Sự chuyển pha trông có vẻ đơn giản "từ bên ngoài", nhưng thực tế, chúng là khá phức tạp. Chưa có ai thực sự biết làm thế nào để mô tả một sự thay đổi pha
Hình 3.2.1: Chuyển pha loại 1. Các đồ thị hiển thị các hành vi chức năng của enthanpy và entropy so với nhiệt độ. Cả hai đại lượng nhiệt động lực học là không liên tục ở nhiệt độ chuyển pha, như là Cp.
ở cấp độ của các hạt riêng lẻ. Tuy nhiên, người ta có thể đưa ra một mô tả về một sự thay đổi pha trên mức độ vĩ mô về mặt nhiệt động lực học cổ điển. Ví dụ như sự thay đổi gián đoạn enthalpy và entropy được thể hiện trên đồ thị có một trục là nhiệt độ (hình 3.2.1). Điều này có nghĩa là các đường cong enthanpy phụ thuộc vào nhiệt độ có hình dạng “bậc thang”; khi đó có một sự thay đổi đột ngột chuyển từ chất rắn sang chất lỏng hoặc chất lỏng sang chất rắn. Entropy cũng tương tự như vậy.
Chuyển pha loại một là chuyển pha trong đó có các đại lượng quảng tính như thể tích, nội năng, entropy,... biến đổi gián đoạn. Vì các đại lượng như thế đều là đạo hàm bậc nhất của các hàm thế nhiệt động lực nên cũng có thể nói chuyển pha loại một là chuyển pha trong đó đạo hàm bậc nhất của các hàm thế nhiệt động lực là gián đoạn, còn bản thân các hàm thế thì vẫn liên tục.
Trong sự biến đổi pha loại 1 của vật chất, luôn luôn có kèm theo sự nhận nhiệt hay tỏa nhiệt. Nhiệt lượng mà hệ nhận vào hay tỏa ra, ứng với một đơn vị khối lượng vật chất, khi chuyển pha được gọi là ẩn nhiệt biến đổi pha. Ví dụ: Nhiệt hóa hơi, nhiệt nóng chảy là ẩn nhiệt biến đổi pha. Trong nhiều trường hợp, quá trình co - duỗi của protein giống như chuyển pha loại 1. Vì dụ như khi rán trứng, bạn sẽ thấy lòng trắng trứng dần dần chuyển từ màu trong sang màu trắng đục, tương ứng với sự chuyển pha từ cấu hình co sang cấu hình duỗi của protein làm thay đổi tính chất quang học.
Quá trình chuyển pha trong nước từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng là chuyển pha loại 1. Đường ranh giới giữa pha lỏng và rắn của nước đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống trên Trái đất. Ví dụ, khi nhiệt độ giảm xuống, nước bắt đầu đóng băng trên bề mặt, băng nổi lên trên bề mặt nước. Nước trên bề mặt mất nhiệt
cho môi trường xung quanh, nhiệt độ băng trên bề mặt có thể dưới 00C. Mật độ của nước đá là thấp hơn so với nước ở dạng lỏng. Nước là một chất lỏng đặc biệt!
Nước có ảnh hưởng quyết định đến khí hậu và là nguyên nhân tạo ra thời tiết.
Năng lượng mặt trời sưởi ấm không đồng đều các đại dương đã tạo nên các dòng hải lưu trên toàn cầu. Ngoài ra, nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là môi trường của các quá trình sinh hóa cơ bản như quang hợp.
Trong lý sinh học, các yếu tố biến tính (pH, nhiệt độ, áp suất...) thay đổi có thể phá hủy các tương tác không cộng hóa trị của protein và làm biến tính protein.
Dưới những điều kiện biến tính như vậy, entropy tăng khi quần thể đồng nhất chứa các phân tử co bị mất ổn định và chuyển hóa thành các tập hợp chứa nhiều phân tử duỗi. Tập hợp protein biến tính này sẽ tạo thành rất nhiều protein không có hoạt tính sinh học và thực tế chúng cũng không tồn tại trong trạng thái tự nhiên. Khi ở nhiệt độ cao hoặc ở nhiệt độ thấp hiện tượng biến tính đều có thể xảy ra nên ta phân loại bằng cách gọi chúng là biến tính nóng và biến tính lạnh.
Các protein chưa co hoặc mới co lại một phần khuynh hướng kết tủa thành khối lớn và thường không hòa tan trong nước, do vậy protein trong những khối này rất khó tách ra để co thành cấu hình chính xác. Sự kết tụ này một phần là do các mạch nhánh kị nước lộ ra khi chưa kịp vùi vào lõi của protein, những mạch nhánh kị nước lộ ra trên các phân tử sẽ bám vào nhau do hiệu ứng kị nước [40], do đó thúc đẩy sự kết tụ. Protein mới tổng hợp có nguy cơ bị kết tụ trước khi hình thành quá trình co lại. Chaperone phân tử ngăn chặn sự kết tụ và mang lại thời gian để protein mới sinh co lại chính xác, để chúng trở về đúng cấu hình thích hợp tham gia các quá trình sinh học, làm cơ thể sống có thể hoạt động được ở những môi trường có nhiệt độ khắc nhiệt. Protein bền vững nhất khoảng 370C, và đó là lý do tại sao vi khuẩn gần như không có quá trình khuếch tán và thân nhiệt của các động vật máu nóng thường có giá trị xung quanh nhiệt độ này.
Để hiểu được nguồn gốc của sự chuyển pha của protein, cần chú ý rằng ảnh hưởng của môi trường chất lưu là vô cùng quan trọng. Chúng ta sẽ xét tới protein ở trong môi trường nước. Đóng góp vào entropy (số lượng thông tin khả dĩ từ các bậc tự do của cấu hình, với độ phân giải nhất định) gồm 2 thành phần, đó là entropy cổ điển (quan trọng ở nhiệt độ cao) và entropy lượng tử (quan trọng ở nhiệt độ thấp). Entropy cổ điển của cấu hình protein duỗi tăng nhanh khi nhiệt độ lớn dần vì số bậc tự do khả dĩ của protein duỗi là nhiều hơn, còn entropy lượng tử của cấu hình protein duỗi tăng nhanh khi nhiệt độ giảm dần vì cấu trúc tương tác giữa nước và protein sẽ đa dạng hơn rất nhiều khi diện tích tiếp xúc giữa chúng cao hơn. Do vậy, ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp, luôn luôn có khả năng entropy đủ cao và gây ra hiện tượng biến tính nóng và biến tính lạnh.