Гіпертермофільні білки

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 °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

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

Термодинаміка та стратегії термостійкості

Термодинамічна стійкість білків кількісно визначається вільною енергією Гібса.

Термостабільність білки досягають різними способами:

1. Збільшення числа йонних взаємодій    
2. Збільшення ступеня гідрофобного згортання    
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)

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.

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 $\Delta G_{U}$протягом всього діапазону температур
2. Зсув діапазону температур до високих без зміни максимальної $\Delta G_{U}$
3. 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.

Особливості фолдингу

Роль флуктуацій у термостабільності білку

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.

Порівняння фолдингу гіпертермофільних білків з мезофільними

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.