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.
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 °C. 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 °C), мезофіли (10—45 °C), термофіли (45—75 °C), гіпертермофіли (>80 °C).
Найбільша температура за якою виявлене розмноження, це 122 °C (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
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 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)
Термодинамічна стійкість білків кількісно визначається вільною енергією Гіббса:
,
де:
— газова стала; — абсолютна температура; — константа рівноваги.
,
де:
— константа швидкості згортки; — 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 протягом всього діапазону температур Зсув діапазону температур до високих без зміни максимальної Розширення діапазону температур без зміни максимального
Для гіпертермостабільних спостерігається комбінація 1 та 2 моделей, а для термостабільних комбінація 1 та 3 моделей.
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.
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.
Примітки