Termoestabilidad
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Estructura cristalina de la β-glucosidasa de Thermotoga neapolitana (PDB: 5IDI ). Proteína termoestable, activa a 80 ° C y con temperatura de despliegue de 101 ° C. [1]

La termoestabilidad es la cualidad de una sustancia para resistir cambios irreversibles en su estructura química o física, a menudo resistiendo la descomposición o polimerización, a una temperatura relativa alta.

Los materiales termoestables se pueden utilizar industrialmente como retardadores de fuego . Un plástico termoestable , un término poco común y poco convencional, probablemente se refiera a un plástico termoendurecible que no se puede remodelar cuando se calienta, que a un termoplástico que se puede volver a fundir y refundir.

La termoestabilidad también es una propiedad de algunas proteínas. Ser una proteína termoestable significa ser resistente a los cambios en la estructura de la proteína debido al calor aplicado.

Proteínas termoestables

A medida que se agrega calor, esto altera los enlaces intramoleculares que se encuentran en la estructura terciaria de las proteínas, lo que hace que la proteína se despliegue y se vuelva inactiva.

La mayoría de las formas de vida en la Tierra viven a temperaturas de menos de 50 ° C, comúnmente de 15 a 50 ° C. Dentro de estos organismos se encuentran macromoléculas (proteínas y ácidos nucleicos) que forman las estructuras tridimensionales esenciales para su actividad enzimática. [2] Por encima de la temperatura nativa del organismo, la energía térmica puede causar el despliegue y la desnaturalización , ya que el calor puede romper los enlaces intramoleculares en la estructura terciaria y cuaternaria. Este despliegue dará como resultado la pérdida de la actividad enzimática, que es comprensiblemente perjudicial para las funciones vitales continuas. Un ejemplo de ello es la desnaturalización de proteínas en la albúmina de un líquido transparente casi incoloro a un gel insoluble de color blanco opaco.

Las proteínas capaces de resistir temperaturas tan altas en comparación con las proteínas que no pueden, son generalmente de microorganismos que son hipertermófilos. Dichos organismos pueden soportar temperaturas superiores a 50 ° C, ya que normalmente viven en entornos de 85 ° C o más. [3] Existen ciertas formas de vida termofílicas que pueden soportar temperaturas superiores a esta, y tienen adaptaciones correspondientes para preservar la función de las proteínas a estas temperaturas. [4] Estos pueden incluir propiedades volumétricas alteradas de la célula para estabilizar todas las proteínas, [5] y cambios específicos en proteínas individuales. Comparando homólogosLas proteínas presentes en estos termófilos y otros organismos revelan algunas diferencias en la estructura de las proteínas. Una diferencia notable es la presencia de enlaces de hidrógeno adicionales en las proteínas del termófilo, lo que significa que la estructura de la proteína es más resistente al despliegue. De manera similar, las proteínas termoestables son ricas en puentes salinos y / y puentes disulfuro adicionales que estabilizan la estructura. [6] [7] Otros factores de termoestabilidad de la proteína son la compacidad de la estructura de la proteína, [8] oligomerización, [9] y la interacción de fuerza entre subunidades.

Usos y aplicaciones

Reacciones en cadena de la polimerasa

Las enzimas termoestables como la polimerasa Taq y la polimerasa de ADN Pfu se utilizan en reacciones en cadena de la polimerasa (PCR) en las que se utilizan temperaturas de 94 ° C o más para fundir las cadenas de ADN en la etapa de desnaturalización de la PCR. [10] Esta resistencia a altas temperaturas permite que la ADN polimerasa alargue el ADN con una secuencia de interés deseada con la presencia de dNTP.

Purificación de proteínas

El conocimiento de la resistencia de una enzima a las altas temperaturas es especialmente beneficioso en la purificación de proteínas . En el procedimiento de desnaturalización por calor, se puede someter una mezcla de proteínas a altas temperaturas, lo que dará como resultado la desnaturalización de proteínas que no son termoestables y el aislamiento de la proteína que es termodinámicamente estable. Un ejemplo notable de esto se encuentra en la purificación de fosfatasa alcalina del hipertermófilo Pyrococcus abyssi . Esta enzima es conocida por ser termoestable a temperaturas superiores a 95 ° C y, por tanto, puede purificarse parcialmente mediante calentamiento cuando se expresa heterólogamente en E. coli . [11] El aumento de temperatura provoca que la E. colilas proteínas precipitan, mientras que la fosfatasa alcalina de P. abyssi permanece estable en solución.

Hidrolasas de glucósido

Otro grupo importante de enzimas termoestables son las glucósido hidrolasas . Estas enzimas son responsables de la degradación de la mayor parte de la biomasa, los polisacáridos presentes en el almidón y la lignocelulosa. Por tanto, las glucósido hidrolasas están ganando un gran interés en las aplicaciones de biorrefino en la bioeconomía futura. [12] Algunos ejemplos son la producción de monosacáridos para aplicaciones alimentarias así como su uso como fuente de carbono para conversión microbiana en combustibles (etanol) e intermedios químicos, producción de oligosacáridos para aplicaciones prebióticas y producción de tensioactivos tipo alquil glucósido. Todos estos procesos a menudo implican tratamientos térmicos para facilitar la hidrólisis del polisacárido, por lo que dan variantes termoestables delas hidrolasas de glucósido desempeñan un papel importante en este contexto.

Enfoques para mejorar la termoestabilidad de las proteínas

La ingeniería de proteínas se puede utilizar para mejorar la termoestabilidad de las proteínas. Se han utilizado varias técnicas de mutagénesis aleatoria y dirigida al sitio , [13] [14] además de la evolución dirigida , [15] para aumentar la termoestabilidad de las proteínas diana. Se han utilizado métodos comparativos para aumentar la estabilidad de proteínas mesófilas basándose en la comparación con homólogos termófilos . [16] [17] [18] [19] Además, el análisis del despliegue de proteínas por dinámica molecularse puede utilizar para comprender el proceso de desarrollo y luego diseñar mutaciones estabilizadoras. [20] La ingeniería racional de proteínas para aumentar la termoestabilidad de las proteínas incluye mutaciones que truncan bucles, aumentan los puentes salinos [21] o enlaces de hidrógeno, introducen enlaces disulfuro . [22] Además, la unión del ligando puede aumentar la estabilidad de la proteína, particularmente cuando se purifica. [23]Hay varias fuerzas diferentes que permiten la termoestabilidad de una proteína en particular. Estas fuerzas incluyen interacciones hidrofóbicas, interacciones electrostáticas y la presencia de enlaces disulfuro. La cantidad total de hidrofobicidad presente en una proteína particular es responsable de su termoestabilidad. Otro tipo de fuerza responsable de la termoestabilidad de una proteína son las interacciones electrostáticas entre moléculas. Estas interacciones incluyen puentes de sal y enlaces de hidrógeno. Los puentes salinos no se ven afectados por las altas temperaturas, por lo tanto, son necesarios para la estabilidad de las proteínas y las enzimas. Una tercera fuerza utilizada para aumentar la termoestabilidad en proteínas y enzimas es la presencia de enlaces disulfuro. Presentan enlaces cruzados covalentes entre las cadenas polipeptídicas. Estos enlaces son los más fuertes porque son enlaces covalentes,haciéndolos más fuertes que las fuerzas intermoleculares.[24] La glicosilación es otra forma de mejorar la termoestabilidad de las proteínas. Los efectos estereoelectrónicos en la estabilización de interacciones entre carbohidratos y proteínas pueden conducir a la termoestabilización de la proteína glicosilada. [25]

Toxinas termoestables

Ciertos hongos venenosos contienen toxinas termoestables , como la amatoxina que se encuentra en el casquete de la muerte y los hongos casquete de otoño y la patulina de los mohos. Por lo tanto, aplicar calor a estos no eliminará la toxicidad y es de particular interés para la seguridad alimentaria. [26]

Ver también

Termófilos
  • Thermus thermophilus
  • Thermus aquaticus
  • Pyrococcus furiosus

Referencias

  1. ^ Kulkarni TS, Khan S, Villagomez R, Mahmood T, Lindahl S, Logan DT, Linares-Pastén JA, Nordberg Karlsson E (mayo de 2017). "Estructura cristalina de la β-glucosidasa 1A de Thermotoga neapolitana y comparación de mutantes del sitio activo para la hidrólisis de glucósidos flavonoides". Las proteínas . 85 (5): 872–884. doi : 10.1002 / prot.25256 . PMID  28142197 . S2CID  27832389 .
  2. ^ Kandhari, Nitika; Sinha, Somdatta (26 de junio de 2017). "Análisis de redes complejas de mutantes termoestables de Bacillus subtilis Lipase A" . Ciencia de redes aplicada . 2 (1): 18. doi : 10.1007 / s41109-017-0039-y . ISSN 2364-8228 . PMC 6214246 . PMID 30443573 .   
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  4. ^ Takami H, Takaki Y, Chee GJ, Nishi S, Shimamura S, Suzuki H, Matsui S, Uchiyama I (2004). "Rasgo de termoadaptación revelado por la secuencia del genoma termofílico de Geobacillus kaustophilus" . Investigación de ácidos nucleicos . 32 (21): 6292-303. doi : 10.1093 / nar / gkh970 . PMC 535678 . PMID 15576355 .  
  5. ^ Neves C, da Costa MS, Santos H (diciembre de 2005). "Solutos compatibles del hipertermófilo Palaeococcus ferrophilus: osmoadaptación y termoadaptación en el orden termococcales" . Microbiología aplicada y ambiental . 71 (12): 8091–8. doi : 10.1128 / AEM.71.12.8091-8098.2005 . PMC 1317470 . PMID 16332790 .  
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enlaces externos

  • Termoestabilidad de las proteínas
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