Жизнь микробов в экстремальных условиях - Кашнер Д.
Скачать (прямая ссылка):
При выяснении молекулярных основ термофилии важно выбрать для исследования такой белок, на котором можно было бы установить связь термостабилыюсти со структурой полипептид-ной цепи. Как отметили Хокинг и Харрис (Hocking, Harris, 1976), различие между величинами, характеризующими свободную энергию стабилизации термофильных и мезофильных белков, по-видимому, невелико, что указывает на предпочтительность выбора специфического термофильного белка, обладающего высокой внутренней термостабилы-юстыо по сравнению с гомологичным белком из подходящего мезофильного источника.
Например, не удивительно, что трехмерная структура термоли-.зина не обнаруживает каких-либо необычных стабилизирующих взаимодействий, так как апофермент имеет почти такую же тер-мостабильность, как и другие протеазы; различие состоит лишь в том, что термолизин имеет дополнительные участки связывания ионов Са2+. С другой стороны, вероятно, все апоферредок-'сины характеризуются высокой термостабильностью, а главное различие между ними заключается в их сродстве к атомам же-.леза и сульфид-ионам.
Даже если подобран идеальный белок, его повышенная термостабильность может быть обусловлена лишь немногими ключевыми заменами аминокислот в первичной структуре. В этой связи следует упомянуть работу Ленгриджа (Langridge, 1968). При изучении гена р-галактозидазы у Е. coli было обнаружено -56 амбер-мутаций, которые супрессировались путем скрещивания штаммов, несущих эти мутации, со штаммом, содержащим супрессорный ген supD. У полученных в результате скрещивания рекомбинантов была проверена стабильность ферментов, отличавшихся от исходных лишь положением серина, включенного в то место белковой цепи, которое соответствовало бессмысленному кодону. При сравнении с нормальным ферментом некоторые ферменты из супрессированных штаммов оказались весьма термолабильными. Другие эксперименты показали, что степень стабильности ферментов определялась специфическим положением в полипептидной цепи включенной аминокислоты и ие зависела • от ее природы. Подобные данные подчеркивают, какое огромное влияние может оказать на термостабильность молекулы белка .замена в ней всего лишь одной аминокислоты.
Физико-химическое изучение термофильных белков не выяви--ло в них каких-либо необычных структурных свойств, связанных с их повышенной термостабильностью. Другими словами, термофильные белки имеют такое же содержание участков с а-спи-ральной конфигурацией и p-структурой и такое же число гидрофобных групп, как и аналоги из мезофильных организмов, т. е. в физико-химическом отношении эти белки вполне гомологичны .друг другу. Основываясь на наших знаниях структуры белков, следует ожидать, что участки, имеющие u-спиральную конфигурацию и (5-структуру, более стабильны, чем многие другие участки молекулы, благодаря водородным связям и дополнительной стабилизации, обусловленной взаимодействиями боковых цепей. У мезофильных белков эти участки также потенциально термостабильны. Чен и Лорд (Chen, Lord, 1976) использовали лазерную рамановскую спектроскопию для прослеживания за развертыванием молекулы рибонуклеазы А под действием нагревания. Они нашли, что при 70°С в ней сохраняется существенная часть «-спиральной и p-структуры. Кроме того, при температурах рос-
та большинства термофилов гидрофобные участки как термофильных, так и мезофильных белков должны быть стабильными; хотя стабильность гидрофобных взаимодействий снижается при температуре выше 60°С, во всем температурном интервале роста термофилов они сильнее, чем при температурах роста мезофилов. Так как развертывание глобулярных белков имеет- некоторые особенности, характерные для кооперативных процессов, различие в термостабильности термофильных и мезофильных ¦белков может быть связано лишь с немногими участками молекулы, денатурация которых приводит к денатурации остальной части молекулы. В этом отношении наиболее важными являются, возможно, N-концевой и С-концевой участки молекулы наряду с другими критическими участками, расположенными вблизи -ее поверхности. В качестве примера можно привести молекулу рибонуклеазы А, в которой при детальном исследовании ее тепловой денатурации (Burgess, Scheraga, 1975) были выявлены участки, обладающие различной термостабильностью. В интервале температур 35—45°С отрезок цепи между аминокислотными остатками в положениях 17 и 25 разворачивается без инактивации фермента. Этот участок расположен иа поверхности молекулы и содержит пять нейтральных гидрофильных групп и два остатка аланина. Такой отрезок цепи легко реагирует с водой, но характеризуется слабым взаимодействием с гидрофобной сердцевиной молекулы. Вероятно, включение в него аминокислотного остатка, способного взаимодействовать с гидрофобной сердцевиной, могло бы стабилизировать этот отрезок. С-кон-цевой участок (аминокислотные остатки 104—124) не разворачивается при нагревании приблизительно до 60°С, и вероятно, он мог бы оставаться интактным и при более высокой температуре, •если бы при этом не разворачивались другие участки молекулы. Этот участок не имеет какой-либо упорядоченной вторичной структуры, но он богат неполярными группами, содержит а-, р- и 7-карбоксильные группы и образует компактную петлю. Удаление из С-концевого участка четырех аминокислотных остатков, в число которых входит валин и аминокислоты, содержащие а- и p-карбоксильные группы, приводит к значительной инактивации фермента. N-конец молекулы имеет спиральную структуру и еще 'более устойчив, чем С-конец, однако эта стабильность зависит от взаимодействий его боковых цепей с гидрофобной сердцевиной. И в данном случае боковые цепи, участвующие в этих взаимодействиях, являются гидрофобными и кислыми. Следовательно, можно представить себе, что гомологичные мезофильные и термофильные белки кооперативно свертываются с образованием компактных молекул со сходной вторичной и третичной структурой, содержащих множество участков с одинаковой термоста-<билы-юстыо у обоих типов молекул и отличающихся термоста-
