Một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ====== ĐẶNG THỊ THANH HẰNG MỘT LÝ THUYẾT NHIỆT ĐỘNG ĐỐI VỚI CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết Vật lí tốn Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRÍ LÂN NGUYỄN TRÍ LÂN HÀ NỘI, 2017 Lời cảm ơn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới Tiến sĩ Nguyễn Trí Lân - Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Thầy hướng dẫn tận tình, đầy hiệu quả, thường xuyên bảo, giúp đỡ, động viên, tạo môi trường làm việc tốt cho tơi suốt q trình nghiên cứu thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường ĐHSP Hà Nội II, thầy cô khoa vật lý tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập làm luận văn Xin cảm ơn thầy cô Viện Vật lý giúp đỡ, đóng góp, cung cấp cho tơi kiến thức bổ ích vấn đề nghiên cứu Cuối tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân gia đình bạn bè cổ vũ động viên, tạo điều kiện cho suốt thời gian học tập làm luận văn Hà Nội, tháng 06 năm 201 Tác giả ĐẶNG THỊ THANH HẰNG Lời cam đoan Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Trí Lân Luận văn khơng trùng lặp với đề tài khác Tôi mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn sinh viên để luận văn hoàn thiện Hà Nội, tháng 06 năm 201 Tác giả ĐẶNG THỊ THANH HẰNG Mục lục Mở đầu Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 1 Nhiệt động học sinh học 1.1 Sự chuyển hóa lượng hệ sinh học 1.2 Định luật thứ nhiệt động lực học 1.2.1 Nội dung 1.2.2 Enthalpy 1.2.3 Áp dụng định luật I cho hệ sinh học 1.3 Định luật thứ hai nhiệt động học 1.3.1 Nội dung 1.3.2 Entropy 1.3.3 Áp dụng định luật II cho hệ sinh học 1.4 Năng lượng tự Gibbs 4 4 Các đại phân tử sinh học 2.1 Một vài nét đại phân tử sinh học 2.1.1 Sự hình thành đại phân tử sinh học 2.1.2 Khái niệm đại phân tử sinh học 2.2 Cấu trúc chức số đại phân tử sinh học 2.2.1 Cấu trúc protein 2.2.1.1 Cấu trúc sơ cấp hay cấu trúc bậc I 2.2.1.2 Cấu trúc bậc II 13 13 17 19 21 21 22 25 27 30 30 30 33 34 35 35 36 2.2.1.3 Cấu trúc bậc III 2.2.1.4 Cấu trúc bậc IV 2.2.2 Chức protein 2.3 Sự biến tính cuộn xoắn protein Chuyển pha áp suất — nhiệt độ 3.1 Nước dạng lỏng 3.2 Sự chuyển pha đại phân tử sinh học 3.3 Các lý thuyết chuyển pha áp suất — nhiệt độ sinh học 3.3.1 Giản đồ pha dạng Elliptic Protein 3.3.2 Giới hạn lý thuyết nhiệt động lực học 3.4 Một vài ứng dụng giản đồ pha áp suất - nhiệt độ 3.4.1 Myoglobin 3.4.2 Ribonuclease 38 39 40 41 44 đại phân tử 45 46 49 49 56 57 57 58 Kết luận 60 Tài liệu tham khảo 61 Mở đầu Lí chọn đề tài Sự phát triển nhiệt động lực học vấn đề hấp dẫn lịch sử khoa học Sự áp dụng kiến thức vật lý vào nghiên cứu sinh học thực vào cuối kỷ XVIII Năm 1780 hai nhà khoa học Pháp Lavoadie Laplace tiến hành thí nghiệm để nghiên cứu tính khả dụng định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sống Năm 1929, Berger ghi điện não đồ động vật Lịch sử hình thành Lý sinh Taruxop, giáo sư trường Đại học tổng hợp Lomonoxop khẳng định: "Lý sinh xem khoa học bắt đầu hình thành từ kỷ XIX" Thế kỷ XX kỷ phát triển mạnh mẽ nghiên cứu khoa học Lý sinh lĩnh vực: Nhiệt động học, động học trình sinh vật, vận chuyển chất qua màng tế bào, quang sinh học phóng xạ sinh học v.v Theo Albert Einstein - nhà vật lý người Mỹ gốc Đức, sống 1879-1955 Ông trao giải Nobel Vật lý năm 1921 mô tả "Người đàn ông kỷ" tạp chí Time bầu chọn vào cuối năm 1999 Ơng nói rằng: "nhiệt động lực học cổ điển lý thuyết vật lý tổng quát, khả ứng dụng sở lý thuyết nó, mà tơi tin không bị lật đổ.” C P Snow, nhà vật lý người Anh, ”Nội dung định luật thứ hai nhiệt động lực học thể thiếu hiểu biết Shakespeare, nhằm nhấn mạnh tầm quan trọng nhiệt động lực học nhận thức tính chất (đặc trưng) giới vật chất.” Saibal Mitra, giáo sư vật lí Đại học Missouri, cho rằng: Có số cách khác phát biểu định luật thứ hai, ơng nói ”Ở cấp độ vi mơ, đơn giản phát biểu bạn có hệ lập, q trình tự nhiên hệ diễn tiến theo hướng làm tăng mức hỗn loạn, hay entropy, hệ.” Mitra giải thích q trình mang lại tăng entropy Cho dù trật tự tăng lên nơi định, chẳng hạn tự lắp ráp phân tử tạo sinh vật sống, ta xét tồn hệ bao gồm mơi trường, ln ln có tăng entropy tồn phần Trong ví dụ khác, tinh thể hình thành từ dung dịch muối nước bay Các tinh thể trật tự phân tử muối dung dịch; nhiên, nước bay hỗn loạn nhiều so với nước lỏng Quá trình xét tổng thể mang lại tăng mức hỗn loạn Và M V Volkenstein, thành viên Viện Sinh học phân tử Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xơ, viết, ”Khi khảo sát hệ vật lý nào, bao gồm hệ sống, bắt đầu việc mô tả nhiệt động học tượng luận nó.” Sự quan tâm ngành khoa học Lý sinh chưa dừng lại ngày lớn dần khoa học kĩ thuật - đất nước ngày phát triển Cụ thể, bước sang kỷ XXI, hàng loạt vấn đề đặt cho nhà khoa học cần phải nghiên cứu Đó lượng sinh học, chuyển hố lượng sử dụng lượng hệ sống? Bản chất chế hình thành điện sinh vật? Hiện tượng phân cực hệ thống sống xảy có khác so với hệ vật lý? Các số đặc trưng vật lý hố lý tế bào, mơ, quan, thể có mối liên quan hệ thống tiến hoá? Vấn đề tự điều chỉnh trình sinh học thể sống trước thay đổi yếu tố môi trường nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Sinh học phóng xạ thu hút nhiều nhà khoa học sâu nghiên cứu nhằm phục vụ cho công tác chọn giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm, công chinh phục vũ trụ, sử dụng lượng hạt nhân mục đích hồ bình khơng loại trừ khả có chạy đua vũ trang việc nắm giữ "đòn hạt nhân đầu tiên" với tham vọng bá quyền giới? Ngày nay, sinh học, hóa sinh, lý sinh cơng nghệ sinh học thu hút ý người trẻ tuổi, dựa phương pháp mà nhà vật lý hóa học làm cách ba mươi, bốn mươi năm mươi năm trước Hiện có thay đổi lớn nhận thức dư luận phân bổ nguồn tài nguyên cho nghiên cứu trường đại học Cụ thể, đột phá di truyền học, sinh học tế bào, y học thay đổi cách sống, từ việc cải thiện chất lượng sản phẩm để xoá bệnh; người khuyến khích tìm hiểu nguồn gốc ý nghĩa sống Phát triển nhận thức hình học sống, quy mơ chiều dài mở rộng từ sinh vật riêng lẻ yếu tố cấu trúc đại phân tử cá nhân, dẫn đến đánh giá lại nguyên tắc thiết kế tất ngành kỹ thuật, bao gồm tính tốn [2] Và vài thập kỷ sau xác định độ phân giải nguyên tử cấu trúc DNA sợi kép protein, ngày trở nên rõ ràng hai thông tin nhiệt động cấu trúc cần thiết để đạt nhận thức sâu sắc tính chất chức đại phân tử sinh học Protein loại máy móc thiên nhiên có kích thước nano, cung cấp nguồn cảm hứng cho sáng tạo cho nhà khoa học lý - sinh - hóa kiểm sốt vật chất cấp độ nguyên tử Nhiệt động lực học protein co - duỗi sử dụng để minh họa số điểm Tại phải nhấn mạnh protein? Khoảng 50% khối lượng khô thể người protein, khơng có tế bào hoạt động mà khơng cần protein Vì protein đảm nhiệm nhiều chức liên quan đến toàn hoạt động sống tế bào, quy định tình trạng tính chất thể sống Như ta biết, sống phát sinh từ nước Chất lỏng nước vừa thành phần cấu tạo vừa dung mơi hòa tan nhiều chất cần thiết cho hoạt động sống tế bào, đồng thời nước mơi trường phản ứng sinh hóa [28] Do vậy, chất lỏng nước định hướng hay định tính chất tất cấu trúc sinh học Nhà triết học Hy Lạp Thales Miletus (khoảng 550 TCN) trích dẫn Aristotle (Lý thuyết Siêu hình, 983b) quan niệm toàn giới khởi nguồn từ nước Nước chất chung tất vật, tượng giới Mọi gian khởi nguồn từ nước bị phân hủy lại biến thành nước Thales có nói rằng: ”Mọi vật sinh từ nước; thứ nguyên động vật tinh dịch, mà tinh dịch ẩm ướt; thứ hai, thực vật sống nước đâm hoa kết trái nhờ nước, khô héo thiếu nước; thứ ba, thân ánh sáng mặt trời thiên thể tiêu thụ nước, giống thân vũ trụ.’’ Chính mơi trường nước, tiểu phân tử ion lắp ráp thành đại phân tử, đại phân tử tích hợp thành bào quan hình thể tế bào, tức tồn khối lượng lại thể sinh vật Các phân tử gồm amino acid, lipid, glucid, protein Hơn nữa, thí nghiệm sinh hóa - sinh lý, ngồi nhiệt độ áp suất thơng số quan trọng chúng biến nhiệt động Trong thập kỷ qua, số thực nghiệm cho áp suất cao thực hệ thống sinh học tăng lên đáng kể Có nhiều lý để cần đo áp suất hiệu dụng (biểu kiến) hệ thống nhiệt động lực học Có lẽ lý quan trọng nhờ tách rời ảnh hưởng thay đổi thể tích nhiệt áp suất, chúng xuất lúc thí nghiệm nhiệt độ Trong q trình sinh học phân tử, áp suất nhạy cảm với thay đổi thể tích hệ Do đó, thay đổi thể tích liên quan đến q trình hóa học (sinh học), sử dụng áp suất biến thực nghiệm Những lập luận cho thấy rõ rằng, vài tượng đóng vai trò quan trọng nghiên cứu khơng thí nghiệm nhiệt độ mà thí nghiệm áp suất, hai Trong luận văn này, chúng tơi thảo luận q trình khác nhiệt động lực học (sự biến tính, q trình chuyển pha, ,) mặt phẳng đồ thị áp suất - nhiệt độ (p − T ) nước dạng lỏng Vì lý trên, đề tài ”Một lý thuyết nhiệt động đại phân tử sinh học” chọn làm luận văn thạc sĩ khoa học học viên Đặng Thị Thanh Hằng Mục đích nghiên cứu • Tìm hiểu cách tổng quát lý thuyết nhiệt động đại phân tử sinh học; • Tìm hiểu lý thuyết ứng dụng chuyển pha áp suất — nhiệt độ đại phân tử sinh học Nhiệm vụ nghiên cứu • Xây dựng tranh vật lý lý thuyết nhiệt động đại phân tử sinh học; • Thực số tính tốn giải tích cho chuyển pha áp suất — nhiệt độ đại phân tử sinh học, dao động mật độ nước dạng lỏng Đối tượng nghiên cứu • Nhiệt động học sinh học; • Các đại phân tử sinh học, nước dạng lỏng ; • Các lý thuyết chuyển pha áp suất — nhiệt độ đại phân tử sinh học Phương pháp nghiên cứu • Ứng dụng công cụ vật lý lý thuyết đại lý thuyết hệ nhiều hạt, lý thuyết hệ phức hợp, nhiệt động lực học sinh học vật lý thống kê, • Sử dụng phần mềm tính số xây dựng đồ thị thể kết giải tích thu sau trình tính tốn giải tích đồi với đối tượng thuộc phạm vi nghiên cứu • Thảo luận, trao đổi với nhà nghiên cứu có đối tượng nghiên cứu nhằm làm rõ nâng cao nhận thức kỹ lĩnh vực nghiên cứu 49 3.3 Các lý thuyết chuyển pha áp suất — nhiệt độ đại phân tử sinh học Khi nhiệt độ áp suất cao, protein duỗi (hình 3.1.1) Sự biến tính lạnh protein khẳng định [8], đo cho số lượng tương đối nhỏ protein [9, 38, 21, 7] Từ thí nghiệm thực tế xuất hình ảnh cho thấy trạng thái nguyên thể protein ổn định đường cong khép kín mặt phẳng p − T Nằm đường cong khép kín đó, hình dáng protein ngun thể bền vững protein duỗi Nhiệt động lực học mô tả phù hợp cho đường giới hạn chuyển pha protein duỗi xây dựng Hawley [10] Lý thuyết giải thích phép đo duỗi chymotrypsinogen liệu từ thí nghiệm Brandts ribonuclease A [11] Hawley tính giá trị lượng tự Gibbs khác trạng thái protein biến tính trạng thái protein nguyên thể thu đường cong bậc hai cho điều kiện biến tính (∆G = 0) Đường cong có dạng hình elliptic protein Những giá trị thực nghiệm chymotrypsinogen ribonuclease A [10, 11] khẳng định hình dạng giản đồ pha protein duỗi hình elliptic Trong khn khổ lý thuyết nhiệt động, nhiệt độ, áp suất biến tính lạnh ba đường đặc biệt protein duỗi 3.3.1 Giản đồ pha dạng Elliptic Protein Protein tồn hai trạng thái khác dạng nguyên thể dạng biến tính chuyển qua lại hai trạng thái Ta khảo sát trình co - duỗi protein hai trạng thái đơn giản, nhiệt động lực học mơ tả hai q trình dựa lượng tự khác hai trạng thái nguyên thể trạng thái duỗi protein Năng lượng tự Gibbs hai trạng thái là: ∆G = Gdenatured − Gnative = ∆S∆T + ∆V ∆p (3.3.1) Độ biến thiên lượng tự âm q trình kéo theo sụt giảm lượng tự tình biến đổi từ trạng thái nguyên thể đến trạng thái biến tính Các hệ thống khơng ổn định (G cao hơn) có xu hướng biến đổi trạng thái ổn định (G thấp hơn) trạng thái cân Để cho hệ trạng thái cân lượng tự đạt giá trị cực tiểu 50 Ta có d∆G = −∆SdT + ∆V dp (3.3.2) Ta thấy lượng tự Gibbs tất trạng thái protein phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Lấy tích phân phương trình chọn điểm T0 , p0 đến T, p tùy ý, thu ∆G = ∆G0 − ∆S0 (T − T0 ) − ∆Cp T ln T −1 T0 + ∆V0 (p − p0 ) (3.3.3) ∆β + (p − p0 )2 + ∆α (T − T0 ) (p − p0 ) , đó: ∆ thay đổi thông số tương ứng trình biến tính (ví dụ độ biến thiên ∆G giá trị lượng tự trạng thái biến tính trừ trạng thái nguyên thể) β hệ số nén đẳng nhiệt xác định công thức: β = ∂V ; α hệ số giãn nở đẳng nhiệt xác định công thức: ∂p T α= ∂V ∂T p =− ∂S ∂p T ; Cp nhiệt dung riêng đẳng áp: Cp = T ∂S ∂T p Trong vùng lân cận điểm gốc sử dụng phép gần bậc 2, ta thu được: T ln T (T − T0 )2 − + T0 = T0 2T0 (3.3.4) Thay vào phương trình (3.3.3) ta được: ∆G = ∆G0 − ∆S0 (T − T0 ) − ∆Cp (T − T0 )2 + ∆V0 (p − p0 ) 2T0 ∆β (p − p0 )2 + ∆α (T − T0 ) (p − p0 ) + (3.3.5) Đường cong chuyển pha, nơi protein biến tính xác định ∆G = Thế vào phương trình (3.3.5) thu phương trình biểu diễn đường cong thứ hai đồ thị p − T p ∆G0 − ∆S0 (T − T0 ) − ∆C (T − T0 )2 + ∆V0 (p − p0 ) 2T0 + ∆β (p − p0 )2 + ∆α (T − T0 ) (p − p0 ) = 51 p 4 2 T G 10 Hình 3.3.1: Năng lượng tự Gibbs duỗi hàm số áp suất nhiệt độ Phần ellipse tô đậm mặt cắt thể đường cong chuyển tiếp ∆G = Bên hình ellipse trạng thái nguyên thể, bên ellipse trạng thái co bền vững 52 Về mặt tốn học, phương trình tổng qt mặt bậc 2, papabola hay ellipse, thực nghiệm, người ta khẳng định ln có hình dạng ellipse protein Theo toán học, để đảm bảo hình ellipse thỏa mãn điều kiện: ∆α2 > ∆Cp ∆β , T0 (3.3.6) chứng minh dấu hiệu khác ∆Cp ∆β trường hợp chymotrypsinogen ribonuclease A nghiên cứu Hawley [10] Vế phải phương trình (3.3.5) cho ta parabol ellip ∆G hình 3.3.1 Mặt cắt phía hình chiếu phương trình đồ thị p − T, cho thấy nguồn gốc sơ đồ pha ellipse Miền - nơi protein trạng thái bền vững pha nguyên thể ∆G > thể màu xám Vậy hình màu xám cho biết protein trạng thái nguyên thể Khai triển chuỗi Taylor dừng lại gần bậc hai, tức lấy đạo hàm bậc hai độ biến thiên lượng tự Gibbs ∆G nhiệt độ áp suất không đổi:  ∂∆Cp    ∂T  p     ∂∆β  = 0,  ∂∆β    ∂p T      ∂∆α = 0, ∂T ∂p p T = = ∂∆α ∂T p = 0, ∂∆Cp ∂p T (3.3.7) = Mặc dù điều kiện phương trình (3.3.7) thường cho thích hợp khơng phải ln ln đúng, có số trường hợp không phù hợp Cụ thể, Yamaguchi viết báo cáo phụ thuộc ∆G vào áp suất trường hợp ribonuclease A tham khảo [18] Phép phân tích mở rộng độ biến thiên lượng tự theo nhiệt độ áp suất phương trình ∆G (T, p) cần thiết, số hạng bậc ba phương trình tính đến (có thể tham khảo [12]) Hình 3.3.2 cho thấy giản đồ pha bị biến dạng đưa vào số hạng tỉ lệ T , T p, T p2 , p3 Theo ý nghĩa vật lý, số hạng nhiệt độ áp suất phụ thuộc vào ∆Cp , ∆β, ∆α Hình dạng đường cong ellipse rõ ràng khơng bị bãi bỏ, thực tế hình dạng đường cong méo Như người ta mong đợi, đặc biệt phần méo ellipse nhiệt độ cao áp suất cao, nơi mà số hạng có giá trị lớn Như vậy, đường biên giới giai đoạn méo quan sát thấy, liên quan đến giới hạn lý thuyết đằng sau giản đồ pha elliptic [22] Khảo sát số điểm cụ thể giản đồ pha elliptic Tại nhiệt độ biến tính 53 Hình 3.3.2: Ảnh hưởng số hạng bậc cao hình dạng giản đồ ellipse Ảnh hưởng số hạng (a) T ; (b) T p; (c) T p2 ; (d) p3 Đường nét liền thể sơ đồ pha ban đầu; đường chấm chấm thể sơ đồ pha số hạng đưa vào phương trình Các mũi tên cho thấy hướng biến dạng số hạng bậc cao tăng lên Th ( áp suất khí quyển), áp suất biến tính pd (ở nhiệt độ phòng) nhiệt độ biến tính lạnh Tc ba điểm quan tâm Chúng xác định phương trình sau: Th = − ∆S0 T0 + ∆Cp pd = − ∆V0 + ∆β Tc = − ∆S0 T0 − ∆Cp ∆G0 T0 ∆S02 T02 +2 + T0 , ∆Cp ∆Cp ∆V02 ∆G0 −2 + p0 , ∆β ∆β ∆S02 T02 ∆G0 T0 +2 + T0 ∆Cp ∆Cp (3.3.8) (3.3.9) (3.3.10) Chọn điểm T0 , p0 tùy ý, để đơn giản chọn T0 nhiệt độ phòng p0 áp suất khí Hệ số góc ranh giới pha điểm tùy ý hình ellipse 54 viết dạng sau: ∂∆G ∂p ∂T = − ∂∆G ∂T ∂p ∆S0 − ∆α (p − p0 ) + ∆Cp T −T T0 = , ∆V0 + ∆β (p − p0 ) + ∆α (T − T0 ) (3.3.11) theo phương trình Clausius - Clapeyron ∂∆G ∂p ∂T = − ∂∆G ∂T ∂p ∆V0 + ∆β (p − p0 ) + ∆α (T − T0 ) = ∆S0 − ∆α (p − p0 ) + ∆Cp T −T T0 (3.3.12) Hình 3.3.3: Vị trí tương đối đường ∆S = ∆V = ellipse Khi áp suất nhiệt độ có giá trị lớn nhất, trạng thái nguyên thể protein ổn định, hệ số góc ellipse vô hạn pmax Tmax Theo phương trình Clausius - Clapeyron, ta có ∆V = (cho điểm của) Tmax ∆S = (cho điểm của) pmax Đường ∆V = đường thẳng qua trung tâm ellipse Tương tự đường ∆S = đường thẳng Những đường thẳng xác định phương trình: p∆S=0 = ∆Cp T − T0 ∆S0 + + p0 , ∆α T0 ∆α (3.3.13) 55 p∆V =0 = ∆V0 ∆α (T − T0 ) + + p0 ∆β ∆β (3.3.14) Hình 3.3.3 thể đường cho trường hợp tổng qt hình ellipse Đó đường entropy đường thể tích thay đổi hưởng tích cực đến duỗi protein Dưới đường ∆S = 0, đường ∆S theo thứ tự giảm dần suốt q trình protein biến tính Trên đường ∆V = 0, thể tích giảm góp phần làm cho ∆G đẩy mạnh trình protein duỗi Hình 3.3.4: Giản đồ pha p − T áp dụng cho chymotrypsinogen (a), ribonuclease (b) Thực tế, hình dạng, kích thước hướng đường biên giới elliptic định nghĩa thông số nhiệt động (∆β, ∆α, ∆Cp , ∆V0 , ∆S0 , ∆G0 ) Sự giảm ∆Cp mở rộng hình ellipse theo hướng trục nhiệt độ Tương tự giảm ∆β theo hướng trục áp suất ∆α xác định chủ yếu hướng 56 ellipse Các giản đồ pha chymotrypsinogen ribonuclease xác định Hawley khác rõ rệt hình dạng chúng (Hình 3.3.4) Trong giản đồ pha chymotrypsinogen cho thấy ảnh hưởng ổn định áp suất trung bình > điểm Th ), áp chống lại biến tính nhiệt hệ số góc đường cong, dp dp suất giảm ribonuclease duỗi nhiệt Các giản đồ pha protein phân loại hai hình thức, chymotrypsinogen trơng giống ”cái lưỡi” dạng hai ribonuclease ”sườn đồi” 3.3.2 Giới hạn lý thuyết nhiệt động lực học Giả thuyết tổng quát: Nhận xét phải lý thuyết nhiệt động hoàn toàn tượng luận, không liên quan đến kiến thức cấu trúc hệ thống thực tế (như cấu trúc protein) Nó quan trọng để nhận toàn lý thuyết dựa giả định có hai trạng thái protein, trình chuyển pha trình chuyển đổi hai trạng thái, mà không cần trạng thái trung gian [37] Hawley sử dụng cân nhiệt động lực học để mô tả biến tính Điều hàm ý q trình duỗi protein có tính thuận nghịch, mà khơng phải ln ln theo chiều Trong số thí nghiệm, biến tính tìm thấy khơng thể thuận nghịch (đảo ngược), nhiệt độ cao Trên nhiệt độ biến tính nhiệt gel hình thành quan sát nồng độ vừa đủ [6] Hawley nhận thấy 450 C protein khơng tính thuận nghịch Zipp Kauzmann [22] quan sát thấy xảy thuận nghịch myoglobin tác dụng độ pH phạm vi định Giới hạn chủ yếu việc sử dụng giản đồ pha elliptic có tồn trạng thái trung gian trình co - duỗi Nơi trung gian gọi ”giọt tan chảy” tìm thấy suốt biến tính protein Điều dẫn đến tồn trạng thái siêu bền miền biết giản đồ pha Một vấn đề quan trọng, mà không đưa vào tính tốn lý thuyết nhiệt động học đơn giản trên, xuất tương tác phân tử q trình biến tính [35] trạng thái trung gian Điều làm cho protein bị biến dạng tự nhân đôi cách làm cho protein bình thường bị cuộn sai (misfolding) tập hợp lại não, dẫn đến bệnh gặp bò điên viêm não chậm người Trong năm gần đây, nhà khoa học phát protein cuộn sai [9] gây trình tương tự làm rối loạn thối hóa thần kinh dẫn đến bệnh Alzheimer, Parkinson Lou Gehrig Hiện tại, nghiên cứu tạp chí Nature cho thấy chứng việc lây truyền protein cuộn sai từ người sang 57 người lý gây bệnh Alzheimer 3.4 Một vài ứng dụng giản đồ pha áp suất nhiệt độ 3.4.1 Myoglobin Myoglobin protein cơ, chiếm khoảng 2% tổng lượng protein Myoglobin gồm chuỗi polypeptid kết hợp với Hemoglobin Chuỗi polypeptid myoglobin có 153 acid amin, có trọng lượng phân tử khoảng 17000 Chuỗi polypeptid Myoglobin tương tự chuỗi polypeptide globin Khoảng 75% chuỗi có cấu trúc xoắn a Các đoạn xoắn theo hướng phải có đoạn xoắn tương tự chuỗi globin Hemoglobin Giản đồ pha myglobin lần nghiên cứu Zipp Kauzmann tinh dịch cá voi Đường ranh giới trạng thái co thể đường cong tương tự hình ellipse Kích thước vùng p − T trạng thái tự nhiên phụ thuộc vào độ pH dung dịch Thực nghiệm chứng tỏ trình chuyển pha khó xảy vùng nhiệt độ cao áp suất cao giản đồ pha Ngoài ra, myglobin bị kết tụ pH khoảng từ − 9, đặc biệt nhiệt độ cao Zipp Kauzmann sử dụng quang phổ hấp thụ để phát q trình chuyển pha, nơi đo tín hiệu hấp thụ vòng porphyrin Tia hồng ngoại nghiên cứu myoglobin thực phòng thí nghiệm Heremans Dải quang phổ hồng ngoại thứ I (khoảng 1.600 1.700 cm−1 ) đặc trưng cho cấu trúc bậc hai protein, dải quang phổ thức II (khoảng 1.550 cm−1 ) thể trao đổi hydrogen deuterium cho thấy cấu trúc bậc ba nới lỏng Meersman et al qua sử dụng quang phổ hồng ngoại để so sánh nhiệt độ lạnh, nhiệt nóng áp suất trạng thái duỗi metmyoglobin từ trái tim ngựa Bằng thí nghiệm liên tiếp hồn tồn đo giản đồ pha p − T myoglobin [36] Cách đo tia hồng ngoại đòi hỏi protein có nồng độ cao, nhiệt độ cao với áp suất thấp Khi trình chuyển pha bất thuận nghịch, pha tổng hợp ổn định (hoặc siêu bền) sau trở với điều kiện môi trường Trong số trường hợp, giản đồ pha cân hồn tồn khơng thể xây dựng Trong miền định sơ đồ p − T có hai chí ba trạng thái siêu bền tồn tại, tùy thuộc vào lịch sử mẫu 58 Hình 3.4.1: Giản đồ pha myoglobin Khi có xuất kết tụ q chuyển pha, biến tính khơng xảy Ở trạng thái trung gian co lại lần kết tụ, chúng phụ thuộc vào nhiệt độ() Trong số trường hợp, quan sát ba trạng thái điều kiện môi trường: trạng thái nguyên thể, kết tụ co lại Tại nhiệt độ cao, hành vi pha kết tụ nghiên cứu chi tiết nhóm Heremans Điều thú vị là, nhiệt độ cao, kết tụ phân li khơng áp suất mà nhiệt độ cao, (hình 3.4.1) khoảng 1000 C Khi nghiên cứu Lysozyme có kết tương tự xảy vùng nhiệt độ thấp Từ giản đồ pha ellipse, cụ thể từ đường ranh giới pha ellipse, giả thuyết xây dựng cho pha tổng hợp 3.4.2 Ribonuclease Riboniclease (RNase) nhóm enzyme có phân bố rộng rãi tự nhiên, đóng trò quan trọng q trình trao đổi chất acid nucleic,thực chức tiêu hóa, chống virus, tham gia vào phản ứng miễn dịch thể Về hình dạng, Riboniclease A giống thận, gốc trung tâm hoạt động nằm vùng lõm thận Riboniclease có cấu trúc bậc hai bao gồm phiến cấu trúc β đối song song ngược chiều kề bên chuỗi xoắn α ngắn 59 Hình 3.4.2: Giản đồ pha ribonuclease A có khơng có crowding Riboniclease A protein xác định giản đồ pha [18] Kể từ đó, nhiều thí nghiệm áp suất thực hiên loại khác riboniclease Nhóm nghiên cứu Jonas so sánh biến tính nóng, lạnh áp suất riboniclease [11] cách sử dụng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Gần đây, nghiên cứu giản đồ pha riboniclease A để nghiên cứu hiệu ứng chèn lấn phân tử giản đồ pha (hình 3.4.2) Sự crowding phân tử gây 30% dextran ổn định trạng thái co protein chống lại biến tính áp suất nhiệt độ 60 Kết luận Trong trình nghiên cứu, chúng tơi ln xét q trình cân pha trạng thái (khai triển xung quanh vị trí lượng tự Gibbs có giá trị nhỏ nhất), T thay đổi lượng tự Gibbs thay đổi, phản ánh tương quan hữu hạn nhiệt độ áp suất Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi áp suất theo phương trình bậc hai (3.3.3) Cụ thể, luận văn này, xét thay đổi nhiệt độ áp suất làm cho Gibbs thay đổi dẫn đến tượng co - duỗi protein Áp dụng lý thuyết nhiệt động cho đại phân tử protein, Hawley xây dựng đường ranh giới elliptic mặt phẳng đồ thị p − T cho trạng thái nguyên thể Lý thuyết dựa giả thiết hai trạng thái Từ xác định q trình chuyển pha co - duỗi protein nhiệt độ áp suất thay đổi Mơ hình mơ tả số protein đơn giản dung dịch loãng Giản đồ pha p − T đại phân tử khác khác Giản đồ tuyến tính ellipse thể thành phần tính chất hệ sinh học Việc nghiên cứu đồ thị p − T hệ đơn giản cho biết sở ảnh hưởng áp suất, nhiệt độ lên hệ thống sinh học phức tạp Ứng dụng thực tế, dựa hiểu biết sơ đồ pha p − T phân tử protein, ứng dụng chủ yếu vào ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm Dựa hàm Gibbs có nhiệt độ T P xác định trên, ta hồn tồn xây dựng biểu thức nhiệt động, tính chất nhiệt động protein xung quanh vị trí nhỏ lượng tự Gibbs 61 Tài liệu tham khảo [1] Eisenberg D and Kauzmann W 1969 The Structure and Properties of Water (Oxford: Oxford University Press) [2] Haynie D T 2008 Biological Thermodynamics (Cambridge University Press) [3] Cheftel J, Levy J and Dumay E 2000 Pressure-assisted freezing and thawing: principles and potential applications (Food Rev Int 16) pp 453 – 483 [4] Heremans K and Smeller L 1998 Protein structure and dynamics at high pressure (Acta 1368) pp 353 – 370 [5] LSmeller 2015 Department of Biophysics and Radiation Biology (Semmelweis University, Budapest, Hungary) chap 2, pp 19–35 [6] Meersman F, Smeller L and Heremans K 2000 Pressure-assisted cold unfolding of proteins and its effects on the conformational stability compared to pressure and heat unfolding (High Press Res 19) pp 263–268 [7] Kunugi S, Yamamoto H, Makino M, Tada T and UeharaKunugi Y 1999 Pressure-assisted cold-denaturation of carboxypeptidase Y (Bull Chem Soc Jpn 72) pp 2803–2806 [8] Brandts J 1969 Structure and Stability of Biological vol (Marcel Dekker, New York) p 213 [9] Nash D and Jonas J 1997 Structure of the pressure-assisted cold denatured state of ubiquitin (Biochem Biophys Res Commun 238) pp 289 – 291 [10] Hawley S 1971 Reversible pressure-temperature denaturation of chymotrypsinogen (Biochemistry 10) pp 2436 – 2442 [11] Brandts J, Oliveira R and Westort C 1970 Thermodynamics of protein denaturation Effect of pressure on the denaturation of ribonuclease A (J.F Brandts and R.J Oliveira and C Westort) pp 1038 – 1047 [12] Smeller L and Heremans K 1997 Some thermodynamic and kinetic consequences of the phase diagram of protein denaturation, in: K Heremans (Ed.), High Pressure Research in Bioscience and Biotechnology (Leuven University Press, Louvain) pp 55 – 58 62 [13] Alexander R M 1999 Energy for Animal Life (Oxford Animal Biology Series) [14] Yamaguchi T, Yamada H and Akasaka K 1992 Journal of Molecular Biology 225 939 – 943 ISSN 0022-2836 URL http://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/002228369290094Z [15] Kondepudi D and Prigogine I 1998 Modern Thermodynamics: from Heat Engines to Dissipative Structures (Chichester: John Wiley) chap [16] Katchalsky A and Curran P 1967 Nonequilibrium Thermodynamics in Biophysics (Cambridge: Massachusetts: Harvard University Press) chap [17] Senapathy and Periannan 1994 Independent birth of organisms (Madison, WI: Genome Press) [18] Yamaguchi T, Yamada H and Akasaka K 1995 Journal of Molecular Biology 250 689 – 694 ISSN 0022-2836 URL http://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S0022283685704081 [19] Goossens K, Smeller L, Frank J and Heremans K 1996 Pressuretuning spectroscopy of bovine pancreatic trypsin inhibitor: a high pressure FTIR study (Eur J Biochem 236) [20] Wroblowski B, Diaz J, Heremans K and Engelborghs Y 1996 Molecular mechanics of pressure-induced conformational changes in bovine pancreatic trypsin inhibitor, Proteins Struct (Funct Genet 25) [21] Privalov P, Griko Y, Kutysenko V and Venyaminov S 1986 Cold denaturation of myoglobin (J Mol Biol 190) [22] Zipp A and Kauzmann W 1973 Pressure denaturation of metmyoglobin vol 4217 - 4228 (Biochemistry 12) [23] Christensen H and Cellarius R 1972 Introduction to Bioenergetics: Thermodynamics for the Biologist: A Learning Program for Students of the Biological and Medical Sciences (Philadelphia: W.B Saunders) [24] Atkins P W 1994 The Second Law: Energy, Chaos, and Form (New York: Scientific American) [25] Atkins P W 1998 Physical Chemistry (Oxford University Press) [26] GATES and DAVID M 1963 The energy enviroment in which we live (American Scientist) [27] Christensen H N and Cellarius R A 1972 Introduction to Bioenergetics: Thermodynamics for the Biologist: A Learning Program for Students of the Biological and Medical Sciences (Philadelphia: W B Saunders) [28] Cooper A, Eyles S J, Radford S E and Dobson C M 2002 Protein Structure (Biochimica et Biophysica Acta (BBA)) [29] Gilbert and Walter 1986 Origin of life: The RNA world (Nature 319) p 618 63 [30] Rothschild and Lynn 2003 Understand the evolutionary mechanisms and environmental limits of life (NASA) [31] Futuyma D J and Antonovics J 1992 Oxford surveys in evolutionary biology: Symbiosis in evolution vol (London, England: Oxford University Press) ISBN 0-19-507623-0 [32] Feldman D and Frydman J 2000 Protein folding in vivo: the importance of molecular chaperones (Curr Opin Struct Biol) pp 26 – 33 [33] Klotz I M 1986 Introduction to Biomolecular Energetics (Orlando: Academic Press) chap 3–7 [34] Tydoki R J 1996 The Gibbs function, spontaneity, and walls (Journal of Chemical Education) [35] Smeller L, Meersman F and Heremans K 2006 Refolding studies using pressure: the folding landscape of lysozyme in the pressure-temperature plane (Biochim Biophys Acta) [36] Meersman F, Smeller L and Heremans K 2005 Extending the pressuretemperature state diagram of myoglobin vol 546–556 (Helv Chim Acta 88) [37] Ptitsyn O and Uversky V 1994 The molten globule is a third thermodynamical state of protein molecules (FEBS Lett 341) pp 15 – 18 [38] Engen J R, Smithgall T E, Gmeiner W H and Smith D L 1997 Biochemistry 36 14384–14391 pMID: 9398156 (Preprint http://dx.doi.org/10.1021/ bi971635m) URL http://dx.doi.org/10.1021/bi971635m [39] Baron M 1989 Journal of Chemical Education 66 1001 (Preprint http: //dx.doi.org/10.1021/ed066p1001) URL http://dx.doi.org/10.1021/ ed066p1001 [40] Klotz I M 1999 The Journal of Physical Chemistry B 103 5910–5916 (Preprint http://dx.doi.org/10.1021/jp9913057) URL http://dx.doi org/10.1021/jp9913057 ... độ nước dạng lỏng Đối tượng nghiên cứu • Nhiệt động học sinh học; • Các đại phân tử sinh học, nước dạng lỏng ; • Các lý thuyết chuyển pha áp suất — nhiệt độ đại phân tử sinh học Phương pháp nghiên... học 2.1 Một vài nét đại phân tử sinh học 2.1.1 Sự hình thành đại phân tử sinh học 2.1.2 Khái niệm đại phân tử sinh học 2.2 Cấu trúc chức số đại phân tử sinh học 2.2.1 Cấu trúc... tử sinh học Nhiệm vụ nghiên cứu • Xây dựng tranh vật lý lý thuyết nhiệt động đại phân tử sinh học; • Thực số tính tốn giải tích cho chuyển pha áp suất — nhiệt độ đại phân tử sinh học, dao động