Кіріспе
Заттың жоғары температурадағы құрылымындағы өзгерістерге төзімділігі Материалдар ғылымы мен молекулалық биологияда термоқуатылық - заттың жоғары температурада химиялық немесе физикалық құрылымындағы кері қайтарылмайтын өзгерістерге төзімділік, көбінесе ыдырау немесе полимерлеуге төзімділік. Термоқатылатын материалдар өнеркәсіпте өрт сөндіргіш ретінде қолданылуы мүмкін. Термоқуақты пластик - бұл жиі кездеспейтін және дәстүрлі емес термин, термоқуақты пластикті қайтадан балқытып, қайта құюға болатын термоқуақты пластиктен гөрі қыздыру кезінде қайта пішінін өзгерте алмайтын пластикті білдіреді. Термоқатылық кейбір ақуыздардың қасиеттері болып табылады. Термостабильді ақуыз дегеніміз - жылу әсерінен ақуыз құрылымындағы өзгерістерге төзімді болу.
In materials science and molecular biology, thermostability is the ability of a substance to resist irreversible change in its chemical or physical structure, often by resisting decomposition or polymerization, at a high relative temperature. Thermostable materials may be used industrially as fire retardants. A thermostable plastic, an uncommon and unconventional term, is likely to refer to a thermosetting plastic that cannot be reshaped when heated, than to a thermoplastic that can be remelted and recast. Thermostability is also a property of some proteins. To be a thermostable protein means to be resistant to changes in protein structure due to applied heat.
Термоқатықты ақуыздар
Жердегі тіршілік формаларының көпшілігі 50 °C-тан төмен температурада, әдетте 15 - 50 °C аралығында өмір сүреді. Бұл организмдердің ішінде олардың ферменттік белсенділігіне қажетті үш өлшемді құрылымды құрайтын макромолекулалар (белоктар мен нуклеин қышқылдары) бар. Организмнің табиғи температурасынан жоғары температурада жылу энергиясы қату мен денатурация болуына себепші болуы мүмкін, өйткені жылу үшінші және төртінші құрылымдағы молекулааралық байланыстарды бұза алады. Бұл энзимдік белсенділіктің жоғалуына әкеледі, бұл өмірлік функцияларды жалғастыруға зиянды. Бұған мысал ретінде альбумендегі ақуыздарды мөлдір, түссіз сұйықтықтан мөлдірсіз ақ, ерімейтін гельге айналдыруды қарастырамыз. Мұндай жоғары температураға төтеп бере алатын ақуыздар, мүмкін емес ақуыздармен салыстырғанда, әдетте гипертермофильді микроорганизмдерден келеді. Мұндай организмдер 50 °C жоғары температураға төтеп бере алады, өйткені олар әдетте 85 °C және одан жоғары температурада өмір сүреді. Кейбір термофильді тіршілік түрлері осыдан жоғары температураға төтеп бере алады және осы температурада ақуыз функцияларын сақтау үшін тиісті бейімделулерге ие. Бұған барлық белоктарды тұрақтандыру үшін жасушаның жалпы қасиеттерінің өзгеруі және жеке белоктардың ерекше өзгерістері кіруі мүмкін. Термофильдер мен басқа организмдердегі гомологты ақуыздарды салыстыру ақуыз құрылысының кейбір айырмашылықтарын көрсетеді. Бір ерекшелігі - термофильдің ақуыздарында қосымша сутекті байланыстар бар, яғни ақуыз құрылымы ашылуға төзімдірек. Сол сияқты, термоқатылатын ақуыздар тұз көпірлеріне бай немесе/және құрылымын тұрақтандырушы қосымша дисульфид көпірлері бар. Белсенің термоқатықтығының басқа факторлары - белок құрылымының тығыздығы, олигомеризациясы және суббірліктер арасындағы күш өзара әрекеттесуі.
Полимеразаның тізбекті реакциялары
Taq полимеразасы және Pfu ДНК полимеразасы сияқты термостабильді ферменттер полимераза тізбектік реакциясында (ПТР) қолданылады, онда ПТР-ның денатурациялау кезеңінде ДНҚ желілерін балқыту үшін 94 °C немесе одан жоғары температура қолданылады. Бұл жоғары температураға төзімділік ДНК полимеразаның dNTP-тің болуымен қажетті дәйектілікпен ДНК-ны ұзартуға мүмкіндік береді.
Қоректік қоспалар
Ферменттер көбінесе мал азығына, әсіресе тауық пен шошқаның денсаулығын жақсарту және өсуін жақсарту үшін қосылады. Мал азығы, әдетте, сальмонелла сияқты бактерияларды жою үшін жоғары қысымды бумен өңделеді. Сондықтан қосылған ферменттер (мысалы, фитаза және ксиланаза) қайталанбайтын инактивациясыз осы жылулық сынаққа төтеп бере алуы тиіс.
Белоктарды тазарту
Ферменттердің жоғары температураға төзімділігін білу ақуызды тазалауда аса пайдалы. Жылуды денатурациялау кезінде белоктар қоспасын жоғары температураға ұшырату мүмкін, бұл термоқатылмаған белоктардың денатурациясына және термодинамикалық тұрақты белокты оқшаулауға әкеледі. Бұған бір мысал - гипертермофильді Pyrococcus abyssi-ден сілтілік фосфатазаны тазарту. Бұл фермент 95 °C-тан жоғары температурада жылу тұрақтылығымен танымал, сондықтан E. coli-да гетерологты түрде экспрессияланған кезде қыздыру арқылы ішінара тазартылуы мүмкін. Температураның жоғарылауы E. coli ақуыздарының тұнбалануына себеп болады, ал P. abyssi сілтілік фосфатаза ерітіндіде тұрақты болып қалады.
Гликозидтер гидролаздары
Термоқалыпты ферменттердің тағы бір маңызды тобы - гликозид гидролазалар. Бұл ферменттер биомассаның негізгі бөлігінің, яғни крахмал мен лигноцеллюлозадағы полисахаридтердің ыдырауына жауапты. Осылайша, гликозид гидролазалары болашақ биоэкономикадағы биоқарақтандыру қолданбаларына үлкен қызығушылық танытуда. Мысалы, азық-түлік қолдану үшін моносахаридтерді өндіру, сондай-ақ отын (этанол) мен химиялық аралықта микробиологиялық түрлендіру үшін көміртек көзі ретінде пайдалану, пребиотикалық қолдану үшін олигосахаридтерді өндіру және алкил гликозидті типтегі беткі белсенді заттарды өндіру. Бұл процестердің барлығы көбінесе полисахаридтер гидролизіне жәрдемдесу үшін жылулық өңдеуді қамтиды, сондықтан гликозид гидролазаларының термостабиль нұсқалары осы жағдайда маңызды рөл атқарады.
Белоктардың термостабильділігін жақсарту тәсілдері
Протеин инженериясы протеиндердің термоқатықтығын арттыру үшін пайдаланылуы мүмкін. Нысаналы белоктардың термостабильділігін арттыру үшін, бағытталған эволюциядан басқа, бірнеше сайтқа бағытталған және кездейсоқ мутагенез әдістері қолданылды. Термофильді гомологтармен салыстыру негізінде мезофильді ақуыздардың тұрақтылығын арттыру үшін салыстырмалы әдістер қолданылды. Сонымен қатар, молекулалық динамика арқылы ақуыздың ашылуын талдау, ашылу процесін түсіну үшін, содан кейін тұрақтандырушы мутацияларды жобалау үшін пайдаланылуы мүмкін. Рационалды протеин инженериясы протеиннің термоқатықтығын арттыру үшін циклдерді кесіп тастайтын, тұз көпірлерін немесе сутекті байланыстарды ұлғайтатын, дисульфидті байланыстарды енгізетін мутацияларды қамтиды. Сонымен қатар, лигандты байлау ақуыздың тұрақтылығын, әсіресе тазартылған кезде, арттыра алады. Белгілі бір белоктың термоқатықтығын қамтамасыз ететін әр түрлі күштер бар. Бұл күштерге гидрофобтық өзара әрекеттесулер, электростатикалық өзара әрекеттесулер және дисульфидті байланыстардың болуы жатады. Белгілі бір белоктың термостабильділігіне оның жалпы гидрофобтылығы әсер етеді. Белсенің термоқатықтығына жауапты күштің тағы бір түрі молекулалар арасындағы электростатикалық өзара әрекеттесулер болып табылады. Бұл өзара әрекеттесулерге тұз көпірлері мен сутекті байланыстар жатады. Тұз көпірлері жоғары температураға әсер етпейді, сондықтан олар ақуыздар мен ферменттердің тұрақтылығы үшін қажет. Белдіктер мен ферменттердің термоқатықтылығын арттыру үшін қолданылатын үшінші күш - дисульфидті байланыстардың болуы. Олар полипептидтік тізбектер арасында ковалентті қиылысқан байланыстарды көрсетеді. Бұл байланыстар ең мықты, себебі олар ковалентті байланыстар, яғни молекулааралық күштерден мықты. Гликозилирлеу - бұл белоктардың термоқатықтығын жақсартудың тағы бір жолы. Көмірсулар мен белок арасындағы өзара әрекеттестікті тұрақтандырудағы стереоэлектрондық әсерлер гликозильденген белоктың термостабилизациясына әкелуі мүмкін. Көптеген ферменттердің термоқатықтылығын арттыру үшін N ұшы C ұшымен ковалентті түрде байланыстырып циклдік ферменттер қолданылды. Интейн циклизациясы мен SpyTag/SpyCatcher циклизациясы жиі қолданылады.
Термостабильді токсиндер
Кейбір улы саңырауқұлақтарда термостабильді токсиндер бар, мысалы, өлім шапанының және күзгі бас сүйек шапанының саңырауқұлақтарында және қалыптардың патулині. Сондықтан оларды жылумен жағу улы заттарды жоймайды және бұл азық-түлік қауіпсіздігі үшін ерекше алаңдаушылық тудырады.