Гіпертермофільні білки

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Гіпертермофільні білки (en. Hyperthermophilic proteins) — білки, що здатні зберігати свою унікальну просторову структуру поліпептидного ланцюга під дією високої температури.

Білки термофільних (температура росту ∼ 45–75 °C) та гіпертермофільних (температура росту ≥ 80 °C) організмів демонструють надзвичайну термостійкість та стійкість до хімічних денатурантів.[1]

Класифікація організмів та їх порівняння

[ред. | ред. код]

Більшість гіпертермофілів належать до архей, набагато менше належать до прокаріотів. З еукаріотів найбільш наближено до гіпертермофілів можуть проявляти свої можливості тихоходи. Гіпертермофільні мікроорганізми, присутні серед архей та бактерій, розмножуються при температурі близько 80-100 °С. Більшість відомих до цього часу родів мають морське походження, однак деякі з них були знайдені на континентальних гарячих джерелах та солончаках.

За температурою, яка є сприятливою для існування і розмноження, організми поділяються на:

Психрофіли (<10 °С), мезофіли (10–45 °С), термофіли (45–75 °С), гіпертермофіли (>80 °С).

Найбільша температура за якою виявлене розмноження, це 122 °С (Methanopyrus kandleri).

Гіпертермофілів можна розділити на два класи:

  1. Древні гіпертермофіли – організми, які протягом своєї еволюції завжди були гіпертермофілами.
  2. Нові гіпертермофіли – організми, які недавно стали гіпертермофільними[2]

Білки з таких організмів зазвичай проявляють надзвичайну термостабільність, але за конструкцією вони дуже схожі на їх мезостабільні аналоги.

Термодинаміка та стратегії термостійкості

[ред. | ред. код]
Термодинамічна стійкість білків кількісно визначається вільною енергією Гібса.

Термостабільність білки досягають різними способами:

  1. Збільшення числа йонних взаємодій    
  2. Збільшення ступеня гідрофобного згортання[en]    
  3. Збільшення кількості пролінів    
  4. Зменшення кількості глутамінів    
  5. Велика жорсткість вторинної структури    
  6. Більш короткі зовнішні петлі
  7. Більш високі ступені олігомерізації  
  8. Більша кількість β-шарів (у гіпертермостабільних білках, у відношенні до помірно термостабільних)[3]

Термодинамічна стійкість білків кількісно визначається вільною енергією Гіббса:

,

де - газова стала, - абсолютна температура, - константа рівноваги,

, де - константа швидкості згортки, - константа швидкості розгортання білку.

Три термодинамічні моделі для термостабільних і гіпертермостабільних білків

Були також запропоновані гіпотези термостабільності:

  1. Швидка згортка
  2. Повільна розгортка  
  3. Комбінація обох типів

Але було доведено, що збільшення термостабільності йде тільки за рахунок повільної розгортки.

На теперішній час розглядають 3 термодинамічні моделі для термостабільних і гіпертермостабільних білків:

  1. Збільшення максимального протягом всього діапазону температур
  2. Зсув діапазону температур до високих без зміни максимальної
  3. Розширення діапазону температур без зміни максимального

Для гіпертермостабільних спостерігається комбінація 1 та 2 моделей, а для термостабільних комбінація 1 та 3 моделей.[4]

Особливості фолдингу

[ред. | ред. код]

Роль флуктуацій у термостабільності білку

[ред. | ред. код]

Існують два погляди:

  1. Термостабільність пов'язана з підвищеною жорсткістю білкового каркаса паралельно зі зменшенням гнучких частин структури.
  2. На відміну від аргументів вище експериментальними дослідженнями та комп'ютерним моделюванням було показано, що термічна толерантність білка не обов'язково корелює з пригніченням внутрішніх коливань та рухливості.

Обидві концепції, жорсткість і гнучкість, представляють незалежні від часу особливості, що описують статичні властивості, нехтуючи тим, що відносний рух у певні часові масштаби можливий у структурно стійких областях білка. Це говорить про те, що суворе розділення жорстких і гнучких частин білкової молекули не є достовірним.

Також це свідчить, що білок може бути жорстким у мікроскопічному масштабі часу та гнучким у більш тривалому часовому масштабі.[5]

Порівняння фолдингу гіпертермофільних білків з мезофільними

[ред. | ред. код]

Для оцінки геометрії білків, були взяті для порівняння такі характеристики:

  1. Глибина укриття – відстань від поверхні молекули до кожного атома.
  2. Глибина ходу – відстань від опуклої точки на поверхні молекули до кожного атома.
  3. Сферичність.

Середня глибина укриття у гіпертермостабільних білків значно вище, ніж у мезостабільних білків, що вказує на більшу віддаленість атомів від поверхні. Середня глибина ходу у гіпертермостабільних білків значно менша, ніж у мезостабільних, що вказує на меншу кількість кишеньок, та меншу їх глибину. Також гіпертермостабільні білки приймають більш сферичну форму. У гіпертермостабільних білків заряджені залишки залишаються не укриті, незаряджені та інші більш укриті, а аланін переважно глибоко укритий.[6]

Джерела

[ред. | ред. код]
  1. Jaenicke, Rainer; Böhm, Gerald (1998-12). The stability of proteins in extreme environments. Current Opinion in Structural Biology. Т. 8, № 6. с. 738—748. doi:10.1016/s0959-440x(98)80094-8. ISSN 0959-440X. Процитовано 1 грудня 2019.
  2. Luke, Kathryn A.; Higgins, Catherine L.; Wittung-Stafshede, Pernilla (2007-08). Thermodynamic stability and folding of proteins from hyperthermophilic organisms: Thermodynamic stability and folding of proteins. FEBS Journal (англ.). Т. 274, № 16. с. 4023—4033. doi:10.1111/j.1742-4658.2007.05955.x. Процитовано 5 грудня 2019.
  3. Szilágyi, András; Závodszky, Péter (2000-05). Structural differences between mesophilic, moderately thermophilic and extremely thermophilic protein subunits: results of a comprehensive survey. Structure. Т. 8, № 5. с. 493—504. doi:10.1016/s0969-2126(00)00133-7. ISSN 0969-2126. Процитовано 1 грудня 2019.
  4. Luke, Kathryn A.; Higgins, Catherine L.; Wittung-Stafshede, Pernilla (2007-08). Thermodynamic stability and folding of proteins from hyperthermophilic organisms. FEBS Journal. Т. 274, № 16. с. 4023—4033. doi:10.1111/j.1742-4658.2007.05955.x. ISSN 1742-464X. Архів оригіналу за 26 липня 2008. Процитовано 5 грудня 2019.
  5. Karshikoff, Andrey; Nilsson, Lennart; Ladenstein, Rudolf (15 липня 2015). Rigidity versus flexibility: the dilemma of understanding protein thermal stability. FEBS Journal. Т. 282, № 20. с. 3899—3917. doi:10.1111/febs.13343. ISSN 1742-464X. Процитовано 5 грудня 2019.
  6. Coleman, Ryan G.; Sharp, Kim A. (1 лютого 2010). Shape and evolution of thermostable protein structure. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. Т. 78, № 2. с. 420—433. doi:10.1002/prot.22558. ISSN 0887-3585. Процитовано 5 грудня 2019.