水生栖热菌耐热机制初探

2022-03-12 08:24:37 | 浏览次数：

摘要：文章以实验室采集的长白山温泉水中提取的水生栖热菌为研究目标，对其耐热机制的影响因素进行探讨。

关键词：水生栖热菌；耐热机制

课题研究：本文系吉林省教育厅“十一五”科研课题。

中图分类号：TS201.25文献标识码：A文章编号：1674-0432（2012）-06-0038-1

水生栖热菌是高温菌中的一种，具有独特的基因类型、特殊的生理机制及代谢产物，是地球上的边缘生命形式[1]。由于其本身在基因工程、蛋白质工程、酶工程及其他资源的开发利用上具有潜在的应用价值，使得研究者对其更加关注。而本文主要是针对高温菌中水生栖热菌的耐热机制进行初步探讨。

1 水生栖热菌的分布

水生栖热菌广泛分布于温泉、海底火山口等高温环境[2]。 1965年，美国科学家Thomas D Brock 在美国黄石国家公园的热泉水中，首次分离到一株极端嗜热细菌—水生栖热菌，检测发现， 80℃以上的热泉水中生长良好[3]。

2 水生栖热菌的耐热机制

水生栖热菌之所以能够在高温环境中生长并繁衍生息，与其自身独特的耐热机制密切相关。

2.1 细胞膜

水生栖热菌细胞膜的磷脂双分子层中存在复合类脂，其中主要是甘油脂肪酰二酯。当温度升高时，复合类脂中烷基链间隔扩大，膜的双层结构保持整齐状态—液晶态[4]。而水生栖热菌通常通过调节磷脂组分而维持膜的液晶态，以获得更高的熔点。

2.2 蛋白质

水生栖热菌耐热性的主要机制是蛋白质的热稳定性，包括两个方面：稳定的天然结构和细胞内的促进热稳定因素。

2.2.1 促进热稳定的因素细胞内促进蛋白质热稳定的因素，主要是金属离子和一些特殊的蛋白质。金属离子的化学修饰作用对提高蛋白质热稳定性有很大贡献。化学修饰、多聚物吸附及酶分子内的交联也是提高蛋白热稳定性的一条重要途径。

2.2.2 蛋白一级结构的研究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，这就是氨基酸的突变适应[5]。有人比较了水生栖热菌与常温菌蛋白质氨基酸的组成，发现高温菌蛋白质中Pro和Glu的含量均高于常温菌，而Cys、Ser、Thr、Asn和Asp的含量显著低于常温菌。

2.2.3 蛋白天然构象的热稳定性水生栖热菌的蛋白与常温菌蛋白的大小、亚基结构、螺旋程度、极性大小和活性中心都极为相似，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、磷酸化作用等等却不尽相同，通常蛋白对高温的适应决定于这些微妙的空间相互作用[6]。水生栖热菌的蛋白与常温菌同源蛋白的高级结构极为相似，但在非共价里、结构域的包装、亚基与辅机的聚集，以及糖基化作用，磷酸化作用等方面却不尽相同，通常这些微妙的空间相互作用有利于蛋白质对高温的适应。

2.3 遗传型物质

2.3.1 DNA结构水生栖热菌中核酸分子内部含C量相比于常温细菌来说，高出很多，导致DNA解链温度较高。栖热细菌基因的密码子第三位的C+C摩尔质量百分数比嗜热脂肪芽抱杆菌更高，因而DNA分子中C+C的高含量使得高温中DNA分子的稳定性增强，从而利于该菌在高温环境中生活。

水生栖热菌DNA结构中【G+C】%含量通常为55.2%，DNA二级结构稳定性由碱基堆积力和氢键来维系，【G+C】%含量越高，氢键数量越多，碱基堆积力越大，解链所耗温度越高，双螺旋结构越稳定。

2.3.2 tRNA热稳定性水生栖热菌tRNA周转速度快，代谢产物迅速合成，利于适应高温环境。RNA螺旋侧面突起的碱基及近端酯键间的配对能增加整体结构稳定性和耐高温适应性。

在水生栖热菌tRNA分子里，机体通过增加C+C含量和在碱基分子中加入硫原子提高了tRNA的耐热性。

3 结论

水生栖热菌之所以耐热与它的细胞膜、蛋白质和遗传物质的热稳定性有关，但对水生栖热菌的耐热机制的研究有待于进一步探索。

水生栖热菌能产生优良特性代谢产物，并产生活性物质，尤为重要的是嗜热酶及其他活性物质，在工业应用上具有广阔的应用前景。

水生栖热菌产生的嗜高温酶在食品、医药工业、环境保护、能源等领域中具有很大的应用潜力。相信随着研究的不断深入，会逐步加深了解嗜高温酶的耐热机制，同时也会为设计与表达新的嗜高温基因重组酶提供理论依据。

参考文献

[1] James M.Ja(著),徐岩,张继民,汤丹剑等(译).现代食品微生物学(第五版)[M].北京:中国轻工业出版社,2001:331-333.

[2] 李子东,藏立华,孟双.极端微生物：一种新型的酶资源[J].微生物学杂志,2004,24(5):89-91.