الثبات الحراري

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
البنية البلورية لإنزيم بيتا- غلوكوزيداز من بكتيريا ثيرموتوغا نيابوليتانا (PDB: 5IDI ). بروتين مقاوم للحرارة، نشط عند درجة حرارة 80 درجة مئوية، ودرجة حرارة فك طيه 101 درجة مئوية. [ 1 ]

في علم المواد وعلم الأحياء الجزيئي ، فإن الثبات الحراري هو قدرة المادة على مقاومة التغيير غير القابل للعكس في بنيتها الكيميائية أو الفيزيائية، وغالبًا ما يكون ذلك عن طريق مقاومة التحلل أو البلمرة ، عند درجة حرارة نسبية عالية .

يمكن استخدام المواد المقاومة للحرارة صناعياً كمواد مثبطة للهب . ويُرجح أن يشير مصطلح " البلاستيك المقاوم للحرارة" ، وهو مصطلح غير شائع وغير تقليدي، إلى نوع من البلاستيك المتصلد حرارياً الذي لا يمكن إعادة تشكيله عند تسخينه، وليس إلى نوع من البلاستيك الحراري الذي يمكن إعادة صهره وتشكيله.

تُعدّ الثباتية الحرارية أيضاً خاصية لبعض البروتينات . فالبروتين الثابت حرارياً يعني مقاومته للتغيرات في بنيته نتيجة تعرضه للحرارة.

البروتينات المقاومة للحرارة

عند إضافة الحرارة، يؤدي ذلك إلى تعطيل الروابط الجزيئية الموجودة في البنية الثلاثية للبروتينات، مما يتسبب في تفكك البروتين وتحوله إلى غير نشط.

تعيش معظم الكائنات الحية على الأرض في درجات حرارة أقل من 50  درجة مئوية، وتتراوح عادةً بين 15 و50  درجة مئوية. تحتوي هذه الكائنات على جزيئات ضخمة (بروتينات وأحماض نووية) تُشكّل البنى ثلاثية الأبعاد الضرورية لنشاطها الإنزيمي. [ 2 ] عند تجاوز درجة الحرارة الطبيعية للكائن الحي، قد تتسبب الطاقة الحرارية في تفكك هذه البنى وتغير طبيعتها ، إذ يمكن للحرارة أن تُعطّل الروابط الجزيئية الداخلية في البنية الثالثية والرابعية. يؤدي هذا التفكك إلى فقدان النشاط الإنزيمي، وهو أمر ضارٌّ بطبيعة الحال لاستمرار وظائف الحياة. ومن الأمثلة على ذلك تحوّل البروتينات في الألبومين من سائل شفاف عديم اللون تقريبًا إلى هلام أبيض معتم غير قابل للذوبان.

تُستخلص البروتينات القادرة على تحمل درجات حرارة عالية كهذه، مقارنةً بالبروتينات غير القادرة على ذلك، عمومًا من الكائنات الدقيقة المحبة للحرارة الشديدة. تستطيع هذه الكائنات تحمل  درجات حرارة تتجاوز 50 درجة مئوية، إذ تعيش عادةً في بيئات تصل درجة حرارتها إلى 85  درجة مئوية وما فوق. [ 3 ] توجد بعض الكائنات الحية المحبة للحرارة التي تستطيع تحمل درجات حرارة أعلى من ذلك، ولديها تكيفات خاصة للحفاظ على وظيفة البروتين عند هذه الدرجات. [ 4 ] قد تشمل هذه التكيفات تغيير الخصائص العامة للخلية لتحقيق استقرار جميع البروتينات، [ 5 ] وتغييرات محددة في بروتينات فردية. تكشف مقارنة البروتينات المتماثلة الموجودة في هذه الكائنات المحبة للحرارة وغيرها من الكائنات الحية عن بعض الاختلافات في بنية البروتين. أحد أبرز هذه الاختلافات هو وجود روابط هيدروجينية إضافية في بروتينات الكائنات المحبة للحرارة، مما يعني أن بنية البروتين أكثر مقاومة للتفكك. وبالمثل، فإن البروتينات المقاومة للحرارة غنية بالجسور الملحية و/أو روابط ثنائي الكبريتيد الإضافية التي تُثبّت البنية. [ 6 ] [ 7 ] العوامل الأخرى لثبات البروتين الحراري هي تماسك بنية البروتين، [ 8 ] وتكوين القليل، [ 9 ] وقوة التفاعل بين الوحدات الفرعية.

الاستخدامات والتطبيقات

تفاعلات البوليميراز المتسلسل

تُستخدم بوليميرازات الحمض النووي المقاومة للحرارة ، مثل بوليميراز Taq وبوليميراز Pfu، في تفاعلات البلمرة المتسلسلة (PCR)، حيث  تُستخدم درجات حرارة 94 درجة مئوية أو أعلى لفصل خيوط الحمض النووي في خطوة التمسخ. [ 10 ] تسمح هذه المقاومة للحرارة العالية لبوليميراز الحمض النووي بإطالة الحمض النووي بتسلسل مرغوب فيه بوجود النيوكليوتيدات ثلاثية الفوسفات (dNTPs).

إضافات الأعلاف

تُضاف الإنزيمات عادةً إلى علف الحيوانات لتحسين صحة ونمو حيوانات المزارع، وخاصة الدجاج والخنازير. ويُعالج العلف عادةً بالبخار عالي الضغط لقتل البكتيريا مثل السالمونيلا . لذلك ، يجب أن تكون الإنزيمات المضافة (مثل الفايتيز والزيلاناز ) قادرة على تحمل هذا التحدي الحراري دون أن تتعطل بشكل نهائي. [ 11 ]

تنقية البروتين

تُعدّ معرفة مقاومة الإنزيم لدرجات الحرارة العالية مفيدةً للغاية في تنقية البروتينات . ففي عملية التمسخ الحراري، يُمكن تعريض خليط من البروتينات لدرجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى تمسخ البروتينات غير المستقرة حراريًا، وعزل البروتين المستقر حراريًا. ومن الأمثلة البارزة على ذلك تنقية الفوسفاتاز القلوي من بكتيريا Pyrococcus abyssi المحبة للحرارة الشديدة . يُعرف هذا الإنزيم بثباته الحراري عند درجات حرارة أعلى من 95  درجة مئوية، ولذلك يُمكن تنقيته جزئيًا بالتسخين عند التعبير عنه بشكل غير متجانس في بكتيريا الإشريكية القولونية . [ 12 ] يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى ترسب بروتينات الإشريكية القولونية ، بينما يبقى الفوسفاتاز القلوي من P. abyssi مستقرًا في المحلول.

هيدرولازات الجليكوسيد

تُعدّ إنزيمات تحلل الغليكوزيدات مجموعةً مهمةً أخرى من الإنزيمات المقاومة للحرارة . هذه الإنزيمات مسؤولة عن تحلل الجزء الأكبر من الكتلة الحيوية، وهي السكريات المتعددة الموجودة في النشا واللجنين السليلوزي. ولذلك، تكتسب إنزيمات تحلل الغليكوزيدات اهتمامًا متزايدًا في تطبيقات التكرير الحيوي في الاقتصاد الحيوي المستقبلي. [ 13 ] ومن الأمثلة على ذلك إنتاج السكريات الأحادية للاستخدامات الغذائية، فضلًا عن استخدامها كمصدر للكربون في التحويل الميكروبي لإنتاج الوقود (الإيثانول) والوسائط الكيميائية، وإنتاج السكريات قليلة التعدد للتطبيقات الحيوية، وإنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي من نوع ألكيل غليكوزيد. غالبًا ما تتضمن جميع هذه العمليات معالجات حرارية لتسهيل تحلل السكريات المتعددة، مما يُعطي المتغيرات المقاومة للحرارة من إنزيمات تحلل الغليكوزيدات دورًا هامًا في هذا السياق.

أساليب لتحسين الثبات الحراري للبروتينات

يمكن استخدام هندسة البروتين لتعزيز استقرار البروتينات حراريًا. وقد استُخدمت العديد من تقنيات الطفرات الموجهة والموجهة عشوائيًا، [ 14 ] [ 15 ] بالإضافة إلى التطور الموجه ، [ 16 ] لزيادة استقرار البروتينات المستهدفة حراريًا. كما استُخدمت طرق مقارنة لزيادة استقرار البروتينات المحبة للحرارة المعتدلة بناءً على مقارنتها بنظائرها المحبة للحرارة العالية . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] علاوة على ذلك، يمكن استخدام تحليل تفكك البروتين بواسطة الديناميكا الجزيئية لفهم عملية التفكك ومن ثم تصميم طفرات مُثبِّتة. [ 21 ] تشمل هندسة البروتين العقلانية لزيادة استقرار البروتين حراريًا طفرات تُقصِّر الحلقات، أو تزيد من الجسور الملحية [ 22 ] أو الروابط الهيدروجينية، أو تُدخل روابط ثنائية الكبريتيد . [ 23 ] بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يزيد ارتباط الليجاند من استقرار البروتين، خاصةً عند تنقيته. [ 24 ] توجد قوى مختلفة تُسهم في استقرار البروتين حراريًا. تشمل هذه القوى التفاعلات الكارهة للماء، والتفاعلات الكهروستاتيكية، ووجود روابط ثنائية الكبريتيد. وتُعزى درجة كراهية الماء في البروتين إلى استقراره الحراري. ومن القوى الأخرى المسؤولة عن استقرار البروتين حراريًا التفاعلات الكهروستاتيكية بين الجزيئات، والتي تشمل الجسور الملحية والروابط الهيدروجينية. لا تتأثر الجسور الملحية بدرجات الحرارة العالية، لذا فهي ضرورية لاستقرار البروتينات والإنزيمات. أما القوة الثالثة التي تُسهم في زيادة استقرار البروتينات والإنزيمات حراريًا فهي وجود روابط ثنائية الكبريتيد، وهي روابط تساهمية متقاطعة بين سلاسل الببتيد. تُعد هذه الروابط الأقوى لأنها تساهمية، مما يجعلها أقوى من القوى بين الجزيئية. [ 25 ] يُعد الغليكوزيل طريقة أخرى لتحسين استقرار البروتينات حراريًا. يمكن أن تؤدي التأثيرات الفراغية الإلكترونية في تثبيت التفاعلات بين الكربوهيدرات والبروتين إلى استقرار البروتين المُغلْيكوزيلي حراريًا. [ 26 ] وقد طُبِّقَت عملية تحويل الإنزيمات إلى حلقات عن طريق ربط الطرف الأميني (N) بالطرف الكربوكسيلي (C) تساهميًا لزيادة استقرار العديد من الإنزيمات حراريًا.كثيراً ما تم استخدام تقنية التدوير الحلقي للإنترين وتقنية التدوير الحلقي لـ SpyTag/SpyCatcher . [ 27 ] [ 28 ]

سموم مقاومة للحرارة

تحتوي بعض الفطريات السامة على سموم مقاومة للحرارة ، مثل سم الأماتوكسين الموجود في فطر قبعة الموت وفطر قبعة الخريف ، وسم الباتولين الموجود في العفن. لذلك، فإن تعريض هذه الفطريات للحرارة لا يزيل سميتها، وهو أمر يثير قلقاً بالغاً فيما يتعلق بسلامة الغذاء . [ 29 ]

انظر أيضاً

الكائنات المحبة للحرارة

مراجع

  1. ↑ كولكارني تي إس، خان إس، فيلاغوميز آر، محمود تي، ليندال إس، لوغان دي تي، وآخرون (مايو 2017). "البنية البلورية لإنزيم بيتا-غلوكوزيداز 1A من بكتيريا  ثيرموتوغا نيابوليتانا ومقارنة طفرات الموقع النشط لتحلل غلوكوزيدات الفلافونويد". البروتينات . 85 (5): 872-884 . doi : 10.1002/prot.25256 . PMID 28142197. S2CID 27832389 .  
  2. ↑ كانداري ن، سينها س (26 يونيو 2017). "تحليل الشبكة المعقدة للطفرات المقاومة للحرارة من إنزيم الليباز أ في بكتيريا العصوية الرقيقة " . علم الشبكات التطبيقي . 2 (1): 18. doi : 10.1007/s41109-017-0039-y . PMC 6214246. PMID 30443573 .  
  3. ↑ دانسون إم جيه، هوف دي دبليو، راسل آر جيه، تايلور جي إل، بيرل إل (أغسطس 1996). "الثبات الحراري والنشاط الحراري للإنزيمات" . هندسة البروتين . 9 (8): 629-630 . doi : 10.1093/protein/9.8.629 . PMID 8875639 . 
  4. ↑ تاكامي هـ، تاكاكي ي، تشي جي جي، نيشي س، شيمامورا س، سوزوكي هـ، وآخرون (2004). " صفة التكيف الحراري التي كشف عنها تسلسل الجينوم لبكتيريا جيوباسيلوس كاوستوفيلوس المحبة للحرارة" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 32 (21): 6292-6303 . doi : 10.1093/nar/gkh970 . PMC 535678. PMID 15576355 .   
  5. ↑ نيفيس سي، دا كوستا إم إس، سانتوس إتش (ديسمبر 2005). "المذيبات المتوافقة مع بكتيريا Palaeococcus ferrophilus المحبة للحرارة المفرطة: التكيف الأسموزي والتكيف الحراري في رتبة المكورات الحرارية" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 71 (12): 8091-8098 . Bibcode : 2005ApEnM..71.8091N . doi : 10.1128/AEM.71.12.8091-8098.2005 . PMC 1317470. PMID 16332790 .  
  6. ↑ داس ر، جيرستين م (مايو 2000). "استقرار البروتينات المحبة للحرارة: دراسة قائمة على مقارنة شاملة للجينوم". علم الجينوم الوظيفي والتكاملي . 1 (1): 76-88 . doi : 10.1007/s101420000003 . PMID 11793224. S2CID 2717885 .  
  7. ↑ ماتسومورا م، بيكتيل دبليو جيه، ليفيت م، ماثيوز بي دبليو (سبتمبر 1989). "تثبيت الليزوزيم لفيروس T4 بواسطة روابط ثنائية الكبريتيد مُهندسة" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 86 (17): 6562-6566 . Bibcode : 1989PNAS...86.6562M . doi : 10.1073/pnas.86.17.6562 . PMC 297884. PMID 2671995 .  
  8. ↑ تومسون إم جيه، آيزنبرغ دي (يوليو 1999). "دليل عبر البروتينات على آلية حذف الحلقات لتعزيز الثبات الحراري للبروتين" . مجلة البيولوجيا الجزيئية . 290 (2): 595-604 . doi : 10.1006/jmbi.1999.2889 . PMID 10390356 . 
  9. ↑ تاناكا واي، تسوموتو كيه، ياسوتاكي واي، أوميتسو إم، ياو إم، فوكادا إتش، وآخرون . (يوليو 2004). "كيف يُسهم تكوين القليل في الثبات الحراري لبروتين من العتائق. بروتين L-إيزوأسبارتيل-O-ميثيل ترانسفيراز من سلفولوبوس توكوداي" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 279 (31): 32957-32967 . doi : 10.1074/jbc.M404405200 . PMID 15169774 .  
  10. ↑ سايكي آر كيه، جيلفاند دي إتش، ستوفيل إس، شارف إس جيه، هيغوتشي آر، هورن جي تي، وآخرون . (يناير 1988). "التضخيم الإنزيمي الموجه بالبادئ للحمض النووي باستخدام بوليميراز الحمض النووي المقاوم للحرارة". مجلة ساينس . 239 (4839): 487-491 . Bibcode : 1988Sci...239..487S . doi : 10.1126/science.239.4839.487 . PMID 2448875 .  
  11. ↑ كوريا، تي إل، ودي أراوجو، إي إف (سبتمبر 2020). "إنزيمات الفايتيز الفطرية: من الجينات إلى التطبيقات" . المجلة البرازيلية لعلم الأحياء الدقيقة . 51 (3): 1009-1020 . doi : 10.1007/s42770-020-00289-y . PMC 7455620. PMID 32410091 .  
  12. ↑ زابا إس، رولاند جيه إل، فلامان دي، غيغوين واي، بودران جيه، ديتريش جيه (أكتوبر 2001). "توصيف فوسفاتاز قلوي عالي الثبات الحراري من البكتيريا القديمة بيروكوكس أبيسي" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 67 (10): 4504-4511 . Bibcode : 2001ApEnM..67.4504Z . doi : 10.1128/AEM.67.10.4504-4511.2001 . PMC 93196. PMID 11571149 .  
  13. ↑ ليناريس-باستن، جيه إيه، أندرسون، إم، كارلسون، إن إي (2014). "هيدرولازات الغليكوزيد المقاومة للحرارة في تقنيات التكرير الحيوي" . التكنولوجيا الحيوية الحالية . 3 (1): 26-44 . doi : 10.2174/22115501113026660041 .
  14. ↑ ساركار، سي. أ.، دوديفسكي، إ.، كينيغ، م.، دودلي، س.، موهر، أ.، هيرمانز، إ.، بلوكثون، أ. (سبتمبر 2008). "التطور الموجه لمستقبل مقترن بالبروتين G من أجل التعبير والاستقرار وانتقائية الارتباط" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 105 (39): 14808-14813 . Bibcode : 2008PNAS..10514808S . doi : 10.1073/pnas.0803103105 . PMC 2567449. PMID 18812512 .  
  15. ↑ أسيل آي، تشينغ واي إكس، إنغمان إتش، دولهوف إم، وو بي، نوردلوند بي، كورنفيك تي (2013). "هندسة استقرار البروتين الحراري باستخدام فحص بيوفيزيائي عام مستقل عن النشاط داخل الخلية" . نيتشر كوميونيكيشنز . 4 : 2901. Bibcode : 2013NatCo...4.2901A . doi : 10.1038/ncomms3901 . PMID 24352381 . 
  16. ↑ هوسيكي ج، يانو ت، كوياما ي، كوراميتسو س، كاجامياما هـ (نوفمبر 1999). "التطور الموجه لجين مقاومة الكاناميسين المقاوم للحرارة: علامة اختيار ملائمة لبكتيريا ثيرموس ثيرموفيلوس" . مجلة الكيمياء الحيوية . 126 (5): 951-956 . doi : 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a022539 . PMID 10544290 . 
  17. ↑ سيد أ، غازي م أ، فيريرا أ ج، سيتوبال ج س، تشامبرغو ف س، أوف أ، وآخرون . (يناير 2014). "إنزيم مختزل جديد للزئبق من بيئة المحلول الملحي العميق الفريدة في أتلانتس 2 بالبحر الأحمر" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 289 (3): 1675-1687 . doi : 10.1074/jbc.M113.493429 . PMC 3894346. PMID 24280218 .   
  18. ↑ بيرل د، مولر يو، هاينمان يو، شميد إف إكس (مايو 2000). "يُضفي اثنان من بقايا الأحماض الأمينية المكشوفة ثباتًا حراريًا على بروتين الصدمة الباردة". مجلة نيتشر للبيولوجيا التركيبية . 7 (5): 380-383 . doi : 10.1038/75151 . PMID 10802734. S2CID 21850845 .  
  19. ^ ليمان م، باسامونتس إل، لاسين إس إف، ويس إم (ديسمبر 2000). “المفهوم المتفق عليه لهندسة الاستقرار الحراري للبروتينات”. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – بنية البروتين والإنزيمات الجزيئية . 1543 (2): 408-415 . دوى : 10.1016/s0167-4838(00)00238-7 . بميد 11150616 . 
  20. ↑ ساور دي بي، كاربويتش إن كيه، سونغ جيه إم، وانغ دي إن (أكتوبر 2015). "التعرف السريع على الطفرات المُثبِّتة للحرارة باستخدام المعلوماتية الحيوية" . مجلة الفيزياء الحيوية . 109 (7): 1420-1428 . Bibcode : 2015BpJ...109.1420S . doi : 10.1016/j.bpj.2015.07.026 . PMC 4601007. PMID 26445442 .  
  21. ↑ ليو إتش إل، وانغ دبليو سي (يناير 2003). "الهندسة البروتينية لتحسين الثبات الحراري لإنزيم غلوكو أميليز من فطر أسبرجيلوس أواموري بناءً على محاكاة الديناميكا الجزيئية". هندسة البروتين . 16 (1): 19-25 . doi : 10.1093/proeng/gzg007 . PMID 12646689 . 
  22. ↑ لي سي دبليو، وانغ إتش جيه، هوانغ جيه كيه، تسينغ سي بي (2014). "تحسين الاستقرار الحراري للبروتين من خلال تصميم جسور ملحية: دراسة مشتركة حسابية وتجريبية" . PLOS ONE . 9 (11) e112751. Bibcode : 2014PLoSO...9k2751L . doi : 10.1371/journal.pone.0112751 . PMC 4231051. PMID 25393107 .  
  23. ↑ مانسفيلد ج، فريند ج، ديجكسترا ب.و، فيلتمان أ.ر، فان دن بورغ ب، فينيما ج، وآخرون . (أبريل 1997). "تثبيت فائق لبروتياز شبيه بالثيرموليسين بواسطة رابطة ثنائية الكبريتيد مُهندسة" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 272 ​​(17): 11152-11156 . doi : 10.1074/jbc.272.17.11152 . PMID 9111013 .  
  24. ↑ مانكوسو ر، كاربويتش ن ك، تشيزيفسكي ب ك، وانغ د ن (ديسمبر 2011). " طريقة فحص بسيطة لتحسين الثبات الحراري لبروتينات الغشاء" . طرق . 55 (4): 324-329 . doi : 10.1016/j.ymeth.2011.07.008 . PMC 3220791. PMID 21840396 .  
  25. ↑ تايجرستروم أ (2005). "الثبات الحراري للبروتينات". BIOS . 76 ( 1): 22–27 . doi : 10.1893/0005-3155(2005)076 [ 0022 :TBFTOP ] 2.0.CO ; 2. JSTOR 4608725. S2CID 85654007 .  
  26. ↑ أردجاني، إم إس، نودلمان، إل، باورز، إي تي، كيلي، جيه دبليو (مايو 2021). "التأثيرات الفراغية الإلكترونية في تثبيت تفاعلات البروتين-N-جليكان، كما كشفت عنها التجارب والتعلم الآلي" . مجلة نيتشر كيمستري . 13 (5): 480-487 . Bibcode : 2021NatCh..13..480A . doi : 10.1038/s41557-021-00646- w . PMC 8102341. PMID 33723379 .  
  27. ↑ إيواي هـ، بلوكثون أ (أكتوبر 1999). "بيتا لاكتاماز حلقي: تعزيز الاستقرار عن طريق تكوين حلقة في السلسلة الرئيسية" . رسائل FEBS . 459 (2): 166-172 . Bibcode : 1999FEBSL.459..166I . doi : 10.1016/s0014-5793(99)01220-x . PMID 10518012. S2CID 85415249 .  
  28. ↑ كيبل إيه إتش، هاوارث إم (يوليو 2020). " قوة البروتين: تعزيز الأنشطة ودمجها باستخدام مجموعة أدوات Spy" . العلوم الكيميائية . 11 (28): 7281-7291 . doi : 10.1039/d0sc01878c . PMC 7844731. PMID 33552459 .  
  29. ↑ أليسيا جيه إن (4 نوفمبر 2011). "إدارة الغذاء والدواء الأمريكية: مورد وجبات غداء مدرسية يعيد تعبئة صلصة تفاح متعفنة" . أخبار إن بي سي . تم الاطلاع عليه في 15 أبريل 2015 .