水生棲熱菌耐熱機(jī)制

1、 水生棲熱菌耐熱機(jī)制初探摘要：文章以實(shí)驗(yàn)室采集的長(zhǎng)白山溫泉水中提取的水生棲熱菌為研究目標(biāo)，對(duì)其耐熱機(jī)制的影響因素進(jìn)行探討。關(guān)鍵詞：水生棲熱菌；耐熱機(jī)制課題研究：本文系吉林省教育廳“十一五”科研課題。水生棲熱菌是高溫菌中的一種，具有獨(dú)特的基因類(lèi)型、特殊的生理機(jī)制及代謝產(chǎn)物，是地球上的邊緣生命形式1。由于其本身在基因工程、蛋白質(zhì)工程、酶工程及其他資源的開(kāi)發(fā)利用上具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，使得研究者對(duì)其更加關(guān)注。而本文主要是針對(duì)高溫菌中水生棲熱菌的耐熱機(jī)制進(jìn)行初步探討。1 水生棲熱菌的分布水生棲熱菌廣泛分布于溫泉、海底火山口等高溫環(huán)境2。 1965年，美國(guó)科學(xué)家thomas d brock 在美國(guó)黃石國(guó)家

2、公園的熱泉水中，首次分離到一株極端嗜熱細(xì)菌水生棲熱菌，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)， 80以上的熱泉水中生長(zhǎng)良好3。2 水生棲熱菌的耐熱機(jī)制水生棲熱菌之所以能夠在高溫環(huán)境中生長(zhǎng)并繁衍生息，與其自身獨(dú)特的耐熱機(jī)制密切相關(guān)。2.1 細(xì)胞膜水生棲熱菌細(xì)胞膜的磷脂雙分子層中存在復(fù)合類(lèi)脂，其中主要是甘油脂肪酰二酯。當(dāng)溫度升高時(shí)，復(fù)合類(lèi)脂中烷基鏈間隔擴(kuò)大，膜的雙層結(jié)構(gòu)保持整齊狀態(tài)液晶態(tài)4。而水生棲熱菌通常通過(guò)調(diào)節(jié)磷脂組分而維持膜的液晶態(tài)，以獲得更高的熔點(diǎn)。2.2 蛋白質(zhì)水生棲熱菌耐熱性的主要機(jī)制是蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性，包括兩個(gè)方面：穩(wěn)定的天然結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)的促進(jìn)熱穩(wěn)定因素。2.2.1 促進(jìn)熱穩(wěn)定的因素 細(xì)胞內(nèi)促進(jìn)蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定的因素

3、，主要是金屬離子和一些特殊的蛋白質(zhì)。金屬離子的化學(xué)修飾作用對(duì)提高蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性有很大貢獻(xiàn)?；瘜W(xué)修飾、多聚物吸附及酶分子內(nèi)的交聯(lián)也是提高蛋白熱穩(wěn)定性的一條重要途徑。2.2.2 蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)的研究 研究表明在蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)中，個(gè)別氨基酸的改變會(huì)引起離子鍵、氫鍵和疏水作用的變化，從而大大增加整體的熱穩(wěn)定性，這就是氨基酸的突變適應(yīng)5。有人比較了水生棲熱菌與常溫菌蛋白質(zhì)氨基酸的組成，發(fā)現(xiàn)高溫菌蛋白質(zhì)中pro和glu的含量均高于常溫菌，而cys、ser、thr、asn和asp的含量顯著低于常溫菌。2.2.3 蛋白天然構(gòu)象的熱穩(wěn)定性 水生棲熱菌的蛋白與常溫菌蛋白的大小、亞基結(jié)構(gòu)、螺旋程度、極性大小和活性中

4、心都極為相似，但構(gòu)成蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的非共價(jià)力、結(jié)構(gòu)域的包裝、亞基與輔基的聚集，以及糖基化作用、磷酸化作用等等卻不盡相同，通常蛋白對(duì)高溫的適應(yīng)決定于這些微妙的空間相互作用6。水生棲熱菌的蛋白與常溫菌同源蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)極為相似，但在非共價(jià)里、結(jié)構(gòu)域的包裝、亞基與輔機(jī)的聚集，以及糖基化作用，磷酸化作用等方面卻不盡相同，通常這些微妙的空間相互作用有利于蛋白質(zhì)對(duì)高溫的適應(yīng)。2.3 遺傳型物質(zhì)2.3.1 dna結(jié)構(gòu) 水生棲熱菌中核酸分子內(nèi)部含c量相比于常溫細(xì)菌來(lái)說(shuō)，高出很多，導(dǎo)致dna解鏈溫度較高。棲熱細(xì)菌基因的密碼子第三位的c+c摩爾質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比嗜熱脂肪芽抱桿菌更高，因而dna分子中c+c的高含量使得高

5、溫中dna分子的穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而利于該菌在高溫環(huán)境中生活。水生棲熱菌dna結(jié)構(gòu)中【g+c】%含量通常為55.2%，dna二級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性由堿基堆積力和氫鍵來(lái)維系，【g+c】%含量越高，氫鍵數(shù)量越多，堿基堆積力越大，解鏈所耗溫度越高，雙螺旋結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。2.3.2 trna熱穩(wěn)定性 水生棲熱菌trna周轉(zhuǎn)速度快，代謝產(chǎn)物迅速合成，利于適應(yīng)高溫環(huán)境。rna螺旋側(cè)面突起的堿基及近端酯鍵間的配對(duì)能增加整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐高溫適應(yīng)性。在水生棲熱菌trna分子里，機(jī)體通過(guò)增加c+c含量和在堿基分子中加入硫原子提高了trna的耐熱性。3 結(jié)論水生棲熱菌之所以耐熱與它的細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)的熱穩(wěn)定性有關(guān)，但對(duì)水

6、生棲熱菌的耐熱機(jī)制的研究有待于進(jìn)一步探索。水生棲熱菌能產(chǎn)生優(yōu)良特性代謝產(chǎn)物，并產(chǎn)生活性物質(zhì)，尤為重要的是嗜熱酶及其他活性物質(zhì)，在工業(yè)應(yīng)用上具有廣闊的應(yīng)用前景。水生棲熱菌產(chǎn)生的嗜高溫酶在食品、醫(yī)藥工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、能源等領(lǐng)域中具有很大的應(yīng)用潛力。相信隨著研究的不斷深入，會(huì)逐步加深了解嗜高溫酶的耐熱機(jī)制，同時(shí)也會(huì)為設(shè)計(jì)與表達(dá)新的嗜高溫基因重組酶提供理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 james m.ja(著),徐巖,張繼民,湯丹劍等(譯).現(xiàn)代食品微生物學(xué)(第五版)m.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2001:331-333.2 李子?xùn)|,藏立華,孟雙.極端微生物：一種新型的酶資源j.微生物學(xué)雜志,2004,24(5):89-91.3 王紅妹.極端微生物的多樣性及其應(yīng)用j.棗莊學(xué)院學(xué)報(bào),2006.23(2):89-90.4 金城,楊壽鈞,劉宏迪等.耐熱中性蛋白酶產(chǎn)生條件及酶的親和層析純化j.微生物學(xué)報(bào),1994,34(4):285-292.5 王冬梅,白復(fù)芹.嗜熱