Hình dạng riêng làm cho mỗi protein có chức năng đặc hiệu riêng biệt. Chuỗi polypeptide với trình tự amino acid xác định có thể tự động sắp xếp thành hình dạng ba chiều và duy trì hình dạng đó nhờ các mối tương tác quy định cấu trúc bậc hai bậc ba. Sự cuộn xoắn thường xảy ra khi protein được tổng hợp trong tế bào. Tuy nhiên, cấu trúc của protein cũng phụ thuộc vào điều kiện vật lý và hóa học của môi trường. Khi nồng độ pH, nhiệt độ... thay đổi thì protein duỗi ra và có thể mất đi hình dạng vốn có, sự biến đổi đó được gọi là biến tính. Vì bị biến dạng nên protein biến tính không hoạt động sinh học.
Bằng kết quả thực nghiệm, người ta chứng tỏ nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống hoàn toàn tương đương với nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng oxy hoá diễn ra ở ngoài cơ thể sống. Nói
cách khác, hiệu ứng nhiệt của quá trình oxy hoá chất diễn ra ở trong cơ thể sống và hiệu ứng nhiệt của quá trình oxy hoá chất diễn ra ở ngoài cơ thể sống là hoàn toàn tương đương. Ngoài ra, nội dung định luật I nhiệt động còn được sử dụng trong nghiên cứu tính ổn định của protein. Protein là thành phần không thể thiếu của tất cả các cơ thể sinh vật, nó là cơ sở của sự sống. Khoảng hơn một nửa khối lượng khô của cơ thể con người là protein. Trạng thái nguyên thể của một protein giống như một tinh thể hữu cơ. Nó khá cứng, và được tổ chức lại với nhau bằng một số lượng lớn các loại khác nhau của các tương tác hóa học
“yếu”, trong đó có liên kết hydrogen. Hình dạng mà một protein cuộn lại một cách tự nhiên được gọi là hình dạng nguyên thể. Trong “lõi” của một protein đã cuộn lại [32], chuỗi axit amin không phân cực đan vào nhau và được bó chặt chẽ, tạo thành hình dạng bền vững và cụ thể. Sự bền vững của một loại protein đã cuộn là quan trọng đối với chức năng sinh học của nó, và trong trường hợp thích hợp, cho phép xác định cấu trúc của nó ở độ phân giải nguyên tử.
Protein không phải là một phân tử đặc chắc hoàn toàn. Không chỉ cố định ở một bậc cấu trúc nhất định, protein có thể chuyển sang một vài cấu trúc liên quan khi chúng thực hiện các chức năng sinh học. Trong trường hợp sắp xếp các chức năng này, các cấu trúc bậc 3 và bậc 4 thường được gọi là "hình dạng", và sự chuyển tiếp giữa chúng gọi là sự thay đổi hình dạng. Những thay đổi này thường do liên kết của một phân tử cơ chất (substrate molecule) với một vị trí hoạt động của một enzyme, những vùng của protein tham gia vào xúc tác hóa học. Các protein trong dung dịch hòa tan cũng trải qua những biến đổi về cấu trúc tác động bởi các rung động nhiệt và sự va chạm với các phân tử khác. Nhưng trạng thái cuộn lại của một loại protein là khá bền vững. Ngược lại, trạng thái duỗi ra của protein lại mềm dẻo hơn và giống như chất lỏng. Liên kết trong mạch bên axit amino có thể xoay tự do trong một protein đã duỗi ra, và trong trường hợp lý tưởng, tất cả mạch bên axit amin hoàn toàn tiếp xúc với dung môi.
Tương tác không cộng hóa trị làm ổn định cấu trúc cuộn của protein (hoặc DNA chuỗi kép hoặc cấu trúc RNA gấp nếp) có thể bị “gãy” trong một số cách khác nhau. Một là bằng cách tăng nhiệt. Về bản chất chỉ có hai trạng thái của protein:
trạng thái co và duỗi. Sự chuyển từ trạng thái co sang trạng thái duỗi cũng giống như quá trình nóng chảy. Như vậy, [11] sự duỗi ra của protein được gây ra bởi nhiệt độ hoặc một số phương tiện khác giống như sự nóng chảy của chất rắn.
Điều này là đúng ngay cả khi xét protein co hòa tan trong dung dịch nước.
Trong nước, những tương tác giữa các phân tử là liên kết hydrogen; trong protein, là liên kết cộng hóa trị, không cộng hóa trị.... Sự nóng chảy của nước tinh khiết hoặc bất kỳ chất rắn tinh khiết khác là một hiện tượng tập thể. Đó là, sự nóng chảy xảy ra ở một hoặc trên một phạm vi rất hẹp của nhiệt độ, chứ không phải trên một phạm vi rộng. Điều này cũng đúng với protein duỗi ra hoặc sự nóng
chảy của DNA.
Một số nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành để đo năng lượng cần thiết để phá vỡ một liên kết hydrogen ở nhiệt độ phòng. Nó thích hợp không chỉ đối với các protein duỗi ra mà còn cho “nóng chảy” của DNA sợi kép, được tổ chức với nhau bằng liên kết hydrogen. Ước tính sự biến thiên của liên kết năng lượng, nhưng một cách hợp lý và tổng quát phù hợp với con số là 1 kcal mol−1. Liên kết hydrogen riêng lẻ còn yếu.
Từ phương trình ∆H =Qp, enthalpy của trạng thái co của một protein là HF, enthalpy của trạng thái duỗi của một protein là HU, và sự khác nhau giữa HU, HF, là enthalpy của sự biến tính và sự duỗi ra là 1Hd. Trong trường hợp này, trạng thái co của protein là trạng thái gốc, như trạng thái duỗi được đo dựa vào trạng thái gốc đó. Vậy sự khác biệt enthalpy này là gì? Như đã thảo luận ở trên, trong quá trình đẳng áp, sự thay đổi enthalpy cho một quá trình tương đương với quá trình hấp thụ nhiệt lượng, và trạng thái co của một protein có thể được hình như một chất rắn, và khi duỗi ra linh hoạt như một chất lỏng. Vì vậy, sự khác biệt giữa các enthalpy của trạng thái co và duỗi của một protein là lượng nhiệt cần thiết để các protein duỗi ra. Như chúng ta sẽ thấy, độ lớn của nhiệt lượng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nhiệt độ mà tại đó một protein duỗi ra (hoặc DNA sợi kép nóng chảy) được gọi là nhiệt độ nóng chảy, kí hiệu là Tm. Nhiệt độ này không chỉ phụ thuộc vào số lượng và loại liên kết không cộng hóa trị trong trạng thái gấp nếp mà còn phụ thuộc vào độ pH và điều kiện dung dịch khác. Tm cũng phụ thuộc vào áp suất, nhưng hầu hết các thí nghiệm sinh học được thực hiện ở áp suất 1atm.
CHƯƠNG 3
Chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với các đại phân tử sinh học
Trong chương này, tôi chỉ dừng lại tìm hiểu về giản đồ pha p−T của đại phân tử là protein. Đặc biệt chú ý tập trung nghiên cứu giản đồ pha hình elliptic của protein. Lý thuyết nhiệt động học hiện tượng luận mô tả giản đồ pha này giải thích cho sự biến tính phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất trong quá trình duỗi ra của protein.
Xét trong đồ thị (p−T) của phân tử sinh học. Hầu hết các phần của luận văn này đều đề cập đến protein. Các phân tử sinh học khác như DNA và lipids... sẽ được thảo luận trong những nghiên cứu tiếp theo.
Tất nhiên, thí nghiệm có thể bao gồm chỉ một phần nhỏ của toàn bộ mặt phẳng (p−T).Thậm chí, còn nhỏ hơn các khu vực nơi mà các nhà khoa học quan tâm đến các hành vi của phân tử sinh học. Nhưng phần nhỏ đó là hữu ích để xác định được miền sử dụng của protein. Đương nhiên, miền này nằm xung quanh các điều kiện sống của các hệ phân tử sinh học.
Trên thực tế, nền dung môi của hệ sinh học là dung dịch nước. Áp suất cao nhất trong sinh quyển trên 0.1 GPa (1 kbar) ở dưới đáy của rãnh Mariana ở Thái Bình Dương. Mặc dù, áp suất này lớn hơn 1000 lần so với áp suất khí quyển, nhưng nó không thể làm nhiễu loạn cấu tạo hay sự tổ chức của các phân tử sinh học.
Áp suất cao hơn thường là cần thiết cho những thay đổi mạnh mẽ trong cấu trúc của phân tử sinh học, chẳng hạn như sự biến tính protein. Sự biến đổi sinh lý thường diễn ra trong khoảng từ 0.5 - 1 GPa và rất ít khi lên đến 2 GPa. Giới hạn này phù hợp với áp suất gây ra sự hóa rắn của nước, nó sẽ xảy ra trong một khoảng thời gian phụ thuộc và nhiệt độ. Vì vậy, ta sẽ chủ yếu khảo sát sự chuyển pha áp suất - nhiệt độ trên phạm vi của chất lỏng nước.