taq酶為什麼會耐高溫？

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蛋白質不會高溫變性嗎？

蛋白質這傢伙，可以稱得上是地球上最神奇的東西。它僅由二十幾種氨基酸按一定順序（蛋白質一級結構）組成，按照氨基酸間的幾種相互作用力（范德瓦耳斯力、氫鍵、離子鍵、雙硫鍵），捲曲成的一個線團。正是這種線團，完成了主要的生命功能。生物體可以沒有細胞壁、葉綠體，沒有細胞結構，甚至沒有核酸，但目前已知所有的生物體都含有蛋白質。

如 @孫逸倫所說，Taq酶是從嗜熱菌Thermus aquaticus中分離出的。這種變態生物最喜歡75–80°C的環境，而且在92.5°C環境下放置兩小時，有一半以上還能存活（Taq polymerase）。嗜熱菌很多都這樣變態，在如此高的溫度下仍能存活。既然能高溫存活，它們的蛋白就肯定要在高溫下保持活性，不能變性。為什麼這些同一類、很類似的蛋白，在嗜熱菌中就不變性，在常溫生物中就會變性呢？

2000年，美國SAIC-Frederick公司發表了一篇文章（Kumar, Sandeep, Chung-Jung Tsai, and Ruth Nussinov. "Factors enhancing protein thermostability." Protein Engineering 13.3 (2000): 179-191.），系統比較了嗜熱生物蛋白和常溫生物蛋白的序列和三維結構，得出以下結論：

嗜熱生物蛋白和常溫生物蛋白，氨基酸序列十分接近，且疏水性、緊密度、聚合態、極性/非極性表面、主鏈/側鏈氫鍵，都差不多。
在嗜熱生物蛋白中，arginine和tyrosine普遍較多（可能是由於大側鏈所提供的疏水作用及離子間相互作用有助於提高蛋白質的熱穩定性），而cysteine和serine普遍較少（可能是由於脫氨、氧化水解、二硫鍵相互轉化等的不穩定性）。
在α螺旋中，嗜熱生物蛋白的氨基酸殘基部分較大，且proline較少。

具體到Taq酶本身，1995年，哈佛醫學院的科學家比較了Thermus aquaticus和大腸桿菌的DNA polymerase的三維結構（晶體結構）（Korolev, Sergey, et al. "Crystal structure of the large fragment of
Thermus aquaticus DNA polymerase I at 2.5-A resolution: structural basis
for thermostability." Proceedings of the National Academy of Sciences
92.20 (1995): 9264-9268.），發現：Thermus aquaticus的DNA polymerase的N端結構與大腸桿菌的不同，疏水中心更大，對熱不穩定的靜電作用力更少，且與C端大結構域的反應界面更大，所以對熱更穩定。（如下圖，粗線為Thermus aquaticus的DNA polymerase結構，細線為大腸桿菌DNA polymerase結構）。

因為Tag polymerase來自一種嗜熱細菌，這種細菌的生存環境溫度可高達80攝氏度。另外RNase A也是耐高溫的，我們通過煮沸RNase來去除DNase。