Termoestabilidad

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Estructura de cristal de β-glucosidase de Thermotoga neapolitana (PDB: 5IDI). Proteína termostable, activa a 80°C y con temperatura de desarrollo de 101°C.

En la ciencia de los materiales y la 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 la polimerización, a una temperatura relativa alta.

Los materiales termoestables pueden utilizarse industrialmente como retardantes del fuego. Un plástico termoestable, un término poco común y poco convencional, es más probable que se refiera a un plástico termoendurecible que no puede volver a formarse cuando se calienta, que a un termoplástico que puede volver a fundirse y moldearse.

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 añade calor, esto interrumpe los lazos intramoleculares encontrados en la estructura terciaria de proteínas, causando 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. En el interior de estos organismos hay macromoléculas (proteínas y ácidos nucleicos) que forman las estructuras tridimensionales esenciales para su actividad enzimática. Por encima de la temperatura nativa del organismo, la energía térmica puede provocar el desdoblamiento y la desnaturalización, ya que el calor puede alterar los enlaces intramoleculares en la estructura terciaria y cuaternaria. Este desdoblamiento dará lugar a la pérdida de la 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, que pasan de ser un líquido transparente y 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 suelen vivir en entornos de 85 °C y superiores. 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. Estas pueden incluir propiedades generales alteradas de la célula para estabilizar todas las proteínas 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 de los termófilos, 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 puentes disulfuro adicionales que estabilizan la estructura. Otros factores de la termoestabilidad de las proteínas son la compacidad de la estructura de la proteína, la oligomerización y la interacción de fuerza entre subunidades.

Usos y aplicaciones

Reacciones de la cadena de polimerasa

Las ADN polimerasas termoestables, como la Taq polimerasa y la Pfu, se utilizan en las reacciones en cadena de la polimerasa (PCR), en las que se utilizan temperaturas de 94 °C o más para fundir las cadenas de ADN en el paso de desnaturalización de la PCR. 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 alimentados

Con frecuencia se añaden enzimas a los piensos para mejorar la salud y el crecimiento de los animales de granja, en particular de los pollos y los cerdos. Normalmente, el pienso se trata con vapor a alta presión para matar bacterias como la salmonela. Por lo tanto, las enzimas añadidas (por ejemplo, la fitasa y la xilanasa) deben poder soportar este desafío térmico sin inactivarse de forma irreversible.

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. El aumento de temperatura hace que las proteínas de E. coli precipiten, mientras que la fosfatasa alcalina de P. abyssi permanece estable en solución.

Glycoside hydrolases

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. 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 de tipo alquilglicósido. Todos estos procesos a menudo implican tratamientos térmicos para facilitar la hidrólisis de los polisacáridos, por lo que las variantes termoestables de las glicósido hidrolasas tienen 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 y aleatoria, además de la evolución dirigida, 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. Además, el análisis del desdoblamiento de las proteínas mediante dinámica molecular se puede utilizar para comprender el proceso de desdoblamiento y luego diseñar mutaciones estabilizadoras. La ingeniería de proteínas racional para aumentar la termoestabilidad de las proteínas incluye mutaciones que truncan bucles, aumentan los puentes salinos o los enlaces de hidrógeno y los enlaces disulfuro introducidos. Además, la unión de ligandos puede aumentar la estabilidad de la proteína, en particular cuando se purifica. Existen 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 en 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 tanto, 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. 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. La ciclización de enzimas mediante la unión covalente del extremo N al extremo C se ha aplicado para aumentar la termoestabilidad de muchas enzimas. La ciclización de inteínas y la ciclización SpyTag/SpyCatcher se han empleado a menudo.

Toxinas térmicas

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 especial importancia para la seguridad alimentaria.

Véase también

Termófilos
  • Thermus thermophilus
  • Thermus aquaticus
  • Pyrococcus furiosus

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