stringtranslate.com

Термостабильность

Кристаллическая структура β- глюкозидазы из Thermotoga neapolitana (PDB: 5IDI). Термостабильный белок, активный при 80°C и с температурой разворачивания 101°C. [1]

В материаловедении и молекулярной биологии термостабильность — это способность вещества противостоять необратимым изменениям своей химической или физической структуры, часто за счет сопротивления разложению или полимеризации , при высокой относительной температуре .

Термостойкие материалы могут использоваться в промышленности в качестве антипиренов . Термостойкий пластик , необычный и нетрадиционный термин, скорее относится к термореактивному пластику , который не может быть изменен при нагревании, чем к термопластику , который можно переплавить и перелить.

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

Термостабильные белки

При нагревании разрушаются внутримолекулярные связи 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 развертывание и денатурацию , поскольку тепло может разрушить внутримолекулярные связи в третичной и четвертичной структуре. Это развертывание приведет к потере ферментативной активности, что, по понятным причинам, пагубно для продолжения жизненных функций. Примером этого является денатурация белков в альбумине из прозрачной, почти бесцветной жидкости в непрозрачный белый, нерастворимый гель.

Белки, способные выдерживать такие высокие температуры по сравнению с белками, которые не могут, как правило, происходят из микроорганизмов, которые являются гипертермофилами. Такие организмы могут выдерживать температуры выше 50 °C, поскольку они 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 адаптации для сохранения функции белка при этих температурах. [4] Они могут включать измененные объемные свойства клетки для стабилизации всех белков, [5] и специфические изменения отдельных белков. Сравнение гомологичных белков, присутствующих в этих термофилах и других организмах, выявляет некоторые различия в структуре белка. Одним из заметных отличий является наличие дополнительных водородных связей в белках термофилов, что означает, что структура белка более устойчива к развертыванию. Аналогично, 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 прочность взаимодействия между субъединицами.

Использование и применение

Полимеразная цепная реакция

Термостабильные ДНК-полимеразы, такие как Taq-полимераза и Pfu-ДНК-полимераза, используются в полимеразных цепных реакциях (ПЦР), где температуры 94 °C или выше используются для плавления цепей ДНК на этапе денатурации ПЦР. [10] Эта устойчивость к высоким температурам позволяет ДНК-полимеразе удлинять ДНК с желаемой интересующей последовательностью в присутствии dNTP.

Кормовые добавки

Ферменты часто добавляются в корм для животных, чтобы улучшить здоровье и рост сельскохозяйственных животных, особенно кур и свиней. Корм ​​обычно обрабатывается паром под высоким давлением, чтобы убить бактерии, такие как сальмонелла . Поэтому добавленные ферменты (например, фитаза и ксиланаза ) должны выдерживать это термическое воздействие без необратимой инактивации. [11]

Очистка белка

Знание устойчивости фермента к высоким температурам особенно полезно при очистке белков . В процедуре тепловой денатурации можно подвергнуть смесь белков воздействию высоких температур, что приведет к денатурации белков, которые не являются термостабильными, и выделению белка, который является термодинамически стабильным. Один из примечательных примеров этого обнаружен при очистке щелочной фосфатазы из гипертермофила Pyrococcus abyssi . Этот фермент известен своей термостабильностью при температурах выше 95 °C и, следовательно, может быть частично очищен нагреванием при гетерологической экспрессии в E. coli . [12] Повышение температуры приводит к осаждению белков E. coli , в то время как щелочная фосфатаза P. abyssi остается стабильной в растворе.

Гликозидгидролазы

Другая важная группа термостабильных ферментов — гликозидгидролазы . Эти ферменты отвечают за деградацию основной фракции биомассы, полисахаридов, присутствующих в крахмале и лигноцеллюлозе. Таким образом, гликозидгидролазы приобретают большой интерес в биоочистке в биоэкономике будущего. [13] Некоторые примеры — это производство моносахаридов для пищевых целей, а также использование в качестве источника углерода для микробной конверсии в топлива (этанол) и химические промежуточные продукты, производство олигосахаридов для пребиотических целей и производство поверхностно-активных веществ алкилгликозидного типа. Все эти процессы часто включают термическую обработку для облегчения гидролиза полисахаридов, поэтому термостабильные варианты гликозидгидролаз играют важную роль в этом контексте.

Подходы к улучшению термостабильности белков

Белковая инженерия может быть использована для повышения термостабильности белков. Ряд методов сайт-направленного и случайного мутагенеза , [14] [15] в дополнение к направленной эволюции , [16] были использованы для повышения термостабильности целевых белков. Сравнительные методы были использованы для повышения стабильности мезофильных белков на основе сравнения с термофильными гомологами. [17] [18] [19] [20] Кроме того, анализ разворачивания белка с помощью молекулярной динамики может быть использован для понимания процесса разворачивания, а затем для проектирования стабилизирующих мутаций. [21] Рациональная белковая инженерия для повышения термостабильности белка включает мутации, которые укорачивают петли, увеличивают солевые мостики [22] или водородные связи, вводят дисульфидные связи . [23] Кроме того, связывание лиганда может повысить стабильность белка, особенно при очистке. [24] 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, который отвечает за термостабильность белка, — это электростатические взаимодействия между молекулами. Эти взаимодействия включают солевые мостики и водородные связи. Солевые мостики не подвержены влиянию высоких температур, поэтому они необходимы для стабильности белка и фермента. Третья сила, используемая для повышения термостабильности в белках и ферментах, — это наличие дисульфидных связей. Они представляют собой ковалентные поперечные связи между полипептидными цепями. Эти связи являются самыми прочными, поскольку они являются ковалентными связями, что делает их прочнее межмолекулярных сил. [25] Гликозилирование — это еще один способ улучшить термостабильность белков. Стереоэлектронные эффекты в стабилизирующих взаимодействиях между углеводом и белком могут привести к термостабилизации гликозилированного белка. [26] Циклизация ферментов путем ковалентного связывания N-конца с C-концом применялась для повышения термостабильности многих ферментов. Циклизация интеина и циклизация SpyTag/SpyCatcher часто использовались. [27] [28]

Термостабильные токсины

Некоторые ядовитые грибы содержат термостабильные токсины , такие как аматоксин , обнаруженный в бледной поганке и осенних шляпочных грибах , а также патулин из плесени. Поэтому применение тепла к ним не устранит токсичность и вызывает особую озабоченность с точки зрения безопасности пищевых продуктов. [29]

Смотрите также

Термофилы

Ссылки

  1. ^ Кулкарни ТС, Хан С, Виллагомес Р, Махмуд Т, Линдаль С, Логан ДТ и др. (Май 2017). «Кристаллическая структура β-глюкозидазы 1А из Thermotoga neapolitana и сравнение мутантов активного сайта для гидролиза флавоноидных глюкозидов». Белки . 85 (5): 872–884. doi :10.1002/prot.25256. PMID  28142197. S2CID  27832389.
  2. ^ Kandhari N, Sinha S (26 июня 2017 г.). "Комплексный сетевой анализ термостабильных мутантов липазы A Bacillus subtilis". Applied Network Science . 2 (1): 18. doi :10.1007/s41109-017-0039-y. PMC 6214246 . PMID  30443573. 
  3. ^ Danson MJ, Hough DW, Russell RJ, Taylor GL, Pearl L (август 1996). «Термостабильность и термоактивность ферментов». Protein Engineering . 9 (8): 629–630. doi : 10.1093/protein/9.8.629 . PMID  8875639.
  4. ^ Takami H, Takaki Y, Chee GJ, Nishi S, Shimamura S, Suzuki H и др. (2004). «Признак термоадаптации, выявленный с помощью последовательности генома термофильного Geobacillus kaustophilus». Nucleic Acids Research . 32 (21): 6292–6303. doi :10.1093/nar/gkh970. PMC 535678. PMID  15576355 . 
  5. ^ Neves C, da Costa MS, Santos H (декабрь 2005 г.). «Совместимые растворы гипертермофила Palaeococcus ferrophilus: осмоадаптация и термоадаптация в порядке термококков». Applied and Environmental Microbiology . 71 (12): 8091–8098. Bibcode :2005ApEnM..71.8091N. doi :10.1128/AEM.71.12.8091-8098.2005. PMC 1317470 . PMID  16332790. 
  6. ^ Das R, Gerstein M (май 2000). «Стабильность термофильных белков: исследование, основанное на комплексном сравнении геномов». Functional & Integrative Genomics . 1 (1): 76–88. doi :10.1007/s101420000003. PMID  11793224. S2CID  2717885.
  7. ^ Matsumura M, Becktel WJ, Levitt M, Matthews BW (сентябрь 1989 г.). «Стабилизация лизоцима фага T4 с помощью сконструированных дисульфидных связей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 86 (17): 6562–6566. Bibcode : 1989PNAS...86.6562M. doi : 10.1073 /pnas.86.17.6562 . PMC 297884. PMID  2671995. 
  8. ^ Томпсон М.Дж., Эйзенберг Д. (июль 1999 г.). «Транспротеомное доказательство механизма удаления петли для повышения термостабильности белка». Журнал молекулярной биологии . 290 (2): 595–604. doi :10.1006/jmbi.1999.2889. PMID  10390356.
  9. ^ Tanaka Y, Tsumoto K, Yasutake Y, Umetsu M, Yao M, Fukada H и др. (Июль 2004 г.). «Как олигомеризация способствует термостабильности белка археи. Белковая L-изоаспартил-O-метилтрансфераза из Sulfolobus tokodaii». Журнал биологической химии . 279 (31): 32957–32967. doi : 10.1074/jbc.M404405200 . PMID  15169774.
  10. ^ Saiki RK, Gelfand DH, Stoffel S, Scharf SJ, Higuchi R, Horn GT и др. (январь 1988 г.). «Праймер-направленная ферментативная амплификация ДНК с помощью термостабильной ДНК-полимеразы». Science . 239 (4839): 487–491. Bibcode :1988Sci...239..487S. doi :10.1126/science.239.4839.487. PMID  2448875.
  11. ^ Corrêa TL, de Araújo EF (сентябрь 2020 г.). «Грибные фитазы: от генов к применению». Бразильский журнал микробиологии . 51 (3): 1009–1020. doi :10.1007/s42770-020-00289-y. PMC 7455620. PMID  32410091 . 
  12. ^ Zappa S, Rolland JL, Flament D, Gueguen Y, Boudrant J, Dietrich J (октябрь 2001 г.). «Характеристика высокотермостабильной щелочной фосфатазы из эуриархеона Pyrococcus abyssi». Applied and Environmental Microbiology . 67 (10): 4504–4511. Bibcode : 2001ApEnM..67.4504Z. doi : 10.1128 /AEM.67.10.4504-4511.2001. PMC 93196. PMID  11571149. 
  13. ^ Linares-Pasten JA, Andersson M, N Karlsson E (2014). «Термостабильные гликозидгидролазы в технологиях биопереработки». Current Biotechnology . 3 (1): 26–44. doi :10.2174/22115501113026660041.
  14. ^ Sarkar CA, Dodevski I, Kenig M, Dudli S, Mohr A, Hermans E, Plückthun A (сентябрь 2008 г.). «Направленная эволюция рецептора, связанного с G-белком, для экспрессии, стабильности и селективности связывания». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (39): 14808–14813. Bibcode : 2008PNAS..10514808S. doi : 10.1073/pnas.0803103105 . PMC 2567449. PMID  18812512 . 
  15. ^ Asial I, Cheng YX, Engman H, Dollhopf M, Wu B, Nordlund P, Cornvik T (2013). «Инженерная термостабильность белков с использованием общего биофизического экрана, независимого от активности, внутри клетки». Nature Communications . 4 : 2901. Bibcode : 2013NatCo...4.2901A. doi : 10.1038/ncomms3901 . PMID  24352381.
  16. ^ Hoseki J, Yano T, Koyama Y, Kuramitsu S, Kagamiyama H (ноябрь 1999 г.). «Направленная эволюция термостабильного гена устойчивости к канамицину: удобный маркер селекции для Thermus thermophilus». Журнал биохимии . 126 (5): 951–956. doi :10.1093/oxfordjournals.jbchem.a022539. PMID  10544290.
  17. ^ Sayed A, Ghazy MA, Ferreira AJ, Setubal JC, Chambergo FS, Ouf A и др. (январь 2014 г.). «Новая ртутная редуктаза из уникальной глубоководной соленой среды Атлантиды II в Красном море». Журнал биологической химии . 289 (3): 1675–1687. doi : 10.1074/jbc.M113.493429 . PMC 3894346. PMID  24280218 . 
  18. ^ Perl D, Mueller U, Heinemann U, Schmid FX (май 2000). «Два открытых аминокислотных остатка придают термостабильность белку холодового шока». Nature Structural Biology . 7 (5): 380–383. doi :10.1038/75151. PMID  10802734. S2CID  21850845.
  19. ^ Леманн М., Пасамонтес Л., Лассен С.Ф., Висс М. (декабрь 2000 г.). «Консенсусная концепция разработки термостабильности белков». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология . 1543 (2): 408–415. дои : 10.1016/s0167-4838(00)00238-7. ПМИД  11150616.
  20. ^ Sauer DB, Karpowich NK, Song JM, Wang DN (октябрь 2015 г.). «Быстрая биоинформатическая идентификация термостабилизирующих мутаций». Biophysical Journal . 109 (7): 1420–1428. Bibcode :2015BpJ...109.1420S. doi :10.1016/j.bpj.2015.07.026. PMC 4601007 . PMID  26445442. 
  21. ^ Liu HL, Wang WC (январь 2003 г.). «Белковая инженерия для улучшения термостабильности глюкоамилазы из Aspergillus awamori на основе моделирования молекулярной динамики». Protein Engineering . 16 (1): 19–25. doi :10.1093/proeng/gzg007. PMID  12646689.
  22. ^ Lee CW, Wang HJ, Hwang JK, Tseng CP (2014). «Повышение термостабильности белка путем проектирования 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. 
  23. ^ Mansfeld J, Vriend G, Dijkstra BW, Veltman OR, Van den Burg B, Venema G и др. (апрель 1997 г.). «Экстремальная стабилизация термолизин-подобной протеазы с помощью сконструированной дисульфидной связи». Журнал биологической химии . 272 ​​(17): 11152–11156. doi : 10.1074/jbc.272.17.11152 . PMID  9111013.
  24. ^ Mancusso R, Karpowich NK, Czyzewski BK, Wang DN (декабрь 2011 г.). «Простой метод скрининга для улучшения термостабильности мембранных белков». Методы . 55 (4): 324–329. doi :10.1016/j.ymeth.2011.07.008. PMC 3220791. PMID  21840396 . 
  25. ^ Tigerström A (2005). «Термостабильность белков». BIOS . 76 (1): 22–27. doi :10.1893/0005-3155(2005)076[0022:TBFTOP]2.0.CO;2. JSTOR  4608725. S2CID  85654007.
  26. ^ Ardejani MS, Noodleman L, Powers ET, Kelly JW (май 2021 г.). «Стереоэлектронные эффекты в стабилизации взаимодействий белок-N-гликан, выявленные с помощью эксперимента и машинного обучения». Nature Chemistry . 13 (5): 480–487. Bibcode :2021NatCh..13..480A. doi :10.1038/s41557-021-00646-w. PMC 8102341 . PMID  33723379. 
  27. ^ Iwai H, Plückthun A (октябрь 1999). «Circular beta-lactamase: stability enhancement by cyclizing the backbone» (Циклическая бета-лактамаза: повышение стабильности за счет циклизации остова). FEBS Letters . 459 (2): 166–172. Bibcode : 1999FEBSL.459..166I. doi : 10.1016/s0014-5793(99)01220-x . PMID  10518012. S2CID  85415249.
  28. ^ Keeble AH, Howarth M (июль 2020 г.). «Power to the protein: enhancement and combined activities using the Spy toolbox». Chemical Science . 11 (28): 7281–7291. doi :10.1039/d0sc01878c. PMC 7844731 . PMID  33552459. 
  29. ^ Aleccia JN (4 ноября 2011 г.). "FDA: поставщик школьных обедов переупаковал заплесневелое яблочное пюре". NBC News . Получено 15 апреля 2015 г.

Внешние ссылки

Найдите информацию о термостабильности в Викисловаре, бесплатном словаре.