嗜热微生物的膜脂类型及嗜热机制

嗜热微生物的膜脂类型及嗜热机制

最适合生长温度为45的微生物称为嗜热微生物。Martinko等认为所有嗜热菌的最适生长温度大约为80℃。最近十几年,有许多嗜热微生物被分离出来,大多数属古细菌。至今已经发现了多种嗜热细菌和古细菌,包括矿泉古生菌界嗜热菌、宽广古生菌界嗜热菌、细菌域嗜热菌(高温神袍菌、产水细杆菌、产芽孢高温菌、非芽孢高温菌)。在80℃以上环境中发挥功能的酶称为嗜高温酶。近年来,嗜热酶已在食品酿造工业、医药工业、环境保护、遗传工程等领域得到广泛应用,其良好前景备受关注。1爱热机制具有特殊结构的细胞膜、大分子物质、遗传物质及元素钨等均与嗜热微生物嗜热机制有着密切的联系。1.1膜的自动调节和保鲜研究表明,高温微生物的膜脂可以分为两大类型,即真细菌型膜脂和古细菌型膜脂。真细菌型膜脂是由甘油和脂肪酸通过酯键结合而成的脂肪酸甘油酯,主要是甘油脂肪酰二酯。温度升高,复合脂类中的烷基链彼此间隔扩大,而极性部分作为膜的双层结构却保持整齐状态——液晶态。膜通过自动调节脂组分而维持膜的液晶态以获得更高的熔点。而且细胞膜中含有异型脂肪酸,稳定型脂肪酸和环烷型脂肪酸,从而使嗜热菌的细胞膜耐受高温。古细菌型膜脂是由甘油和异戊基醇(C20和C40植烷醇)通过醚键结合衍生出两类基本的醚,即植烷醇甘油二醚和四醚,它们的非极性链几乎都固定在C20和C40。四醚能形成大小和脂双分子层相同的单层膜脂,避免了双层膜在高温下易变性分开的情况。在嗜热古细菌的膜中还存在环己烷型脂肪酸,在高温下这种脂肪酸链的环化能促进二醚磷脂向四醚脂转变。1.2物中蛋白的热稳定性决定嗜热的主要机制是蛋白质的热稳定性。嗜热微生物中的酶和蛋白除热稳定性较高外,其他方面都与常温同源蛋白相似,它们中许多酶的热稳定性是内在的,依赖于同源蛋白质之间氨基酸组成和顺序的差异。1.2.1热稳定性分析研究表明在蛋白质的一级结构中,个别氨基酸的改变会引起离子键,氢键和疏水作用的变化,从而大大增加整体的热稳定性。卢柏松等人对嗜热和常温微生物的蛋白质氨基酸组成进行了比较,发现嗜热菌蛋白质中Leu,Pro,Glu和Arg的含量均高于常温菌,主要是因为Pro能够增加蛋白质变性时的熵值,Leu具有较强的疏水性和较大的侧链,Arg和Glu分别比带同样电荷的其他氨基酸具有更大的侧链,这都有利于提高蛋白质的热稳定性。1.2.2高温和高温对还原蛋白凝胶特性的影响嗜热酶与同源常温酶的分子结构基本相同,但构成蛋白质高级结构的非共价力,结构域的包装,亚基与辅基的聚集,以及糖基化作用等不尽相同。通常这些空间的微妙作用有利于蛋白质对高温的适应。通过比较,醛铁氧还原蛋白的表面积相对较小,这种形态可减少溶剂反应,增加酶的稳定性。核磁共振和晶体图分析表明,蛋白的稳定性不是由于总体的结构差异,而是蛋白表面几个氨基酸的置换。还有较短的表面环,较长的α-螺旋,以及在两端的氨基酸之间有特异的离子反应,这些反应有助于防止升温引起的终端区开链。1.2.3对嗜热菌的影响化学修饰,多聚物吸附及酶分子内的交联也对提高蛋白热稳定性有很大贡献。嗜热菌体内含有大量的钙离子促进热稳定性,镁离子也有提高tRNA解链温度的作用。此外,超结构、静电作用也可能是嗜热微生物提高蛋白质热稳定性的策略之一。1.3高温对嗜热菌trna的影响1.3.1DNA结构的稳定性DNA的稳定性是由配对碱基之间的氢键以及同一单链中相邻碱基的堆积力维持的。经比较研究,发现大多数嗜热微生物生长上限温度和G+C%之间存在正相关关系。嗜热栖热菌DNA中G+C%含量高达60%~70%,其DNA的构型为A型,DNA相邻碱基重叠的偏差大,有利于较多氢键的维持,此外,组蛋白和核小体在高温下有聚合成四聚体甚至八聚体的趋势,能保护裸露的DNA免受高温降解。1.3.2tRNA的热稳定嗜热菌的tRNA周转速度大于中温菌,并且GC含量高,因此嗜热菌的代谢快,保护了热不稳定的代谢物,使重要代谢产物迅速再合成。最近发现极端嗜热菌tRNA的热稳定性与其转录后的修饰有关,修饰后的核苷酸有助于茎环上碱基之间的相互作用,及D-环堆积核心氢键及离子对的产生。嗜热微生物核糖体的稳定性是嗜热微生物生长上限温度的决定性因子。非Watson-Crick碱基对的增加,也能间接导致RNA二级结构中氢键数目的增加。此外,RNA螺旋侧面突起的碱基和近端酯键之间的配对能避免结构上的不稳定性。1.4糖和肽代谢及氧化还原酶类钨在生物系统中是一种罕见的元素。但对Pyrococcusfuriosus(强烈炽热球菌)等古细菌的生长和代谢有重要影响。研究表明,P.furiosus的糖和肽代谢及异常的氧化还原酶类包括3种不同的催化位点含有钨的醛氧化酶。钨元素在一种新的糖酵解途径—高温糖酵解途径的启动中起到重要作用。2力学反应快嗜热酶具有酶制剂的制备成本低,动力学反应快,对反应冷却系统要求标准低,减少能耗,提高了产物纯度等优点,因此在众多领域都得到了广泛应用。2.1-淀粉酶和发酵乳饮料食品加工过程中,通常要经过脂肪水解,蛋白质消化、纤维素水解等处理过程。嗜热蛋白酶、淀粉酶及糖化酶已经在食品加工过程中发挥了重要作用。一些具有耐热活性的α-淀粉酶已用于淀粉加工、酒精、啤酒及其他发酵工业生产。嗜高温水解酶给食品工业带来生机,消化蛋白酶加工纤维使食品更具风味和有益健康。在啤酒中应用β-葡聚糖酶可以提高麦汁分离速度,降低啤酒浑浊度,减少胶状沉淀。嗜热链球菌是TTC法检测牛乳中抗生素的指示菌,又是酸奶生产特定菌,它与保加利亚杆菌混合培养能产生出芳香适口的酸奶。β-半乳糖苷酶可用于生产低乳糖食品,改善乳制品的风味和营养,在水解过程中还会发生转糖苷反应,生成具有多种功能的低聚乳糖(GOS)。2.2木浆的复合处理在环境保护方面,主要体现在处理食品和造纸工业废水、芳香族化合物、氰化物、有机磷农药、重金属及其他有机难降解物质。利用高温酶处理木浆可以有效地祛除木质素,减少对化学漂白剂的用量,从而减少了对环境的污染。在污水处理及废物处理方面,人们不仅可以利用高温酶的耐热性,更重要的是利用它对有机溶剂的抗性。所以在许多污染地区利用高温酶除去烷类化合物的污染有很大的优势。2.3嗜热细菌木聚糖异构酶目前,人们利用的主要能源物质为煤和石油,利用高温微生物除硫,所需能量少,避免了好煤的流失及对环境的污染,既提高了煤的质量,又降低了成本。嗜热细菌木聚糖异构酶能缓解能源危机和环境污染的日益严重,并促进资源的再生,尤其对农副产品及林产品的木质废弃物以及以农产品和林产品为原料的木业和造纸厂废弃物中的木糖的利用,特别是通过微生物转化木糖产生乙醇的研究已经成为热点之一。有研究表明嗜高温酶能将葡萄糖转化为氢气和水,这种从糖中获取无污染燃料的方法可能导致能源革命,已经研究了嗜高温微生物的半纤维素酶,可在较高温度下水解树脂。2.4石油开采石油开采过程中,利用粘胶混合细沙在岩石床上加压,出现裂缝后,用超嗜热酶可以提高油和气的流动性,加速石油或天然气的流出。2.5几种区别性的特点嗜热菌在糖代谢、三羧酸循环、氨基酸代谢中除了催化每一步酶的热稳定性较高以外,还有一些区别性的特点。如高温菌的烯醇化酶为10或8聚体,而常温菌为2聚体,高温菌中的乙酰辅酶A和天门冬氨酸对丙酮酸羧化酶有双重作用,缬氨酸对乙酰乳酸合成酶的反馈抑制,高温菌中有2种类型的天门冬氨酸激酶存在等,为发现新的代谢途径提供了依据。2.6脂肪酶法合成葡萄糖耐热α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等已广泛应用于医药工业。如利用α-淀粉酶生产葡萄糖,利用脂肪酶高度立体选择,进行光学合成手性药物等。极端微生物酶的相关产物已应用于疾病的诊断及治疗、胎儿性别鉴定及法医鉴定等。2.7聚合酶系统在进行基因pcr中的应用嗜热微生物酶对核苷酸序列分析、染色体畸变和基因突变等理论研究工作起很大促进作用。在PCR技术中DNA聚合酶起着关键性的作用。近年来,PCR得到较大的改进,通过Taq酶或其他一些低保真酶的作用,PCR反应中加入少量具有高热稳定性的来自古细菌的高保真性DNA聚合酶,可以大幅度降低大片段DNA(20~40kb)扩增的错配率,这对进行一些哺乳动物的基因扩增是非常有用的。此外,嗜热微生物酶在生物转化及抗生素的生产、冶金工业等方面已有相关报道。3发酵菌种的确定由于环境恶化,能源危机,全球变暖等原因,某些嗜高温酶,如过氧化氢酶,仍是今后研究关注的热点。由于嗜热酶具有的诸多优点,可以将这些酶作为设计和构建工业上具有新特性的蛋白模型而加以利用。目前国内市场嗜高温酶品种单一,开发新的品种势在必行。以已经纯化的优良菌株开展进一步研究,不断提高产酶水平,有望将来改变我国部分高温酶依赖进口的局面。由于从基因组所获得的信息将比其它学科会更迅速地转化为生产力,因此今后应该加快基础理论研究,创新性研究,使大批创新性产品成为高科技市场的重要部分,利用模式微生物进一步促进生物学和生命科学的理论发展。随着酶工程研究和酶工