Увеличение числа солевых мостиков служит универсальным механизмом повышения термоустойчивости

Стратегия приспособления к тому или иному температурному диапазону состоит в изменении числа или типа слабых взаимодействий в молекуле фермента. Приспособление к более высоким температурам связано с приобретением одной или нескольких дополнительных слабых связей.

Изменения каталитических свойств ферментов, т.е. их энергий активации, являются одним из важнейших типов приспособительных реакций организмов к изменяющимся температурным условиям и происходят в результате модификаций молекул ферментов.

Влияние высокой температуры на ферменты

Прежде всего, температура влияет на скорость диффузии, и как следствие, на скорость химических реакций (прямое влияние). Кроме того, она вызывает изменение структуры белковых макромолекул (косвенное влияние). Это приводит не только к изменению активности ферментов, но и к увеличению проницаемости мембран, нарушению гомеостаза, изменению взаимодействия между липидами, комплементарными цепями нуклеиновых кислот и белками, гормонами и рецепторами.

Денатурация белков и нарушения структуры мембран являются первыми звеньями повреждения клеток при высокой температуре.

С увеличением температуры скорости ферментативных реакций возрастают. Зависимость скорости реакции от температуры носит экспоненциальный характер, что описывается уравнением Аррениуса:

k = Ae-Ea/RT,

где k – констранта скорости реакции; Ea – энергия активации реакции; R –

газовая постоянная; Т – абсолютная температура; А – коэффициент

пропорциональности.

Из уравнения следует, что энергия активации наряду с температурой определяет скорость реакции. Скорость реакции тем выше, чем ниже энергия активации. Функция ферментов состоит в снижении энергии активации ферментативных реакций. Чем выше эффективность фермента, тем до более низкого значения снижается энергия активации.

У пойкилотермных организмов, обитающих при пониженных температурах, ферменты характеризуются более эффективным катализом, т.е. более низкими значениями энергии активации реакций. У организмов, обитающих в условиях теплого климата, наоборот, ферменты менее эффективны, т.е. энергия активации катализируемых ими реакций имеет более высокие значения. Энергии активации ферментативных реакций изменяются также при акклимации организмов к новым температурным условиям: при понижении температуры они снижаются, а при повышении – возрастают.

Конформационные изменения ферментов в ходе каталитической реакции сопровождаются разрывом или образованием слабых связей (водородных, электростатических, ван-дер-ваальсовых и гидрофобных), при этом освобождается или поглощается энергия. Энергетические сдвиги, связанные с изменением конформации, лежат в основе различий в величинах энергий активации ферментативных реакций.

Для конформационных изменений ферментов с более гибкой структурой при катализе требуется меньше энергии. У фермента с жесткой структурой конформационные изменения невозможны. Он был бы стабильным и долговечным, но нереакционноспособным. Фермент может сохранять свою структурную целостность и в то же время функционировать, когда между его стабильностью и гибкостью существует равновесие. Ферменты организмов, приспособленных к высоким температурам, для сохранения структурной целостности и функциональной активности должны иметь более жесткую структуру. Для ферментов организмов, приспособленных к низким температурам, необходима повышенная гибкость.

Дополнительные связи повышают термостабильность белка и в то же время снижают его каталитическую эффективность (увеличивают энергию активации). Разновидности ферментов, осуществляющих эффективный катализ при изменении температурных условий, появляются в результате модификаций их первичной структуры.

Другим типом приспособительных реакций растений к изменяющимся температурным условиям является поддержание относительно постоянного соотношения между константой Михаэлиса (Км) и концентрацией субстрата (S).

Как показали эксперименты на выделенных ферментах, изменения температуры приводят к изменениям константы Михаэлиса. Она растет при повышении температуры. Известно 2 пути поддержания постоянства этой константы:

Первый – за счет изменений первичной структуры белка,

Второй – за счет изменения среды, в которой фермент функционирует.

Изменения первичной структуры белка могут происходить в эволюционном масштабе времени и приводить к появлению новых форм белка и соответственно новых признаков (адаптация). Новые разновидности фермента с кинетическими свойствами, отвечающими новым температурным условиям, могут появиться также в результате индукции стрессовых генов при акклимации растения к температурному сдвигу. В результате появляются новые изоформы фермента, которые позволяют растениям приспосабливаться к диапазону температур.

Важное значение имеет рН среды, в которой фермент функционирует. При повышении температуры в клетках растений снижается рН цитоплазмы. Многие растения способны компенсировать влияние температуры на скорость биохимических реакций путем изменения содержания ферментов в клетках. В первую очередь это относится к ферментам, лимитирующим скорость ключевых процессов метаболизма, например, фотосинтеза и дыхания.

Высокая структурная и функциональная устойчивость белков термофильных бактерий объясняется особенностями их аминокислотного состава. Повышение термостабильности обеспечивается всего одной или двумя дополнительными электростатическими связями.

Сравнительные исследования трехмерной структуры белков, проведенные с помощью рентгеноструктурного анализа, показали, что термоустойчивость белкам термофильных бактерий придают также некоторые другие особенности их структуры. Гидрофобность внутренних частей белка у термофилов больше, чем у мезофилов. Поскольку при повышении температуры гидрофобные взаимодействия стабилизируются, структура такой белковой молекулы становится более прочной. У белков термофилов боковые цепи алифатических аминокислот удлинены, что усиливает гидрофобные взаимодействия. Устойчивость к высоким температурам придают термофилам также протекторные соединения. Аппарат белкового синтеза у них защищен от денатурации полиаминами. Обнаружены также структурные модификации тРНК и рибосомных РНК. Они содержат больше Г-Ц-пар оснований, чем гомологичные РНК мезофилов. Известно, что пары оснований Г-Ц более термостабильны, чем А-У.

Дата добавления: 2013-12-13