [16] [17] [18] [19] Кроме того, анализ разворачивания белка методом молекулярной динамикиможно использовать для понимания процесса разворачивания, а затем для разработки стабилизирующих мутаций. [20] Рациональная инженерия белков для повышения термостабильности белков включает мутации, которые усекают петли, увеличивают солевые мостики [21] или водородные связи, вводят дисульфидные связи . [22] Кроме того, связывание лиганда может повысить стабильность белка, особенно после очистки. [23]Существуют различные силы, которые обеспечивают термостабильность конкретного белка. Эти силы включают гидрофобные взаимодействия, электростатические взаимодействия и наличие дисульфидных связей. Общее количество гидрофобности, присутствующей в конкретном белке, отвечает за его термостабильность. Другой тип силы, ответственной за термостабильность белка, - это электростатические взаимодействия между молекулами. Эти взаимодействия включают солевые мостики и водородные связи. Солевые мостики не подвержены воздействию высоких температур, поэтому необходимы для стабильности белков и ферментов. Третья сила, используемая для повышения термостабильности белков и ферментов, - это наличие дисульфидных связей. Они представляют собой ковалентные поперечные связи между полипептидными цепями. Эти связи самые прочные, потому что они ковалентные,делая их сильнее, чем межмолекулярные силы.[24]

Термостабильные токсины [ править ]

Некоторые ядовитые грибы содержат термостабильные токсины , такие как аматоксин, содержащийся в смертельной шапочке и осенних грибах, и патулин из плесени. Таким образом, нагревание этих продуктов не устранит токсичность и особенно важно для безопасности пищевых продуктов. [25]

См. Также [ править ]

Термофилы
  • Термус термофильный
  • Thermus aquaticus
  • Pyrococcus furiosus

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кулкарни TS, Хан S, Villagomez Р, Т Mahmood, Линдаль S, Логан ДТ, Линарес-Pastén JA, Нордберг Карлссон E (май 2017 г.). «Кристаллическая структура β-глюкозидазы 1A из Thermotoga neapolitana и сравнение мутантов активного центра для гидролиза флавоноидных глюкозидов». Белки . 85 (5): 872–884. DOI : 10.1002 / prot.25256 . PMID  28142197 .
  2. ^ Кандхари, Нитика; Синха, Сомдатта (26 июня 2017 г.). «Комплексный сетевой анализ термостабильных мутантов липазы A Bacillus subtilis» . Прикладная сетевая наука . 2 (1): 18. doi : 10.1007 / s41109-017-0039-у . ISSN 2364-8228 . PMC 6214246 . PMID 30443573 .   
  3. ^ Дэнсон MJ, Хаф DW, Рассел RJ, Taylor GL, Pearl L (август 1996). «Термостабильность и термоактивность ферментов» . Белковая инженерия . 9 (8): 629–30. DOI : 10,1093 / белок / 9.8.629 . PMID 8875639 . 
  4. ↑ Takami H, Takaki Y, Chee GJ, Nishi S, Shimamura S, Suzuki H, Matsui S, Uchiyama I (2004). «Признак термоадаптации, выявленный последовательностью генома термофильных Geobacillus kaustophilus» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (21): 6292–303. DOI : 10.1093 / NAR / gkh970 . PMC 535678 . PMID 15576355 .  
  5. ↑ Neves C, da Costa MS, Santos H (декабрь 2005 г.). «Совместимые растворенные вещества гипертермофила Palaeococcus ferrophilus: осмоадаптация и термоадаптация в порядке термококсов» . Прикладная и экологическая микробиология . 71 (12): 8091–8. DOI : 10,1128 / AEM.71.12.8091-8098.2005 . PMC 1317470 . PMID 16332790 .  
  6. ↑ Das R, Gerstein M (май 2000 г.). «Стабильность термофильных белков: исследование, основанное на всестороннем сравнении геномов». Функциональная и интегративная геномика . 1 (1): 76–88. DOI : 10.1007 / s101420000003 . PMID 11793224 . 
  7. ^ Мацумура М, Becktel WJ, Levitt M, Matthews BW (сентябрь 1989). «Стабилизация лизоцима фага Т4 с помощью сконструированных дисульфидных связей» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 86 (17): 6562–6. Bibcode : 1989PNAS ... 86.6562M . DOI : 10.1073 / pnas.86.17.6562 . PMC 297884 . PMID 2671995 .  
  8. ^ Томпсон MJ, Eisenberg D (июль 1999). «Транспротеомные доказательства механизма удаления петли для повышения термостабильности белка» . Журнал молекулярной биологии . 290 (2): 595–604. DOI : 10.1006 / jmbi.1999.2889 . PMID 10390356 . 
  9. ^ Танака У, Tsumoto К, Ясутаки Y, Umetsu М, Яо М, Фукада Н, Танака I, Кумагай I (июль 2004 г.). «Как олигомеризация способствует термостабильности белка архей. Белок L-изоаспартил-О-метилтрансфераза из Sulfolobus tokodaii» . Журнал биологической химии . 279 (31): 32957–67. DOI : 10.1074 / jbc.M404405200 . PMID 15169774 . 
  10. ^ Сайки Р.К., Гельфанд Д.Х., Стоффель С., Шарф С.Дж., Хигучи Р., Хорн Г.Т., Маллис КБ, Эрлих ГА (январь 1988 г.). «Праймер-направленная ферментативная амплификация ДНК с термостабильной ДНК-полимеразой». Наука . 239 (4839): 487–91. Bibcode : 1988Sci ... 239..487S . DOI : 10.1126 / science.239.4839.487 . PMID 2448875 . 
  11. ^ Заппа S, Роллан ДЛ, Flament D, Gueguen Y, Boudrant J, J Дитрих (октябрь 2001 г.). «Характеристика высокотермостабильной щелочной фосфатазы из эвриархеи Pyrococcus abyssi» . Прикладная и экологическая микробиология . 67 (10): 4504–11. DOI : 10,1128 / AEM.67.10.4504-4511.2001 . PMC 93196 . PMID 11571149 .  
  12. ^ Линарес-Пастен, JA; Андерссон, М; Нордберг Карлссон, Э (2014). «Термостабильные гликозидгидролазы в технологиях биопереработки» . Текущая биотехнология . 3 (1): 26–44. DOI : 10.2174 / 22115501113026660041 .
  13. ^ Саркаром CA, Dodevski I, Кениг M, Dudli S, Mohr A, E Германс, Pluckthun A (сентябрь 2008). «Направленная эволюция рецептора, связанного с G-белком, для экспрессии, стабильности и селективности связывания» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (39): 14808–13. Bibcode : 2008PNAS..10514808S . DOI : 10.1073 / pnas.0803103105 . PMC 2567449 . PMID 18812512 .  
  14. ^ Asial я, Ченг YX, Энгман Н, Dollhopf М, В В, Нордлунд Р, Т Cornvik (2013). «Разработка термостабильности белка с использованием универсального независимого от активности биофизического экрана внутри клетки» . Nature Communications . 4 : 2901. Bibcode : 2013NatCo ... 4.2901A . DOI : 10.1038 / ncomms3901 . PMID 24352381 . 
  15. ^ Hoseki Дж, Яно Т, Койяма Y, Kuramitsu S, Kagamiyama Н (ноябрь 1999 года). «Направленная эволюция термостабильного гена устойчивости к канамицину: удобный селекционный маркер для Thermus thermophilus». Журнал биохимии . 126 (5): 951–6. DOI : 10.1093 / oxfordjournals.jbchem.a022539 . PMID 10544290 . 
  16. ^ Сайед А, Ghazy М.А., Феррейра AJ, Сетубал JC, Chambergo FS, Ouf А, Адель М, Доу А.С., Арчер Ю.А., Баич В.Б., Siam R, Эль-Dorry Н (январь 2014). «Новая редуктаза ртути из уникальной глубоководной морской среды Атлантиды II в Красном море» . Журнал биологической химии . 289 (3): 1675–87. DOI : 10.1074 / jbc.M113.493429 . PMC 3894346 . PMID 24280218 .  
  17. ↑ Perl D, Mueller U, Heinemann U, Schmid FX (май 2000 г.). «Два открытых аминокислотных остатка придают термостабильность белку холодового шока». Структурная биология природы . 7 (5): 380–3. DOI : 10.1038 / 75151 . PMID 10802734 . 
  18. ^ Lehmann M, L Pasamontes, Лассен SF, Висс M (декабрь 2000). «Консенсусная концепция инженерии термостабильности белков». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология . 1543 (2): 408–415. DOI : 10.1016 / s0167-4838 (00) 00238-7 . PMID 11150616 . 
  19. ^ Sauer DB, Karpowich Н.К., Song JM, Ван Ду (октябрь 2015). «Быстрая биоинформатическая идентификация термостабилизирующих мутаций» . Биофизический журнал . 109 (7): 1420–8. Bibcode : 2015BpJ ... 109.1420S . DOI : 10.1016 / j.bpj.2015.07.026 . PMC 4601007 . PMID 26445442 .  
  20. ^ Лю HL, Ван WC (январь 2003). «Белковая инженерия для улучшения термостабильности глюкоамилазы из Aspergillus awamori на основе моделирования молекулярной динамики» . Белковая инженерия . 16 (1): 19–25. DOI : 10,1093 / proeng / gzg007 . PMID 12646689 . 
  21. Перейти ↑ Lee CW, Wang HJ, Hwang JK, Tseng CP (2014). «Повышение термостабильности белков за счет создания солевых мостиков: комбинированное вычислительное и экспериментальное исследование» . PLOS ONE . 9 (11): e112751. Bibcode : 2014PLoSO ... 9k2751L . DOI : 10.1371 / journal.pone.0112751 . PMC 4231051 . PMID 25393107 .  
  22. ^ Мансфельд Дж, Vriend G, Дейкстр BW, Велтман ИЛИ, ван ден Бург Б, Г Венемы, Улбрич-Хофман R, Eijsink В.Г. (апрель 1997 г.). «Чрезвычайная стабилизация термолизин-подобной протеазы с помощью сконструированной дисульфидной связи» . Журнал биологической химии . 272 (17): 11152–6. DOI : 10.1074 / jbc.272.17.11152 . PMID 9111013 . 
  23. ^ Mancusso R, Karpowich NK, Чижевский BK, Ван Ду (декабрь 2011). «Простой метод скрининга для улучшения термостабильности мембранного белка» . Методы . 55 (4): 324–9. DOI : 10.1016 / j.ymeth.2011.07.008 . PMC 3220791 . PMID 21840396 .  
  24. ^ Tigerström, Анна (2005). «Термостабильность белков». BIOS . 76 (1): 22–27. DOI : 10,1893 / 0005-3155 (2005) 076 [0022: TBFTOP] 2.0.CO; 2 . JSTOR 4608725 . 
  25. ^ «FDA: Заплесневелый яблочный соус, переупакованный поставщиком школьных обедов» . NBC News . NBC News . Проверено 15 апреля 2015 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Термостабильность белков