Psychrofile



W najszerszym rozumieniu są to organizmy, które żyją w
zimnych środowiskach.



Są to organizmy, które optymalny wzrost wykazują w
temperaturze niższej niż 15



C i nie rosną w temperaturze

powyżej 20



C. Są zdolne do wzrostu w temperaturze 0



C

lub niższej. Niektóre są w stanie przetrwad nawet w -60



C.



Termin ten stosuje się przede wszystkim w odniesieniu do
mikroorganizmów, jednak wielu autorów do organizmów
psychrofilnych zalicza poza prokariotami i drożdżami
także niektóre algi, owady, ryby oraz rośliny pod
warunkiem, że są one stale pod wpływem niskiej
temperatury (poniżej 5



C).

Psychrofile, psychrotrofy czy
psychrotoleranty?



W przypadku mikroorganizmów zachodzi potrzeba
rozróżnienia tych, które są w stanie żyd w niskich
temperaturach (mimo wysokiego optimum) od
prawdziwych psychrofili. I tak:



Psychrofile (psychrofile obligatoryjne) – optimum wzrostu
<15



C, maksimum 20



C,



Psychrotrofy (psychrofile fakultatywne) – mogą żyd w
temperaturze ponad 20



C, ale jednocześnie są zdolne do

podziałów w temperaturze bliskiej 0



C, preferują

środowiska zimne, jednak mają szeroki zakres tolerancji



Psychrotoleranty – mezofile, które mogą przystosowad się
do niskich temperatur

Środowisko życia



Psychrofile występują w wiecznie
zimnych środowiskach takich jak:
wody słodkie i morskie, lodowce i lód
morski, śniegi, polarne i
wysokogórskie gleby, zimne pustynie
oraz wieczne zmarzliny. Dominują tam
one liczebnie i funkcjonalnie.



W środowiskach nie permanentnie
zimnych mogą dominowad pod
warunkiem, że dostarczona jest
dostateczna ilośd materii organicznej,
co pozwoli im na szybką reprodukcję w
krótkim czasie.



Lód:



Lód wiecznej zmarzliny, lodowce,
lód morski i jeziorny, śnieg



Mikroorganizmy mogą w nim żyd
dzięki temu, że między
kryształkami lodu znajdują się
przestrzenie z wodą w stanie
płynnym. Dzieje się tak pod
warunkiem, że temperatura nie
jest zbyt niska (powyżej -5



C dla

lodowców, powyżej -35



C dla lodu

morskiego, różnica wynika z faktu
zasolenia).



W kanalikach lodu występują:



Cyanobacteria i niektóre glony
(odpowiedzialne za produkcję
materii organicznej)



bakterie heterotroficzne z
rodzajów: Octadecabacter,
Alteromonas, Colwellia,
Glaciecola, Pseudoalteromonas,
Shewanella, Cytophaga,
Flavobacterium, Gelidibacter,
Polaribacter.



Wieczna zmarzlina (permafrost):



Obejmuje 26% powierzchni gleb od 0,5m do ponad 1450m
w głąb



Są to gleby, których temperatura przez cały czas jest poniżej
0



C.



Występują w niej psychrofile takie jak: Psychrobacter fozii,
Psychrobacter maritimus, Deinococcus radiomollis, D.
claudionis, D. altitudinis, D. alpinitundrae.



Głębiny oceanów:



Wody poniżej 1000m pokrywają 60% powierzchni Ziemi.



Są to środowiska skrajne, temperatura wynosi 2-4



C, a

ciśnienie dochodzi do 110MPa, woda jest słona, panuje
ciemnośd, a substancje pokarmowe występują w skrajnie
niskich stężeniu.



W warunkach takich występują psychrofile z rodzajów:
Colwellia, Moritella, Photobacterium, Psychromonas,
Shewanella.

Szczególne adaptacje psychrofili
do środowiska



Psychrofile osiągnęły fizjologiczny i ekologiczny sukces w
zimnych środowiskach przede wszystkim dzięki unikalnym
cechom ich białek i błon.



Adaptacje do zimna składają się z wielu przystosowao na
poziomach:



biochemicznym (kinetyka enzymów, synteza
wyspecjalizowanych cząsteczek)



ponadcząsteczkowym i subkomórkowym (regulacja
płynności błon komórkowych, kanały jonowe)



fizjologicznym (szlaki metaboliczne, sezonowe obniżenie
czynności życiowych)



Największym problemem, z
którym muszą się zmierzyd
organizmy żyjące w ekstremalnie
zimnych środowiskach jest
zamarzanie wody
wewnątrzkomórkowej.



Czysta woda zamarza w
temperaturze 0



C, woda morska

zaś średnio w temperaturze od
-0,5 do -0,9



C. Zależy to od

stężenia soli, głównego czynnika
odpowiedzialnego za obniżenie
temperatury krzepnięcia wody.



Białka histerezy termicznej (thermal histeresis proteins)



Organizmy psychrofilne rozwiązały problem zamarzania
wody wewnątrzkomórkowej poprzez syntezę specjalnych
glikoprotein i peptydów, które mogą obniżyd jeszcze
bardziej temperaturę jej krzepnięcia.



Inne nazwy tych białek to antifreeze proteins (AFPs) lub ice
structuring proteins (ISPs).



Błony



Zawierają specyficzne białkowe składniki, zapewniające im
płynnośd oraz możliwośd transportu substratów w
ekstremalnie zimnych warunkach.

Enzymy



Enzymy to wielkocząsteczkowe, w większości białkowe
katalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne.



Enzymy nie zmieniają stanu równowagi reakcji chemicznej, a
jedynie przyspieszają jego ustalenie. Następuje to wskutek
obniżenia energii aktywacji (



G*) reakcji.

Wpływ niskiej temperatury na
enzymy mezofilne



Szybkośd reakcji chemicznej jest tym wyższa im wyższa jest

temperatura (T) i im niższa jest wartośd energii aktywacji

(



G*), co wynika z równania:



gdzie:



k – stała szybkości reakcji,





- współczynnik transmisji,



K

B

– stała Bolzmanna (1,38



10

-23

J



K

-1

),



h – stała Plancka (6,63



10

-34

J



s

-1

),



R – stała gazowa (8,31 J



K

-1



mol

-1

),



T – temperatura w Kelwinach,





G* - energia aktywacji.



Szybkośd reakcji enzymatycznych wzrasta wraz ze
wzrostem temperatury. Wiąże się to z podwyższeniem
energii kinetycznej cząstek i większą częstotliwością ich
zderzeo.



Wielkośd wzrostu aktywności enzymatycznej w zależności
od temperatury opisuje współczynnik temperaturowy
Q

10

, określający jak zmieni się szybkośd reakcji przy

wzroście temperatury o 10 °C:



Spadek temperatury powoduje spadek szybkości reakcji.



Większośd systemów biologicznych wykazuje spadek
szybkości reakcji 2-3 razy gdy temperatura zostanie
obniżona o 10



C (Q

10

= 2 do 3).



W konsekwencji, gdy temperatura reakcji zostanie
zamieniona z 37



C do 0



C, aktywnośd enzymu

mezofilnego jest od 16 do 81 razy niższa (2

4

do 3

4

).



W związku z tym zaskakuje fakt, iż czas generacji (okres
czasu potrzebny do podwojenia się liczby komórek)
bakterii pschrofilnych w temperaturze bliskiej 0



C jest

tego samego rzędu, co czas generacji mezofili w 37



C.

Aktywnośd i adaptacje
strukturalne enzymów psychrofili



W badaniach wykazano, że enzymy psychrofilne
odznaczają się wyższą reaktywnością (k

kat

) i wyższą

wydajnością (k

kat

/K

m

) niż ich mezofilne i termofilne

odpowiedniki.



k

kat

/K

m

– odzwierciedla zarówno powinowactwo

chemiczne, jak i zdolnośd katalityczną enzymu. Stosunek
ten jest używany do porównywania różnych enzymów
względem siebie lub preferencji jednego enzymu do
różnych substratów



k

kat

– stała katalityczna, wyraża liczbowo zdolnośd enzymu

do katalizowania reakcji chemicznych (jego reaktywnośd),
szybkośd tworzenia produktu



Taka poprawa katalitycznych parametrów wywodzi się
prawdopodobnie z wysoko elastycznej struktury białek, która
zapewnia lepsze zdolności przechodzenia zmian
konformacyjnych podczas katalizy w niskich temperaturach.



Jednakże struktura trójwymiarowa enzymów psychrofilnych
bardzo często nie różni się znacznie od mezofilnych i
termofilnych odpowiedników.



Zwiększona elasycznośd enzymów przystosowanych do
zimnego środowiska może wynikad z:



zmian w wiązaniach wewnątrz cząsteczkowych



interakcji z rozpuszczalnikiem (wodą i rozpuszczonymi jonami)



interakcji między podjednostkami



zwartości rdzenia



wielkości i rozdzielenia wgłębieo



W stosunku do enzmów mezofilnych, psychrofilne mają:



więcej polarnych i mniej hydrofobowych reszt
aminokwasowych,



więcej glicyny



niższy stosunek zawartości argininy do lizyny



mniej wiązao wodorowych, oddziaływao aromatycznych i
wiązao jonowych



brak mostków solnych



dodatkowe miejsca z podwyższoną zawartością polarnych
reszt aminokwasowych lub/i obniżoną zawartością proliny



zmodyfikowane oddziaływania dipolowe w



-helisach



zredukowane oddziaływania hydrofobowe pomiędzy
podjednostkami



Cechy te nigdy nie występują wszystkie naraz w jednym
enzymie. Każdy ma swój specyficzny zestaw zmian w
stosunku do mezo- i termofilnych analogów.



Nadają one elastycznośd centrom aktywnym enzymów,
jednak kosztem aktywności w wyższych temperaturach.



To właśnie powoduje termolabilnośd, czyli termiczną
niestabilnośd, enzymów aktywnych w skrajnie niskich
temperaturach, chod są od tej reguły pewne wyjątki.

Przykłady enzymów psychrofili



Dehydrogenaza mleczanowa z Bacillus
psychrosaccharolyticus



Oksydoreduktaza katalizująca reakcję
przemiany: kwas pirogronowy <-> kwas
mlekowy.



Jest to pierwszy enzym psychrofilny,
którego gen został sklonowany i porównany
do homologicznych sekwencji z bakterii
mezofilnych i termofilnych.



Badania wykazały, że dehydrogenaza
mleczanowa psychrofilna zawiera więcej
polarnych reszt aminokwasowych, a mniej
hydrofobowych niż jej odpowiedniki.
Powoduje to zwiększenie elastyczności
enzymu.



Syntaza cytrynianowa (EC 2.3.3.1) z

Arthrobacter sp. DS2-3R



Enzym cyklu Krebsa, transferaza

katalizująca reakcję włączania acetylo-CoA

do cyklu.



Została wyizolowana z wielu psychrofilnych

i psychrotolerancyjnych bakterii

antarktycznych. Optima wzrostu tych

bakterii zawierają się w przedziale 17-45



C,

mimo to wszystkie zdolne są do wzrostu w

temperaturze bliskiej 0



C.



Gen syntazy cytrynianowej z Arthrobacter

sp. DS2-3R został sklonowany i

zsekwencjonowany.



Struktura tego psychrofilnego enzymu

została porównana ze strukturą

homologicznych enzymów z mezofila

Mycobacterium smegmatis, termofilnego

archeona Thermoplasma acidophilum i

hipertermofilnego archeona Pyrococcus

furiosus.





-Amylaza (EC 3.2.1.1) z Alteromonas

haloplanctis



Hydrolaza, katalizująca reakcję
endohydrolizy wiązania



-(1-4)glikozydowego w oligosacharydach

i polisacharydach.



Jest to pierwszy psychrofilny enzym, który
został wykrystalizowany, a jego struktura
porównana za pomocą rentgenografii
strukturalnej (stworzenie modelu
przestrzennego) z



-amylazą świni.



Badania wykazały, że enzym psychrofilny
wykazuje optimum działania w
temperaturze około 30



C niższej niż enzym

mezofilny (świoski). Ponadto, w
temperaturach 4



C i 25



C wykazał on

wydajnośd katalityczną (k

kat

/K

m

)

odpowiednio 6,6 i 3,7 razy wyższą.



Izomeraza triozofosfornanowa (EC
5.3.1.1) z Vibrio marinus



Enzym glikolizy, izomeraza katalizująca
reakcję: fosfodihydroksyaceton (DHAP) <->
D-aldehyd 3-fosfoglicerynowy (PGAL).



Różnica między tym psychrofilnym
enzymem, a jego mezofilnym
odpowiednikiem polega jedynie na
zastąpieniu seryny w pozycji 238 alaniną.



Już tak mała zmiana powoduje, że
izomeraza triozofosforanowa z Vibrio
marinus jest wysoko wydajna katalitycznie,
a jednocześnie bardzo niestabilna
termicznie (jej czas półtrwania w 25



C

wynosi jedynie 10min).



Dehydrogenaza jabłczanowa (EC
1.1.1.37) z Aquaspirillum arcticum



Oksydoreduktaza ostatniej reakcji
cyklu Krebsa: jabłczan ->
szczawiooctan +NADH).



Enzym ten wykazuje wysoką
wydajnośd katalityczną w niskich
temperaturach. Co ciekawe, w
temperaturze 37



C jest wciąż bardziej

wydajny (1,25x) niż jego mezofilny
odpowiednik z E. coli.

Potencjalne zastosowanie
enzymów psychrofili



Degradacja materiału antropogennego w zimnym
środowisku, bioremediacja, np. oleju napędowego,
polichlorowanych bifenyli (zawarte są w transformatorach,
kondensatorach, impregnatach, płynach hydraulicznych,
smarach, opakowaniach, farbach drukarskich, preparatach
owadobójczych, klejach, tworzywach sztucznych)



Przetwórstwo żywności (fermentacja, serowarstwo,
piekarnictwo, cukiernictwo, kruszenie mięsa)



Środki czyszczące



Obróbka skór



Przemysł tekstylny



Wielonienasycone kwasy tłuszczowe (PUFAs –
polyunsaturated fatty acids)



Należą do nich kwasy omega-3, omega-6 i omega-9.



Kwasy tłuszczowe omega-3 i omega-6 to tzw. kwasy
niezbędne, które muszą byd dostarczane do organizmu wraz
z pożywieniem.



Tradycyjnym źródłem tych kwasów są ryby (a także w
mniejszym stopniu algi).



Badania wykazały, że istnieje całkiem sporo rodzajów
bakterii, występujących w głębinach oceanicznych, które je
produkują.



Prowadzi się badania nad produkcją wielonienasyconych
kwasów tłuszczowych na skalę przemysłową przez
organizmy prokariotyczne.