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termoestabilidad

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]

En ciencia de materiales y biología molecular , la termoestabilidad es la capacidad de una sustancia para resistir cambios irreversibles en su estructura química o física, a menudo resistiendo la descomposición o la polimerización , a una temperatura relativa alta .

Los materiales termoestables pueden utilizarse industrialmente como retardadores de fuego . Es probable que un plástico termoestable , un término poco común y poco convencional, se refiera a un plástico termoestable que no se puede remodelar cuando se calienta, que a un termoplástico que se puede refundir 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, se rompen 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 inferiores a 50 °C, normalmente entre 15 y 50 °C. Dentro de estos organismos hay macromoléculas (proteínas y ácidos nucleicos) que forman las estructuras tridimensionales esenciales para su actividad enzimática. [2] Por encima de la temperatura natural del organismo, la energía térmica puede provocar el despliegue y la desnaturalización , ya que el calor puede romper los enlaces intramoleculares en la estructura terciaria y cuaternaria. Este desarrollo dará como resultado una pérdida de actividad enzimática, lo que es comprensiblemente perjudicial para la continuidad de las funciones vitales. Un ejemplo de ello es la desnaturalización de las proteínas de la albúmina desde un líquido transparente, casi incoloro, hasta un gel blanco opaco e insoluble.

Las proteínas capaces de soportar temperaturas tan altas en comparación con las proteínas que no pueden, generalmente provienen de microorganismos que son hipertermófilos. Estos organismos pueden soportar temperaturas superiores a 50 °C, ya que normalmente viven en ambientes de 85 °C o más. [3] Existen ciertas formas de vida termófilas que pueden soportar temperaturas superiores a ésta y tienen las adaptaciones correspondientes para preservar la función de las proteínas a estas temperaturas. [4] Estos pueden incluir propiedades globales alteradas de la célula para estabilizar todas las proteínas, [5] y cambios específicos en proteínas individuales. La comparación de proteínas homólogas presentes en estos termófilos y otros organismos revela 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/o puentes disulfuro adicionales que estabilizan la estructura. [6] [7] Otros factores de la termoestabilidad de las proteínas son la compacidad de la estructura de las proteínas, [8] la oligomerización, [9] y la fuerza de interacción entre las subunidades.

Usos y aplicaciones

Reacciones en cadena de la polimerasa

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

Aditivos alimentarios

A menudo se añaden enzimas a los piensos para animales para mejorar la salud y el crecimiento de los animales de granja, en particular pollos y cerdos. El alimento normalmente se trata con vapor a alta presión para matar bacterias como la Salmonella . Por lo tanto, las enzimas añadidas (por ejemplo, fitasa y xilanasa ) deben poder resistir este desafío térmico sin ser inactivadas irreversiblemente. [11]

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 las 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 la fosfatasa alcalina del hipertermófilo Pyrococcus abyssi . Esta enzima es conocida por ser termoestable a temperaturas superiores a 95 °C y, por lo tanto, puede purificarse parcialmente mediante calentamiento cuando se expresa de forma heteróloga en E. coli . [12] El aumento de temperatura hace que las proteínas de E. coli precipiten, mientras que la fosfatasa alcalina de P. abyssi permanece estable en solución.

Hidrolasas de glucósido

Otro grupo importante de enzimas termoestables son las glucósidos hidrolasas . Estas enzimas son responsables de la degradación de la fracción mayoritaria de la biomasa, los polisacáridos presentes en el almidón y la lignocelulosa. Por tanto, las glucósido hidrolasas están ganando gran interés en aplicaciones de biorrefinación en la bioeconomía del futuro. [13] Algunos ejemplos son la producción de monosacáridos para aplicaciones alimentarias, así como su uso como fuente de carbono para la conversión microbiana en combustibles (etanol) e intermediarios químicos, la producción de oligosacáridos para aplicaciones prebióticas y la producción de tensioactivos tipo alquilglicósido. Todos estos procesos implican a menudo tratamientos térmicos para facilitar la hidrólisis del polisacárido, por lo que las variantes termoestables de las glucósido hidrolasas 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 , [14] [15], además de la evolución dirigida , [16] 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 . [17] [18] [19] [20] Además, el análisis del desarrollo de la proteína mediante dinámica molecular se puede utilizar para comprender el proceso de desarrollo y luego diseñar mutaciones estabilizadoras. [21] La ingeniería de proteínas racional para aumentar la termoestabilidad de las proteínas incluye mutaciones que truncan bucles, aumentan los puentes salinos [22] o los enlaces de hidrógeno, introducen enlaces disulfuro . [23] Además, la unión del ligando puede aumentar la estabilidad de la proteína, particularmente cuando se purifica. [24] 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 salinos y enlaces de hidrógeno. Los puentes salinos no se ven afectados por las altas temperaturas, por lo que 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, lo que los hace más fuertes que las fuerzas intermoleculares. [25] La glicosilación es otra forma de mejorar la termoestabilidad de las proteínas. Los efectos estereoelectrónicos en las interacciones estabilizadoras entre carbohidratos y proteínas pueden conducir a la termoestabilización de la proteína glicosilada. [26] La ciclación de enzimas uniendo covalentemente el extremo N al extremo C se ha aplicado para aumentar la termoestabilidad de muchas enzimas. A menudo se han empleado la ciclación Intein y la ciclación SpyTag/SpyCatcher . [27] [28]

Toxinas termoestables

Ciertos hongos venenosos contienen toxinas termoestables , como la amatoxina que se encuentra en el casquete mortal y los hongos escutelaria del otoño y la patulina del moho. Por lo tanto, aplicarles calor no eliminará la toxicidad y es de particular preocupación para la seguridad alimentaria. [29]

Ver también

Termófilos

Referencias

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