Термостойкость - Thermostability

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

Термостойкость способность вещества сопротивляться необратимым изменениям в его химический или физическая структура, часто за счет сопротивления разложению или полимеризации при высокой относительной температуре.

Термостабильные материалы могут использоваться в промышленности как антипирены. А термостабильный пластик, необычный и нетрадиционный термин, скорее всего, будет относиться к термореактивный пластик которые не могут быть изменены при нагревании, чем в термопласт которые можно переплавить и переработать.

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

Термостабильные белки

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 разворачиваться и денатурация, 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 белок от прозрачной почти бесцветной жидкости до непрозрачного белого нерастворимого геля.

Белки, способные выдерживать такие высокие температуры по сравнению с белками, которые не могут, как правило, происходят от микроорганизмов, являющихся гипертермофилами. Такие организмы могут выдерживать температуру выше 50 ° C, поскольку обычно живут в среде с температурой 85 ° C и выше.[3] Определенный теплолюбивые формы жизни существуют, которые могут выдерживать температуры выше этой, и имеют соответствующие приспособления для сохранения функции белка при этих температурах.[4] Они могут включать изменение объемных свойств клетки для стабилизации всех белков,[5] и специфические изменения отдельных белков. Сравнение гомологичный белки, присутствующие в этих термофилах и других организмах, обнаруживают некоторые различия в структуре белка. Одно заметное отличие - наличие дополнительных водородные связи в белках термофила - это означает, что структура белка более устойчива к разворачиванию. Точно так же термостабильные белки богаты соляные мосты или / и дополнительно дисульфидные мостики стабилизация конструкции.[6][7] Другими факторами термостабильности белка являются компактность структуры белка,[8] олигомеризация,[9] и силовое взаимодействие между подразделениями.

Использование и приложения

Полимеразные цепные реакции

Термостабильный ферменты Такие как Полимераза Taq и ДНК-полимераза Pfu используются в полимеразные цепные реакции (ПЦР), при которой для расплавления используются температуры 94 ° C или выше ДНК нити на стадии денатурации ПЦР.[10] Эта устойчивость к высокой температуре позволяет ДНК-полимеразе удлинить ДНК с желаемой интересующей последовательностью в присутствии дНТФ.

Очистка белков

Знание устойчивости ферментов к высоким температурам особенно полезно при очистка белка. 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 щелочная фосфатаза от гипертермофила Pyrococcus abyssi. Этот фермент известен своей термостабильностью при температурах выше 95 ° C и поэтому может быть частично очищен нагреванием, если гетерологично экспрессируется в Кишечная палочка.[11] Повышение температуры вызывает Кишечная палочка белки выпадать в осадок, а P. abyssi щелочная фосфатаза стабильно остается в растворе.

Гликозид гидролазы

Еще одна важная группа термостабильных ферментов: гликозидгидролазы. Эти ферменты ответственны за разложение основной части биомассы, полисахаридов, присутствующих в крахмале и лигноцеллюлозе. Таким образом, гликозидгидролазы проявляют большой интерес к приложениям биопереработки в будущей биоэкономике.[12] Некоторыми примерами являются производство моносахаридов для пищевых продуктов, а также использование в качестве источника углерода для микробной конверсии топлива (этанол) и химических промежуточных продуктов, производство олигосахаридов для пребиотических применений и производство поверхностно-активных веществ типа алкилгликозидов. Все эти процессы часто включают термическую обработку для облегчения гидролиза полисахаридов, что дает термостабильные варианты гликозидгидролазы важную роль в этом контексте.

Подходы к повышению термостабильности белков

Белковая инженерия может использоваться для повышения термостабильности белков. Номер ориентированный на сайт и случайный мутагенез техники,[13][14] в добавление к направленная эволюция,[15] были использованы для повышения термостабильности целевых белков. Сравнительные методы были использованы для повышения стабильности мезофильный белки на основе сравнения с теплолюбивый гомологи.[16][17][18][19] Кроме того, анализ разворачивания белка молекулярная динамика можно использовать для понимания процесса разворачивания, а затем для разработки стабилизирующих мутаций.[20] Рациональная белковая инженерия для повышения термостабильности белков включает мутации, которые усекают петли, увеличивают солевые мостики.[21] или водородные связи, введенные 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 являются самыми прочными, потому что они ковалентные, что делает их сильнее, чем межмолекулярные силы.[24]

Термостабильные токсины

Определенный ядовитый грибы содержат термостабильные токсины, Такие как аматоксин найдено в смертная казнь и осенняя тюбетейка грибы и патулин из форм. Таким образом, нагревание этих продуктов не устранит токсичность и особенно важно для безопасности пищевых продуктов.[25]

Смотрите также

Термофилы

Рекомендации

  1. ^ Кулкарни Т.С., Хан С., Виллагомес Р., Махмуд Т., Линдаль С., Логан Д. Т., Линарес-Пастен Дж. А., Нордберг Карлссон Е. (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. Дои: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. Дои:10.1007 / s41109-017-0039-у. ISSN  2364-8228. ЧВК  6214246. PMID  30443573.
  3. ^ Дэнсон М.Дж., Хаф Д.В., Рассел Р.Дж., Тейлор Г.Л., Перл Л. (август 1996 г.). «Термостабильность и термоактивность ферментов». Белковая инженерия. 9 (8): 629–30. Дои:10.1093 / белок / 9.8.629. PMID  8875639.
  4. ^ Таками Х., Такаки Ю., Чи Г.Дж., Ниши С., Шимамура С., Сузуки Х, Мацуи С., Учияма И. (2004). «Признак термоадаптации, выявленный последовательностью генома термофильной Geobacillus kaustophilus». Исследования нуклеиновых кислот. 32 (21): 6292–303. Дои:10.1093 / нар / гх970. ЧВК  535678. PMID  15576355.
  5. ^ Невеш К., да Коста М.С., Сантос Х. (декабрь 2005 г.). «Совместимые растворенные вещества гипертермофила Palaeococcus ferrophilus: осмоадаптация и термоадаптация в порядке термококсов». Прикладная и экологическая микробиология. 71 (12): 8091–8. Дои:10.1128 / AEM.71.12.8091-8098.2005. ЧВК  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. Дои:10.1007 / с101420000003. PMID  11793224.
  7. ^ Мацумура М., Бектель В.Дж., Левитт М., Мэтьюз Б.В. (сентябрь 1989 г.). «Стабилизация лизоцима фага Т4 с помощью сконструированных дисульфидных связей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 86 (17): 6562–6. Bibcode:1989ПНАС ... 86.6562М. Дои:10.1073 / пнас.86.17.6562. ЧВК  297884. PMID  2671995.
  8. ^ Томпсон М.Дж., Айзенберг Д. (июль 1999 г.). «Транспротеомные доказательства механизма удаления петли для повышения термостабильности белка». Журнал молекулярной биологии. 290 (2): 595–604. Дои:10.1006 / jmbi.1999.2889. PMID  10390356.
  9. ^ Танака Ю., Цумото К., Ясутакэ Ю., Умецу М., Яо М., Фукада Х., Танака И., Кумагай И. (июль 2004 г.). «Как олигомеризация способствует термостабильности белка архей. Протеин L-изоаспартил-O-метилтрансфераза из Sulfolobus tokodaii». Журнал биологической химии. 279 (31): 32957–67. Дои: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 А.А. (январь 1988 г.). «Праймер-направленная ферментативная амплификация ДНК с термостабильной ДНК-полимеразой». Наука. 239 (4839): 487–91. Bibcode:1988Научный ... 239..487С. Дои:10.1126 / science.239.4839.487. PMID  2448875.
  11. ^ Заппа С., Роллан Дж. Л., Фламент Д., Геген Ю., Будран Дж., Дитрих Дж. (Октябрь 2001 г.). «Характеристика высокотермостабильной щелочной фосфатазы из эвриархеи Pyrococcus abyssi». Прикладная и экологическая микробиология. 67 (10): 4504–11. Дои:10.1128 / AEM.67.10.4504-4511.2001. ЧВК  93196. PMID  11571149.
  12. ^ Linares-Pastén, J. A .; Андерссон, М; Нордберг Карлссон, Э (2014). «Термостабильные гликозидгидролазы в технологиях биопереработки». Текущая биотехнология. 3 (1): 26–44. Дои:10.2174/22115501113026660041.
  13. ^ Саркар К.А., Додевски И., Кениг М., Дудли С., Мор А., Херманс Е., Плюктхун А. (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): 14808–13. Bibcode:2008ПНАС..10514808С. Дои:10.1073 / pnas.0803103105. ЧВК  2567449. PMID  18812512.
  14. ^ Asial I, Cheng YX, Engman H, Dollhopf M, Wu B, Nordlund P, Cornvik T (2013). «Разработка термостабильности белка с использованием универсального независимого от активности биофизического экрана внутри клетки». Nature Communications. 4: 2901. Bibcode:2013 НатКо ... 4.2901A. Дои:10.1038 / ncomms3901. PMID  24352381.
  15. ^ Хосеки Дж., Яно Т., Кояма Ю., Курамицу С., Кагамияма Х. (ноябрь 1999 г.). «Направленная эволюция термостабильного гена устойчивости к канамицину: удобный селекционный маркер для Thermus thermophilus». Журнал биохимии. 126 (5): 951–6. Дои:10.1093 / oxfordjournals.jbchem.a022539. PMID  10544290.
  16. ^ Сайед А., Гази М.А., Феррейра А.Дж., Сетубал Дж.С., Чемберго Ф.С., Оуф А., Адель М., Доу А.С., Арчер Дж. А., Баджик В. Б., Сиам Р., Эль-Дорри Х (январь 2014 г.). «Новая редуктаза ртути из уникальной глубоководной морской среды Атлантиды II в Красном море». Журнал биологической химии. 289 (3): 1675–87. Дои:10.1074 / jbc.M113.493429. ЧВК  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. Дои:10.1038/75151. PMID  10802734.
  18. ^ Леманн М., Пасамонтес Л., Лассен С.Ф., Висс М. (декабрь 2000 г.). «Консенсусная концепция инженерии термостабильности белков». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология. 1543 (2): 408–415. Дои:10.1016 / s0167-4838 (00) 00238-7. PMID  11150616.
  19. ^ Зауэр ДБ, Карпович Н.К., Сонг Дж. М., Ван Д. Н. (октябрь 2015 г.). «Быстрая биоинформатическая идентификация термостабилизирующих мутаций». Биофизический журнал. 109 (7): 1420–8. Bibcode:2015BpJ ... 109.1420S. Дои:10.1016 / j.bpj.2015.07.026. ЧВК  4601007. PMID  26445442.
  20. ^ Лю Х.Л., Ван В.К. (январь 2003 г.). «Белковая инженерия для улучшения термостабильности глюкоамилазы из Aspergillus awamori на основе моделирования молекулярной динамики». Белковая инженерия. 16 (1): 19–25. Дои:10.1093 / proeng / gzg007. PMID  12646689.
  21. ^ Ли CW, Ван Х.Дж., Хван Дж.К., Цзэн С.П. (2014). «Повышение термостабильности белков путем создания солевых мостиков: совместное вычислительное и экспериментальное исследование». PLOS ONE. 9 (11): e112751. Bibcode:2014PLoSO ... 9k2751L. Дои:10.1371 / journal.pone.0112751. ЧВК  4231051. PMID  25393107.
  22. ^ Mansfeld J, Vriend G, Dijkstra BW, Veltman OR, Van den Burg B, Venema G, Ulbrich-Hofmann R, Eijsink VG (апрель 1997 г.). «Чрезвычайная стабилизация термолизин-подобной протеазы с помощью сконструированной дисульфидной связи». Журнал биологической химии. 272 (17): 11152–6. Дои:10.1074 / jbc.272.17.11152. PMID  9111013.
  23. ^ Манкуссо Р., Карпович Н.К., Чижевский Б.К., Ван Д.Н. (декабрь 2011 г.). «Простой метод скрининга для улучшения термостабильности мембранного белка». Методы. 55 (4): 324–9. Дои:10.1016 / j.ymeth.2011.07.008. ЧВК  3220791. PMID  21840396.
  24. ^ Тигерстрём, Анна (2005). «Термостабильность белков». BIOS. 76 (1): 22–27. Дои:10.1893 / 0005-3155 (2005) 076 [0022: TBFTOP] 2.0.CO; 2. JSTOR  4608725.
  25. ^ «FDA: Заплесневелый яблочный соус переупакован поставщиком школьных обедов». Новости NBC. Новости NBC. Получено 15 апреля 2015.

внешняя ссылка