Термодинамическая точка зрения

Состояние белка определяется изменением свободной энергии при разворачивании: (\Delta G(T)=\Delta H(T)-T\Delta S(T)). При (\Delta G<0) нативная структура нестабильна и белок разворачивается.У развёрнутого состояния энтропия обычно выше ((\Delta S_{unf}>0)), поэтому при росте температуры вклад (T\Delta S) увеличивается и в какой‑то момент преобладает над энтальпийной стабилизацией ((\Delta H)), что приводит к денатурации. Температура плавления (T_m) определяется решением (\Delta G(T_m)=0), в приближении с постоянными (\Delta H,\Delta S) даёт (\displaystyle T_m\approx\frac{\Delta H}{\Delta S}).Зависимость от температуры сложнее при учёте изменения теплоёмкости при разворачивании (\Delta Cp); тогда
[
\Delta G(T)=\Delta H{ref}-T\Delta S_{ref}+\Delta Cp\Big[T-T{ref}-T\ln\frac{T}{T_{ref}}\Big],
]
что объясняет асимметричную чувствительность стабильности к изменению температуры.

Структурная причина денатурации при высокой температуре

Рост температуры увеличивает тепловое движение атомов и амплитуду флуктуаций, что ослабляет и разрушает нелокальные и слабые взаимодействия: водородные связи, ван‑дер‑ваальсовы контакты и хорошо упакованный гидрофобный ядро.Нарушение контактов и проникновение воды в ядро усиливает разворачивание (увеличение энтропии), поэтому структура «распадается» при превышении стабильного баланса энергий.

Почему ферменты термофилов устойчивее, чем мезофилов

Термофильные белки эволюционно имеют структурные особенности, повышающие энтальпийную и/или понижающие энтропийную составляющую разворачивания, а также снижающие чувствительность к T (меньшее (\Delta C_p)):
более плотная упаковка гидрофобного ядра (уменьшает проникновение воды и уменьшает (\Delta S_{unf}));больше и оптимально расположенных ионных пар/солевых мостиков и гидрофобно‑полярных взаимодействий (повышают (\Delta H));короткие гибкие петли и больше пролинов (уменьшают гибкость нативной формы и снижают энтропию нативного состояния, что уменьшает (\Delta S_{unf}));ковалентные мосты (дисульфидные) и олигомеризация (доп. интерфейсная энергия).В термодинамических терминах это выражается в большем (\Delta H{unf}) и/или меньшем (\Delta S{unf}), а иногда в меньшем (\Delta C_p), что повышает (T_m). Например, где мезофильный фермент имеет (T_m\sim 50^\circ\mathrm{C}), термофильный аналог может иметь (T_m\sim 80!-!100^\circ\mathrm{C}) при сохранении функции при высоких температурах.Компромисс: повышенная жёсткость повышает стабильность при высоких T, но снижает гибкость, необходимую для катализа при низких T, поэтому термофильные ферменты часто менее активны при низких температурах.

Кратко: при росте температуры выигрывает энтропийный вклад развёрнутого состояния ((T\Delta S)), что приводит к денатурации, а термостойкость достигается структурными адаптациями, которые либо увеличивают энтальпийную «плату» за разворачивание, либо уменьшают прирост энтропии при разворачивании (и/или снижают (\Delta C_p)), сдвигая точку равновесия к более высоким температурам.