Jump to content

Термостабильность

(Перенаправлено из «Теплостабильность »)
Кристаллическая структура β- глюкозидазы из Thermotoga neapolitana (PDB: 5IDI ). Термостабильный белок, активный при 80°C и температуре развертывания 101°C. [1]

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

Термостабильные материалы могут использоваться в промышленности в качестве антипиренов . Термостабильный , пластик — необычный и нетрадиционный термин, скорее всего, относится к термореактивному пластику форму которого невозможно изменить при нагревании, а не к термопласту , который можно переплавить и переплавить.

Термостабильность также является свойством некоторых белков . Быть термостабильным белком означает быть устойчивым к изменениям в структуре белка под воздействием тепла.

Термостабильные белки

[ редактировать ]
При добавлении тепла разрушаются внутримолекулярные связи, обнаруженные в третичной структуре белков, в результате чего белок разворачивается и становится неактивным.

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

Белки, способные выдерживать такие высокие температуры, по сравнению с белками, которые не могут этого сделать, обычно происходят от микроорганизмов, являющихся гипертермофилами. Такие организмы могут выдерживать температуру выше 50 °C, поскольку обычно они живут при температуре 85 °C и выше. [3] Существуют определенные термофильные формы жизни , которые могут выдерживать температуры выше этой температуры 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 в отдельных белках. Сравнение гомологичных белков, присутствующих у этих термофилов и других организмов, обнаруживает некоторые различия в структуре белков. Одним из заметных отличий является наличие дополнительных водородных связей в белках термофилов, а это означает, что структура белка более устойчива к разворачиванию. Точно так же термостабильные белки богаты солевыми мостиками и/или дополнительными дисульфидными мостиками, стабилизирующими структуру. [6] [7] Другими факторами термостабильности белков являются компактность белковой структуры, [8] олигомеризация, [9] и силовое взаимодействие между субъединицами.

Использование и применение

[ редактировать ]

Полимеразные цепные реакции

[ редактировать ]

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

Кормовые добавки

[ редактировать ]

Ферменты часто добавляют в корм для животных для улучшения здоровья и роста сельскохозяйственных животных, особенно кур и свиней. Корм обычно обрабатывается паром под высоким давлением для уничтожения бактерий, таких как сальмонелла . Поэтому добавленные ферменты (например, фитаза и ксиланаза ) должны быть способны противостоять этому температурному воздействию без необратимой инактивации. [11]

Очистка белка

[ редактировать ]

Знание устойчивости ферментов к высоким температурам особенно полезно при очистке белков . В процедуре тепловой денатурации можно подвергнуть смесь белков воздействию высоких температур, что приведет к денатурации нетермостабильных белков и выделению термодинамически стабильного белка. Одним из ярких примеров этого является очистка щелочной фосфатазы от гипертермофила Pyrococcus abyssi . Этот фермент известен своей термостабильностью при температурах выше 95 °C и, следовательно, может быть частично очищен путем нагревания при гетерологичной экспрессии в E. coli . [12] Повышение температуры приводит E. coli к осаждению белков , тогда как щелочная фосфатаза P. abyssi стабильно остается в растворе.

Гликозидгидролазы

[ редактировать ]

Другой важной группой термостабильных ферментов являются гликозидгидролазы . Эти ферменты ответственны за разложение основной фракции биомассы, полисахаридов, присутствующих в крахмале и лигноцеллюлозе. Таким образом, гликозидгидролазы вызывают большой интерес в биопереработке в будущей биоэкономике. [13] Некоторыми примерами являются производство моносахаридов для пищевых применений, а также использование в качестве источника углерода для микробной конверсии в топливе (этанол) и химических промежуточных продуктах, производство олигосахаридов для пребиотических применений и производство поверхностно-активных веществ типа алкилгликозидов. Все эти процессы часто включают термическую обработку для облегчения гидролиза полисахаридов, следовательно, термостабильные варианты гликозидгидролаз играют важную роль в этом контексте.

Подходы к повышению термостабильности белков

[ редактировать ]

Белковую инженерию можно использовать для повышения термостабильности белков. Ряд методов сайт-направленного и случайного мутагенеза . [14] [15] Помимо направленной эволюции , [16] были использованы для повышения термостабильности целевых белков. белков использованы сравнительные методы Для повышения стабильности мезофильных на основе сравнения с термофильными гомологами. [17] [18] [19] [20] Кроме того, анализ разворачивания белка с помощью молекулярной динамики можно использовать для понимания процесса разворачивания, а затем для разработки стабилизирующих мутаций. [21] Рациональная белковая инженерия для повышения термостабильности белков включает мутации, которые усекают петли и увеличивают солевые мостики. [22] или водородные связи, введенные дисульфидные связи . [23] Кроме того, связывание лиганда может повысить стабильность белка, особенно в очищенном виде. [24] Существуют различные силы, которые обеспечивают термостабильность конкретного белка. Эти силы включают гидрофобные взаимодействия, электростатические взаимодействия и наличие дисульфидных связей. Общая степень гидрофобности, присутствующая в конкретном белке, отвечает за его термостабильность. Другой тип сил, отвечающий 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. Третьей силой, используемой для повышения термостабильности белков и ферментов, является наличие дисульфидных связей. Они представляют собой ковалентные поперечные связи между полипептидными цепями. Эти связи самые прочные, потому что они ковалентные, что делает их сильнее, чем межмолекулярные силы. [25] Гликозилирование — еще один способ улучшить термостабильность белков. Стереоэлектронные эффекты в стабилизации взаимодействий между углеводами и белками могут приводить 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

[ редактировать ]

Некоторые ядовитые грибы содержат термостабильные токсины , такие как аматоксин, обнаруженный в шляпках смертников и осенних шляпках , а также патулин из плесневых грибов. Следовательно, применение к ним тепла не устранит токсичность и вызывает особую озабоченность с точки зрения безопасности пищевых продуктов. [29]

См. также

[ редактировать ]
термофилы

[30] == Ссылки ==

  1. ^ Кулкарни Т.С., Хан С., Виллагомес Р., Махмуд Т., Линдал С., Логан Д.Т. и др. (май 2017 г.). «Кристаллическая структура β-глюкозидазы 1А из Thermotoga neapolitana и сравнение мутантов активного центра для гидролиза флавоноидных глюкозидов». Белки . 85 (5): 872–884. дои : 10.1002/прот.25256 . ПМИД   28142197 . S2CID   27832389 .
  2. ^ Кандхари Н., Синха С. (26 июня 2017 г.). «Комплексный сетевой анализ термостабильных мутантов липазы А Bacillus subtilis » . Прикладная сетевая наука . 2 (1): 18. дои : 10.1007/s41109-017-0039-y . ПМК   6214246 . ПМИД   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): 629–630. дои : 10.1093/протеин/9.8.629 . ПМИД   8875639 .
  4. ^ Таками Х., Такаки Ю., Чи Дж.Дж., Ниши С., Шимамура С., Сузуки Х. и др. (2004). «Признак термоадаптации, выявленный по последовательности генома термофильной Geobacillus kaustophilus» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (21): 6292–6303. дои : 10.1093/nar/gkh970 . ПМК   535678 . ПМИД   15576355 .
  5. ^ Невес К., да Кошта М.С., Сантос Х. (декабрь 2005 г.). «Совместимые растворенные вещества гипертермофила Palaeococcus Ferrophilus: осмоадаптация и термоадаптация в отряде термококков» . Прикладная и экологическая микробиология . 71 (12): 8091–8098. Бибкод : 2005ApEnM..71.8091N . дои : 10.1128/АЕМ.71.12.8091-8098.2005 . ПМК   1317470 . ПМИД   16332790 .
  6. ^ Дас Р., Герштейн М. (май 2000 г.). «Стабильность термофильных белков: исследование, основанное на всестороннем сравнении геномов». Функциональная и интегративная геномика . 1 (1): 76–88. дои : 10.1007/s101420000003 . ПМИД   11793224 . S2CID   2717885 .
  7. ^ Мацумура М., Бектель В.Дж., Левитт М., Мэтьюз Б.В. (сентябрь 1989 г.). «Стабилизация лизоцима фага Т4 с помощью дисульфидных связей» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 86 (17): 6562–6566. Бибкод : 1989PNAS...86.6562M . дои : 10.1073/pnas.86.17.6562 . ПМК   297884 . ПМИД   2671995 .
  8. ^ Томпсон М.Дж., Айзенберг Д. (июль 1999 г.). «Транспротеомные доказательства механизма делеции петли для повышения термостабильности белка» . Журнал молекулярной биологии . 290 (2): 595–604. дои : 10.1006/jmbi.1999.2889 . ПМИД   10390356 .
  9. ^ Танака Ю., Цумото К., Ясутаке Ю., Уметсу М., Яо М., Фукада Х. и др. (июль 2004 г.). «Как олигомеризация способствует термостабильности белка архей. Белок L-изоаспартил-О-метилтрансфераза из Sulfolobus tokodaii» . Журнал биологической химии . 279 (31): 32957–32967. дои : 10.1074/jbc.M404405200 . ПМИД   15169774 .
  10. ^ Сайки Р.К., Гельфанд Д.Х., Стоффель С., Шарф С.Дж., Хигучи Р., Хорн Г.Т. и др. (январь 1988 г.). «Праймер-направленная ферментативная амплификация ДНК с помощью термостабильной ДНК-полимеразы». Наука . 239 (4839): 487–491. Бибкод : 1988Sci...239..487S . дои : 10.1126/science.239.4839.487 . ПМИД   2448875 .
  11. ^ Корреа TL, де Араужо EF (сентябрь 2020 г.). «Грибные фитазы: от генов к применению» . Бразильский журнал микробиологии . 51 (3): 1009–1020. дои : 10.1007/s42770-020-00289-y . ПМЦ   7455620 . ПМИД   32410091 .
  12. ^ Заппа С., Роллан Дж.Л., Фламан Д., Геген Ю., Буран Ж., Дитрих Дж. (октябрь 2001 г.). «Характеристика высокотермостабильной щелочной фосфатазы эвриархеи Pyrococcus abyssi» . Прикладная и экологическая микробиология . 67 (10): 4504–4511. Бибкод : 2001ApEnM..67.4504Z . дои : 10.1128/АЕМ.67.10.4504-4511.2001 . ПМК   93196 . ПМИД   11571149 .
  13. ^ Линарес-Пастен Х.А., Андерссон М., Н. Карлссон Э. (2014). «Термостабильные гликозидгидролазы в технологиях биопереработки» . Современная биотехнология . 3 (1): 26–44. дои : 10.2174/22115501113026660041 .
  14. ^ Саркар К.А., Додевски И., Кениг М., Дудли С., Мор А., Херманс Э., Плюктун 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): 14808–14813. Бибкод : 2008PNAS..10514808S . дои : 10.1073/pnas.0803103105 . ПМЦ   2567449 . ПМИД   18812512 .
  15. ^ Асиал I, Ченг YX, Энгман Х, Доллхопф М, Ву Б, Нордлунд П, Корнвик Т (2013). «Инженерная термостабильность белка с использованием универсального, независимого от активности биофизического экрана внутри клетки» . Природные коммуникации . 4 : 2901. Бибкод : 2013NatCo...4.2901A . дои : 10.1038/ncomms3901 . ПМИД   24352381 .
  16. ^ Хосеки Дж., Яно Т., Кояма Ю., Курамицу С., Кагамияма Х. (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 . ПМИД   10544290 .
  17. ^ Сайед А., Гази М.А., Феррейра А.Дж., Сетубал Х.К., Чамберго Ф.С., Оуф А. и др. (январь 2014 г.). «Новая ртутная редуктаза из уникальной глубоководной морской среды Атлантиды II в Красном море» . Журнал биологической химии . 289 (3): 1675–1687. дои : 10.1074/jbc.M113.493429 . ПМЦ   3894346 . ПМИД   24280218 .
  18. ^ Перл Д., Мюллер Ю., Хайнеманн У., Шмид FX (май 2000 г.). «Два открытых аминокислотных остатка придают термостабильность белку холодового шока». Структурная биология природы . 7 (5): 380–383. дои : 10.1038/75151 . ПМИД   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. ^ Зауэр Д.Б., Карпович Н.К., Сонг Дж.М., Ван Д.Н. (октябрь 2015 г.). «Быстрая биоинформационная идентификация термостабилизирующих мутаций» . Биофизический журнал . 109 (7): 1420–1428. Бибкод : 2015BpJ...109.1420S . дои : 10.1016/j.bpj.2015.07.026 . ПМК   4601007 . ПМИД   26445442 .
  21. ^ Лю Х.Л., Ван В.К. (январь 2003 г.). «Белковая инженерия для улучшения термостабильности глюкоамилазы из Aspergillus awamori на основе молекулярно-динамического моделирования». Белковая инженерия . 16 (1): 19–25. doi : 10.1093/proeng/gzg007 . ПМИД   12646689 .
  22. ^ Ли CW, Ван HJ, Хван JK, Ценг CP (2014). «Повышение термостабильности белков за счет создания солевых мостиков: комбинированное вычислительное и экспериментальное исследование» . ПЛОС ОДИН . 9 (11): е112751. Бибкод : 2014PLoSO...9k2751L . дои : 10.1371/journal.pone.0112751 . ПМК   4231051 . ПМИД   25393107 .
  23. ^ Мансфельд Дж., Вриенд Г., Дейкстра Б.В., Вельтман О.Р., Ван ден Бург Б., Венема Г. и др. (апрель 1997 г.). «Чрезвычайная стабилизация термолизин-подобной протеазы с помощью созданной дисульфидной связи» . Журнал биологической химии . 272 (17): 11152–11156. дои : 10.1074/jbc.272.17.11152 . ПМИД   9111013 .
  24. ^ Манкуссо Р., Карпович Н.К., Чижевский Б.К., Ван Д.Н. (декабрь 2011 г.). «Простой метод скрининга для улучшения термостабильности мембранных белков» . Методы . 55 (4): 324–329. дои : 10.1016/j.ymeth.2011.07.008 . ПМК   3220791 . ПМИД   21840396 .
  25. ^ Тигерстрем А (2005). «Термостабильность белков». БИОС . 76 (1): 22–27. doi : 10.1893/0005-3155(2005)076[0022:TBFTOP]2.0.CO;2 . JSTOR   4608725 . S2CID   85654007 .
  26. ^ Ардеяни М.С., Нудлман Л., Пауэрс Э.Т., Келли Дж.В. (май 2021 г.). «Стереоэлектронные эффекты в стабилизации взаимодействий белок-N-гликан, выявленные экспериментом и машинным обучением» . Природная химия . 13 (5): 480–487. Бибкод : 2021НатЧ..13..480А . дои : 10.1038/s41557-021-00646-w . ПМК   8102341 . ПМИД   33723379 .
  27. ^ Иваи Х., Плюктун А. (октябрь 1999 г.). «Циркулярная бета-лактамаза: повышение стабильности за счет циклизации позвоночника» . Письма ФЭБС . 459 (2): 166–172. дои : 10.1016/s0014-5793(99)01220-x . ПМИД   10518012 . S2CID   85415249 .
  28. ^ Кибл А.Х., Ховарт М. (июль 2020 г.). «Сила белка: усиление и объединение действий с помощью набора инструментов Spy» . Химическая наука . 11 (28): 7281–7291. дои : 10.1039/d0sc01878c . ПМЦ   7844731 . ПМИД   33552459 .
  29. ^ Алессия Дж. Н. (4 ноября 2011 г.). «FDA: Заплесневелое яблочное пюре переупаковано поставщиком школьных обедов» . Новости Эн-Би-Си . Проверено 15 апреля 2015 г.
  30. ^ ДЖАЙСВАЛ, НИВЕДИТА; ДЖАЙСВАЛ, ПУНДРИК. «Термостабильные α-амилазы и лакказы: путь к устойчивому промышленному применению» . МДПИ . МДПИ . Проверено 11 июля 2024 г. {{cite web}}: Внешняя ссылка в |ref= ( помощь )
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 6fb1cadb0a028ee8e250fe7fe435fd6b__1720720020
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/6f/6b/6fb1cadb0a028ee8e250fe7fe435fd6b.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Thermostability - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)