PROFILPELAJAR.COM

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

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:

Древні гіпертермофіли – організми, які протягом своєї еволюції завжди були гіпертермофілами.
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

Термостабільність білки досягають різними способами:

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

Термодинамічна стійкість білків кількісно визначається вільною енергією Гіббса:

$\Delta (G_{U})=-RT\ln(K_{U})$ ,

де $R$ - газова стала, $T$ - абсолютна температура, $K_{U}$ - константа рівноваги,

$K_{U}=k_{f}/k_{u}$ , де $k_{f}$ - константа швидкості згортки, $k_{u}$ - константа швидкості розгортання білку.

Були також запропоновані гіпотези термостабільності:

Швидка згортка
Повільна розгортка
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:

Збільшення максимального $\Delta G_{U}$ протягом всього діапазону температур
Зсув діапазону температур до високих без зміни максимальної $\Delta G_{U}$
Розширення діапазону температур без зміни максимального $\Delta G_{U}$

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

Особливості фолдингу

Роль флуктуацій у термостабільності білку

Існують два погляди:

Термостабільність пов'язана з підвищеною жорсткістю білкового каркаса паралельно зі зменшенням гнучких частин структури.
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

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

Глибина укриття – відстань від поверхні молекули до кожного атома.
Глибина ходу – відстань від опуклої точки на поверхні молекули до кожного атома.
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]