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Termoestabilidad

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

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

Los materiales termoestables pueden utilizarse industrialmente como retardantes de fuego . Un plástico termoestable , un término poco común y poco convencional, es probable que se refiera a un plástico termoendurecible que no se puede volver a moldear cuando se calienta, en lugar de a un termoplástico que se puede volver a fundir y moldear.

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 interrumpen 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, comúnmente de 15 a 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 nativa del organismo, la energía térmica puede causar el desdoblamiento y la desnaturalización , ya que el calor puede alterar los enlaces intramoleculares en la estructura terciaria y cuaternaria. Este desdoblamiento dará como resultado la pérdida de la actividad enzimática, lo que es comprensiblemente perjudicial para la continuidad de las funciones vitales. Un ejemplo de esto es la desnaturalización de las proteínas en la albúmina, de un líquido transparente, casi incoloro a 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 generalmente viven en entornos de 85 °C y superiores. [3] Existen ciertas formas de vida termófilas que pueden soportar temperaturas superiores a esta y tienen adaptaciones correspondientes para preservar la función de las proteínas a estas temperaturas. [4] Estas pueden incluir propiedades en masa 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 la proteína. 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 desdoblamiento. De manera similar, las proteínas termoestables son ricas en puentes salinos o/y puentes disulfuro adicionales que estabilizan la estructura. [6] [7] Otros factores de la termoestabilidad de las proteínas son la compacidad de la estructura de la proteína, [8] la oligomerización, [9] y la interacción de fuerza entre subunidades.

Usos y aplicaciones

Reacciones en cadena de la polimerasa

Las ADN polimerasas 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 las 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 para piensos

Las enzimas se añaden a menudo a los piensos para mejorar la salud y el crecimiento de los animales de granja, en particular de los pollos y los cerdos. El pienso suele tratarse con vapor a alta presión para matar bacterias como la Salmonella . Por lo tanto, las enzimas añadidas (por ejemplo, la fitasa y la xilanasa ) deben poder soportar este desafío térmico sin inactivarse de forma irreversible. [11]

Purificación de proteínas

El conocimiento de la resistencia de una enzima a 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 la fosfatasa alcalina del hipertermófilo Pyrococcus abyssi . Esta enzima es conocida por ser termoestable a temperaturas superiores a 95 °C y, por lo tanto, se puede purificar parcialmente mediante calentamiento cuando se expresa heterólogamente 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 glicósidos

Otro grupo importante de enzimas termoestables son las glicósido 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 ello, las glicósido hidrolasas están ganando un 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 surfactantes tipo alquil glicósido. Todos estos procesos a menudo implican tratamientos térmicos para facilitar la hidrólisis del polisacárido, por lo que confieren a las variantes termoestables de las glicósido hidrolasas 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 dirigida al sitio y aleatoria, [14] [15] además de la evolución dirigida , [16] para aumentar la termoestabilidad de las proteínas objetivo. Se han utilizado métodos comparativos para aumentar la estabilidad de las proteínas mesófilas basándose en la comparación con homólogos termófilos . [17] [18] [19] [20] Además, el análisis del desdoblamiento de la proteína por dinámica molecular se puede utilizar para comprender el proceso de desdoblamiento y luego diseñar mutaciones estabilizadoras. [21] La ingeniería de proteínas racional para aumentar la termoestabilidad de la proteína incluye mutaciones que truncan bucles, aumentan los puentes salinos [22] o 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 que es 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 altas temperaturas, por lo tanto, son necesarios para la estabilidad de proteínas y 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 la estabilización de las interacciones entre carbohidratos y proteínas pueden conducir a la termoestabilización de la proteína glicosilada. [26] La ciclación de enzimas mediante la unión covalente del extremo N al extremo C se ha aplicado para aumentar la termoestabilidad de muchas enzimas. La ciclación de inteínas y la ciclación de SpyTag/SpyCatcher se han empleado con frecuencia. [27] [28]

Toxinas termoestables

Ciertos hongos venenosos contienen toxinas termoestables , como la amatoxina presente en los hongos de la muerte y la escutelaria otoñal y la patulina de los mohos. Por lo tanto, la aplicación de calor a estos hongos no eliminará la toxicidad y es de particular preocupación para la seguridad alimentaria. [29]

Véase también

Termófilos

Referencias

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Enlaces externos

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