導(dǎo)讀：以前的研究是基于計算分析，假定當溫度超過蛋白質(zhì)行駛*功能的狹窄溫度范圍時，細胞的大部分蛋白質(zhì)就會變性。但是來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員否定了這一基本理論，由ETH Zurich的Paola Picotti帶領(lǐng)的研究組指出只有一小部分的關(guān)鍵蛋白質(zhì)在達到一個臨界溫度閾值時會發(fā)生同時變性。
敲開一個雞蛋，滑入熱煎鍋中，幾乎立刻透明和滑溜的蛋清就變白，變硬，在這個過程中我們觀察的煎雞蛋過程，就是生活中十分常見的蛋白質(zhì)變性這一重要的生化現(xiàn)象。
細胞中蛋白質(zhì)則是線狀分子，纏繞在一起組成蛋白質(zhì)特異性結(jié)構(gòu)：有些球形，有些是管狀的，各不相同。這些結(jié)構(gòu)都會在變性過程中崩解，蛋白質(zhì)再次變成線狀，并由于失去其功能。
剎那之間的崩解
之前的研究是基于計算分析，假定當溫度超過蛋白質(zhì)行駛*功能的狹窄溫度范圍時，細胞的大部分蛋白質(zhì)就會變性。比如對于腸道細菌大腸桿菌來說，zui適溫度大約為37℃，如果高出46°C，細菌就會死亡，因為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)*改變了。
但是來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員否定了這一基本理論，由ETH Zurich的Paola Picotti帶領(lǐng)的研究組指出只有一小部分的關(guān)鍵蛋白質(zhì)在達到一個臨界溫度閾值時會發(fā)生同時變性。這一研究成果公布在Science雜志上。
研究中，研究人員全面分析比對了四種生物在不同溫度下所有的蛋白，也就是蛋白質(zhì)組。他們將大腸桿菌，人類細胞，酵母細胞和耐熱細菌嗜熱鏈球菌(T. thermophilus)逐漸升溫至76°C。在每次溫度增加后，研究人員都會檢測細胞中存在的蛋白質(zhì)并確定它們的結(jié)構(gòu)特征。zui終研究人員總共分析了8,000種蛋白質(zhì)。
關(guān)鍵元件首先出現(xiàn)變性
Picotti說，“通過這項研究，我們發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)蛋白質(zhì)在細菌死亡的溫度下發(fā)生了崩解。由此我們對之前關(guān)于生物體大多數(shù)蛋白質(zhì)同時變性這一理論提出了質(zhì)疑。”
一旦溫度超出物種特異性*值幾度，研究檢測的蛋白質(zhì)中有80個蛋白質(zhì)發(fā)生了崩解，盡管這些蛋白質(zhì)只是構(gòu)成細胞蛋白質(zhì)的一小部分，但這對細胞是致命的，因為這些蛋白質(zhì)類型中的一些蛋白具有重要功能，或者說是一個大型蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組成元件，也就是說是少量蛋白在這種關(guān)鍵時刻發(fā)生了變性。
“一旦這些關(guān)鍵元件出現(xiàn)故障，細胞就無法繼續(xù)工作，”Picotti說。
靈活性導(dǎo)致不穩(wěn)定
生物系統(tǒng)的關(guān)鍵元件對熱很敏感，初初來看這似乎是進化上的一個bug。但是這些蛋白質(zhì)由于其靈活性常常導(dǎo)致不穩(wěn)定，這也是其能在細胞中完成不同任務(wù)的原因，“靈活性和穩(wěn)定性之間會相互排斥，細胞必須作出妥協(xié)。”
研究人員還發(fā)現(xiàn)細胞中也存在許多穩(wěn)定，且不易發(fā)生異常或病理折疊的蛋白質(zhì)，這從細胞的角度來看是很劃算的。因為如果這些常見蛋白質(zhì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，發(fā)生錯誤折疊，那么細胞就不得不投入大量的能量來進行重構(gòu)與處理，因此細胞中大部分的蛋白質(zhì)還是要比蛋白更為穩(wěn)定。
但是為什么嗜熱鏈球菌細菌即使在超過70℃的溫度下也不受影響呢?研究人員解釋道，這些細胞會優(yōu)先穩(wěn)定那些對熱敏感，功能上關(guān)鍵的蛋白質(zhì)，例如適應(yīng)性蛋白質(zhì)序列。
特殊用途的耐熱細菌
Picotti的這一發(fā)現(xiàn)可用于遺傳修改生物機體，幫助它們承受更高的溫度。目前一些化學(xué)品，如乙醇也被用于細菌生物工程，但是這些細菌通常只能在狹窄溫度范圍中工作，這限制了產(chǎn)量。如果可以在更高的溫度下進行生產(chǎn)，就可以優(yōu)化產(chǎn)量而不損害細菌。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，某些變性蛋白質(zhì)在更高溫度下會再次聚集，形成聚集體。Picotti和她的同事發(fā)現(xiàn)在人類細胞中，蛋白質(zhì)DNMT1首先隨著溫度的升高而發(fā)生變性，隨后又與其它類似的蛋白聚集在一起。這種和其它具有類似性質(zhì)蛋白質(zhì)聚集的性質(zhì)與神經(jīng)障礙如阿茨海默癥或帕金森氏癥有關(guān)。
*次全面穩(wěn)定性研究
這項研究是*個大規(guī)模在復(fù)雜細胞基質(zhì)中直接分析幾種生物蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性的成果，這些蛋白質(zhì)并沒有從細胞中分離出來，也沒有進行純化，而是直接檢測不同溫度下細胞中的所有蛋白質(zhì)。
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