超嗜热微生物对热的稳定性

三、嗜热机制

嗜热微生物细胞大小在微米级范围内，不具备隔热功能，因此，所有的细胞组分必须对热具有耐受性。嗜热微生物呈现明显的多样性，不同类群的嗜热微生物对热很可能有不同的适应方式，以下主要介绍超嗜微生物耐热的分子基础。

1.膜脂

细胞膜的热稳定性是超嗜热微生物在高温条件下生存的基础。所有古生菌的质膜中都会有二植烷基甘油二醚(diphytanylglycerol diether)或其衍生物，而超嗜热古生菌的质膜中两分子甘油二醚还可以通过其植烷基共价连接成双植烷基二甘油四醚(dicbiphytanyl diglycerol tetraether)。这种甘油四醚能形成单层质膜，与其他生物细胞的双层质膜相比，这种两面亲水，中间交联的单层质膜具有显著的热稳定性。较原始的古生菌Methanopyrus kawdleri能在高达110℃的条件下生长，其质膜中核心脂类为2，3-O-二联牻牛儿基甘油(2，3-Di-O-geranylgeranyl-sn-glycerol)，这是一种含类萜的不饱和二醚脂，被认为是合成古生菌其他脂类的前体，即能还原成二植烷基甘油二醚。膜脂的组分还随环境温度的升高而变化，例如，超嗜热古生菌Methanococcus Jannaschii在45℃生长时，80%的脂质是阿克醇(archaeol)，而在75℃生长时，卡克醇(caldarchaeol)和马克醇(macrocyclic archaeol)占总脂质的80%。

超嗜热细菌的质膜除含甘油酯外，还含有一种独特的甘油醚脂，这种长链结构的醚脂能明显提高质膜的热稳定性。

2.核酸

DNA的热稳定性可通过提高G-C的摩尔含量而增强。然而，一些超嗜热微生物的G-C含量在30%～40%范围内，而嗜温细菌E.coli的G-C含量却达到了50%。在超嗜热古生菌细胞中存在一种类组蛋白，DNA很可能由这种类组蛋白保护，从而确保转录的进行而不导致DNA的熔解。此外，超嗜热微生物还含有一种独特的逆解旋酶(reverse gyrase)——I型拓扑异构酶，该酶催化DNA形成正超螺旋，因而可以进一步稳定DNA分子。

超嗜热微生物主要通过两种方式增加其RNA的热稳定性，其一是提高RNA双螺旋区的G-C含量，其二是转录后对其碱基和糖基进行修饰。

3.蛋白质和酶

超嗜热微生物的蛋白质和酶对热具有耐受性，这种耐受性取决于以下两方面:①内在的分子结构;②胞内的热稳定辅因子。

蛋白质和酶的一级结构对其热稳定性具有重要作用。源于超嗜热微生物的蛋白质本身就比嗜热、嗜温和嗜冷微生物的相应蛋白质稳定，结构分析显示，同源蛋白质中个别氨基酸的替换就可显著提高其热稳定性。热稳定性与蛋白质的刚性增加有关，某些结构蛋白和酶具有致密的疏水结构域，较多的氢键和盐桥，较高比例的嗜热氨基酸(如脯氨基酸具有较小的自由度)。结果，超嗜热微生物的蛋白质和酶对热极端稳定，例如，由Pyrococcus属超嗜热古生菌产生的蛋白酶在95℃的半衰期＞96h，而一种淀粉酶在130℃仍保持活性。

热稳定辅因子主要有热休克蛋白和某些细胞溶质。热休克蛋白(包括伴侣分子，chaperone)可稳定和回复开始变性的蛋白质，Pyrodictumoccultum在100℃的热胁迫下，胞内累积的分子伴侣占总蛋白质80%，这种分子伴侣对蛋白质高级结构的形成和维持十分重要。蛋白质的热稳定性还可以通过某些细胞溶质来维持。对超嗜热甲烷古生菌而言，钾对酶在高温条件下保持活性是必需的，而2，3-二磷酸甘油的钾盐可作为一种热稳定剂。