ในสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุและชีววิทยาระดับโมเลกุลความเสถียรทางความร้อนหมายถึงความสามารถของสารในการต้านทานการเปลี่ยนแปลงที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ใน โครงสร้าง ทางเคมีหรือทางกายภาพ ซึ่งมักจะแสดงออกมาในรูปของการต้านทานการสลายตัวหรือการเกิดพอลิเมอร์ที่ อุณหภูมิสัมพัทธ์สูง

วัสดุที่ทนความร้อนอาจนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเป็นสารหน่วงไฟพลาสติกที่ทนความร้อนซึ่งเป็นคำที่ไม่ค่อยพบเห็นและไม่เป็นที่นิยม มักหมายถึงพลาสติกเทอร์โมเซตติงที่ไม่สามารถเปลี่ยนรูปทรงได้เมื่อได้รับความร้อน มากกว่าพลาสติกเทอร์โมพลาสติกที่สามารถหลอมและหล่อใหม่ได้

ความคงตัวต่อความร้อนเป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งของโปรตีน บางชนิด โปรตีนที่คงตัวต่อความร้อนหมายถึงโปรตีนที่มีความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลง โครงสร้างของโปรตีนอันเนื่องมาจากความร้อน

สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่บนโลกอาศัยอยู่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 50 องศาเซลเซียส โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 15 ถึง 50 องศาเซลเซียส ภายในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีโมเลกุลขนาดใหญ่ (โปรตีนและกรดนิวคลีอิก) ซึ่งเป็นโครงสร้างสามมิติที่จำเป็นต่อกิจกรรมของเอนไซม์^{[ 2 ]}ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิปกติของสิ่งมีชีวิต พลังงานความร้อนอาจทำให้เกิดการคลายตัวและการเสียสภาพเนื่องจากความร้อนสามารถทำลายพันธะภายในโมเลกุลในโครงสร้างระดับตติยภูมิและจตุรภูมิ การคลายตัวนี้จะส่งผลให้สูญเสียกิจกรรมของเอนไซม์ ซึ่งเป็นอันตรายต่อการทำงานของสิ่งมีชีวิตอย่างต่อเนื่อง ตัวอย่างเช่น การเสียสภาพของโปรตีนในอัลบูมินจากของเหลวใสเกือบไม่มีสีไปเป็นเจลสีขาวขุ่นที่ไม่ละลายน้ำ

โปรตีนที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้เมื่อเทียบกับโปรตีนที่ไม่สามารถทนได้นั้น โดยทั่วไปมาจากจุลินทรีย์ที่เป็นไฮเปอร์เทอร์โมไฟล์ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่า 50 °C ได้ เนื่องจากพวกมันมักอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิ 85 °C ขึ้นไป^{[ 3 ]} สิ่ง มีชีวิตเทอร์โมไฟล์บางชนิดสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่านี้ได้ และมีการปรับตัวที่สอดคล้องกันเพื่อรักษาการทำงานของโปรตีนที่อุณหภูมิเหล่านี้^{[ 4 ]}ซึ่งอาจรวมถึงคุณสมบัติโดยรวมของเซลล์ที่เปลี่ยนแปลงไปเพื่อทำให้โปรตีนทั้งหมดมีเสถียรภาพ^{[ 5 ]}และการเปลี่ยนแปลงเฉพาะในโปรตีนแต่ละตัว การเปรียบเทียบ โปรตีน ที่คล้ายคลึงกันที่มีอยู่ในเทอร์โมไฟล์เหล่านี้และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ เผยให้เห็นความแตกต่างบางประการในโครงสร้างของโปรตีน ความแตกต่างที่เห็นได้ชัดอย่างหนึ่งคือการมีพันธะไฮโดรเจน เพิ่มเติม ในโปรตีนของเทอร์โมไฟล์ ซึ่งหมายความว่าโครงสร้างของโปรตีนมีความต้านทานต่อการคลายตัวมากกว่า ในทำนองเดียวกัน โปรตีนที่ทนความร้อนนั้นอุดมไปด้วยสะพานเกลือ และ/หรือ สะพานไดซัลไฟด์เพิ่มเติมที่ทำให้โครงสร้างมีเสถียรภาพ^{[ 6 ] [ 7 ]}ปัจจัยอื่นๆ ของความคงตัวทางความร้อนของโปรตีน ได้แก่ ความกะทัดรัดของโครงสร้างโปรตีน^{[ 8 ]}การเกิดโอลิโกเมอร์^{[ 9 ]}และความแข็งแรงของปฏิสัมพันธ์ระหว่างหน่วยย่อย

เอนไซม์ DNA polymerase ที่ทนความร้อนเช่นTaq polymeraseและPfu DNA polymeraseถูกนำมาใช้ในปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส (PCR) โดยใช้อุณหภูมิ 94 °C ขึ้นไปเพื่อละลาย สาย DNAในขั้นตอนการแยกสาย DNA ของ PCR ^{[ 10 ]}ความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงนี้ทำให้ DNA polymerase สามารถยืดสาย DNA ด้วยลำดับที่ต้องการได้โดยมี dNTPs อยู่ด้วย

เอนไซม์มักถูกเติมลงในอาหารสัตว์เพื่อปรับปรุงสุขภาพและการเจริญเติบโตของสัตว์เลี้ยงในฟาร์ม โดยเฉพาะไก่และสุกร โดยทั่วไปอาหารสัตว์จะถูกบำบัดด้วยไอน้ำแรงดันสูงเพื่อฆ่าแบคทีเรีย เช่นซัลโมเนล ลา ดังนั้นเอนไซม์ที่เติมเข้าไป (เช่นไฟเทสและไซลาเนส ) จะต้องสามารถทนต่อความท้าทายทางความร้อนนี้ได้โดยไม่ถูกทำลายอย่างถาวร^{[ 11 ]}

ความรู้เกี่ยวกับความต้านทานของเอนไซม์ต่ออุณหภูมิสูงมีประโยชน์อย่างยิ่งในการทำให้โปรตีนบริสุทธิ์ในกระบวนการทำให้เสียสภาพด้วยความร้อน เราสามารถนำส่วนผสมของโปรตีนไปสัมผัสกับอุณหภูมิสูง ซึ่งจะส่งผลให้โปรตีนที่ไม่เสถียรต่อความร้อนเสียสภาพ และแยกโปรตีนที่มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ออกมา ตัวอย่างที่น่าสนใจอย่างหนึ่งคือการทำให้บริสุทธิ์ของอัลคาไลน์ฟอสฟาเตสจากไฮเปอร์เทอร์โมไฟล์Pyrococcus abyssiเอนไซม์นี้เป็นที่รู้จักกันดีว่ามีความเสถียรต่อความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 95 °C ดังนั้นจึงสามารถทำให้บริสุทธิ์ได้บางส่วนโดยการให้ความร้อนเมื่อแสดงออกในE. coli [ ^{12 ] การ}เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทำให้ โปรตีน E. coliตกตะกอน ในขณะที่ อัลคาไลน์ฟอสฟาเตส ของ P. abyssiยังคงอยู่ในสารละลายอย่างเสถียร

เอนไซม์ที่ทนความร้อนอีกกลุ่มหนึ่งที่สำคัญคือไกลโคไซด์ไฮโดรเลสเอนไซม์เหล่านี้มีหน้าที่ในการย่อยสลายส่วนประกอบหลักของชีวมวล คือ โพลีแซ็กคาไรด์ที่มีอยู่ในแป้งและลิกโนเซลลูโลส ดังนั้นไกลโคไซด์ไฮโดรเลสจึงได้รับความสนใจอย่างมากในการประยุกต์ใช้ในการกลั่นชีวภาพในเศรษฐกิจชีวภาพในอนาคต^{[ 13 ]}ตัวอย่างบางส่วน ได้แก่ การผลิตโมโนแซ็กคาไรด์สำหรับการใช้งานด้านอาหาร รวมถึงการใช้เป็นแหล่งคาร์บอนสำหรับการเปลี่ยนรูปจุลินทรีย์เป็นเชื้อเพลิง (เอทานอล) และสารเคมีขั้นกลาง การผลิตโอลิโกแซ็กคาไรด์สำหรับการใช้งานพรีไบโอติก และการผลิตสารลดแรงตึงผิวประเภทอัลคิลไกลโคไซด์ กระบวนการทั้งหมดเหล่านี้มักเกี่ยวข้องกับการบำบัดด้วยความร้อนเพื่ออำนวยความสะดวกในการไฮโดรไลซิสของโพลีแซ็กคาไรด์ ดังนั้น ไกลโคไซด์ไฮโดรเลส ชนิดที่ทนความร้อนจึง มีบทบาทสำคัญในบริบทนี้

วิศวกรรมโปรตีน สามารถใช้เพื่อเพิ่มความเสถียรต่อความร้อนของโปรตีน ^ได้เทคนิค การกลายพันธุ์ แบบกำหนดตำแหน่งและแบบสุ่มจำนวนมาก^{[ 14 ] [ 15 ]}นอกเหนือจากวิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทาง [ ^{16 ]}ได้ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มความเสถียรต่อความร้อนของโปรตีนเป้าหมาย วิธีการเปรียบเทียบได้ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มความเสถียรของ โปรตีน เมโซฟิลิกโดยเปรียบเทียบกับโฮโมล็อกเทอร์โม ฟิลิก ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}นอกจากนี้ การวิเคราะห์การคลายตัวของโปรตีนโดยพลศาสตร์โมเลกุลสามารถใช้เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการคลายตัวแล้วออกแบบการกลายพันธุ์ที่ทำให้เสถียร^{[ 21 ]}วิศวกรรมโปรตีนอย่างมีเหตุผลเพื่อเพิ่มความเสถียรต่อความร้อนของโปรตีนรวมถึงการกลายพันธุ์ที่ตัดลูป เพิ่มสะพานเกลือ^{[ 22 ]}หรือพันธะไฮโดรเจน การแนะนำพันธะไดซัลไฟด์ [ ^{23 ] นอกจาก}นี้ การจับกับลิแกนด์สามารถเพิ่มความเสถียรของโปรตีนได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำให้บริสุทธิ์^{[ 24 ]}มีแรงต่างๆ มากมายที่ทำให้โปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่งมีความเสถียรต่อความร้อน แรงเหล่านี้ได้แก่ ปฏิกิริยาไฮโดรโฟบิก ปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิต และการมีพันธะไดซัลไฟด์ ปริมาณไฮโดรโฟบิกโดยรวมที่มีอยู่ในโปรตีนชนิดใดชนิดหนึ่งนั้นเป็นปัจจัยสำคัญต่อความเสถียรต่อความร้อนของโปรตีนนั้น แรงอีกประเภทหนึ่งที่ส่งผลต่อความเสถียรต่อความร้อนของโปรตีนคือ ปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างโมเลกุล ปฏิกิริยาเหล่านี้ได้แก่ พันธะเกลือและพันธะไฮโดรเจน พันธะเกลือไม่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต่อความเสถียรของโปรตีนและเอนไซม์ แรงที่สามที่ใช้ในการเพิ่มความเสถียรต่อความร้อนในโปรตีนและเอนไซม์คือการมีพันธะไดซัลไฟด์ พันธะเหล่านี้เป็นพันธะเชื่อมโยงแบบโควาเลนต์ระหว่างสายโซ่โพลีเปปไทด์ พันธะเหล่านี้แข็งแรงที่สุดเพราะเป็นพันธะโควาเลนต์ ทำให้แข็งแรงกว่าแรงระหว่างโมเลกุล^{[ 25 ]}การไกลโคซิเลชันเป็นอีกวิธีหนึ่งในการปรับปรุงความเสถียรต่อความร้อนของโปรตีนผลกระทบทางสเตอริโออิเล็กทรอนิกส์ในการทำให้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างคาร์โบไฮเดรตและโปรตีนมีเสถียรภาพสามารถนำไปสู่การทำให้โปรตีนไกลโคซิเลตมีเสถียรภาพทางความร้อนได้^{[ 26 ]} เอนไซม์แบบวงจรโดยการเชื่อมต่อปลาย N กับปลาย C ด้วยพันธะโควาเลนต์ได้ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของเอนไซม์หลายชนิดมีการใช้ การสร้างวงแหวน อินทีนและ การสร้างวงแหวน SpyTag/SpyCatcher บ่อยครั้ง ^{[ 27 ] [ 28 ]}

เชื้อราพิษ บางชนิดมีสารพิษ ที่ทนความร้อนได้ เช่นอะมาทอกซินที่พบใน เห็ด หมวกมรณะและเห็ดหมวกกะโหลกฤดูใบไม้ร่วงและแพทูลินจากรา ดังนั้น การให้ความร้อนกับสิ่งเหล่านี้จะไม่สามารถขจัดความเป็นพิษได้ และเป็นเรื่องที่น่ากังวลเป็นพิเศษสำหรับความปลอดภัยของอาหาร^{[ 29 ]}

เทอร์โมไฟล์

• เทอร์มัส เทอร์โมฟิลัส
• เทอร์มัส อควาติคัส
• ไพโรค็อกคัส ฟูริโอซัส

ลองค้นหาคำว่า "thermostability"ในวิกิพีเดีย ซึ่งเป็นพจนานุกรมออนไลน์ฟรี

• ความเสถียรทางความร้อนของโปรตีนถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 22 มิถุนายน 2016 ที่Wayback Machine