8.4.1.2. Компенсация температурных эффектов путем изменения внутриклеточного содержания ферментов

Многие растения способны компенсировать влияние температуры на скорость биохимических реакций путем изменения содержания ферментов в клет­ках. В первую очередь это относится к ферментам, которые лимитируют ско­рость ключевых процессов метаболизма, таких, например, как фотосинтез и дыхание. Так, активность фруктозо-1,6-бисфосфатазы в листьях коррелировала со скоростью фотосинтеза при акклимации олеандра (Nerium oleander) к тем­пературным сдвигам. У олеандра этот фермент — главное лимитирующее звено в углеродном цикле и соответственно главный лимитирующий фактор в тем­пературной компенсации фотосинтеза. Электрофорез показал, что число изо­ферментов фруктозо-1,6-бисфосфатазы при акклимации оставалось постоян­ным, но при этом изменялось количество фермента. При акклимации к низ­ким температурам оно возрастало, а при акклимации к высоким — снижалось.

8.4.1.3. Термофильные бактерии — модель для изучения механизмов термостабильности

Существуют организмы, способные жить в среде с температурой около 100 °С. К таким организмам относятся термофильные бактерии, обитающие в тер­мальных источниках. Thermus aquaticus, например, сохраняет жизнеспособность при температурах до 95 °С. Белки термофильных бактерий необычайно устой­чивы к тепловой денатурации. In vitro они выдерживают длительный прогрев при 90 °С, сохраняя функциональную активность. Высокая структурная и фун­кциональная устойчивость белков термофильных бактерий объясняется осо­бенностями их аминокислотного состава. Повышение термостабильности обес­печивается всего одной или двумя дополнительными электростатическими свя­зями. Увеличение числа солевых мостиков служит универсальным механизмом повышения термоустойчивости.

Сравнительные исследования трехмерной структуры белков (лактатдегидрогеназы, ферредоксина и др.), 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 (мик­роорганизмов, обитающих при умеренных температурах). 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. Кроме того, найдены замены аминокислот, повы­шающие стабильность α-участков и β-слоев в молекулярной структуре. Таким образом, устойчивость белков термофильных бактерий связана с изменениями их первичной структуры.

Изменение суммарной свободной энергии, требуемой для стабилизации белков термофилов, составляет 130 — 210 кДж/моль. Это соответствует энергии лишь нескольких слабых связей, т.е. лишь несколько слабых связей требуется для превращения мезофильного белка в термофильный. Для большинства ами­нокислотных замен, необходимых для этой цели, достаточно заменить лишь одно основание в триплете. Из этого следует, что образование термофильных белков может легко осуществляться в процессе эволюции.

Устойчивость к высоким температурам придают термофилам также протек­торные соединения. Аппарат белкового синтеза у Thermus thermophilus защищен от денатурации полиаминами. У термофилов обнаружены также структурные модификации тРНК и рибосомальных РНК. Они содержат больше Г—Ц-пар оснований, чем гомологичные РНК мезофилов. Пары оснований

Г — Ц более термостабильны, чем пары А—У. У термофилов тРНК содержат также

5-метил-2-тиоуридин. Производные тиоуридина усиливают взаимодействия осно­ваний в спиральной структуре тРНК.