Giáo trình Công nghệ protein 1

Chương 1
Mở đầu
I. Khái quát chung về protein
1.1. Những đặc trưng chung của nhóm chất protein
Protein được phát hiện lần đầu tiên ở thế kỷ XVIII (1745 bởi
Beccari); mới đầu được gọi la allbumin (lòng trắng trứng). Mãi đến năm
1838 , Mulder lần đầu tiên đưa ra thuật ngữ protein (xuất phát từ chữ Hy
lạp proteos nghĩa là “đầu tiên”, “quan trọng nhất”. Biết được tầm quan
trọng và nhu cầu xã hội về protein, đến nay nhiều công trình nghiên cứu
và sản xuất hợp chất này đã được công bố, đã đem lại nhiều ý nghĩa hết
sức to lớn phục vụ cho nhân loại. Vì vậy, nhiều nhà khoa học trên thế giới
đã vinh dự nhận được giải thưởng Nobel về các lĩnh vực nghiên cứu liên
quan đến protein.
Như đã biết protein là hợp chất hữu cơ có ý nghĩa quan trọng bậc
nhất trong cơ thể sống. Về mặt số lượng, nó chiếm không dưới 50% trọng
lượng khô của tế bào. Về thành phần cấu trúc, protein được tạo thành chủ
yếu từ các amino acid qua liên kết peptide. Cho đến nay người ta đã thu
được nhiều loại protein ở dạng sạch cao có thể kết tinh được và đã xác
định được thành phần các nguyên tố hoá học, thông thường trong cấu trúc
của chúng gồm bốn nguyên tố chính là C H O N với tỷ lệ C 50%, H
7%, O 23% và N 16%. Đặc biệt tỷ l ệ N trong protein khá ổn định.
Nhờ tính chất này để định lượng protein theo phương pháp Kjeldahl,
người ta tính lượng N rồi nhân với hệ số 6,25. Ngoài ra trong protein còn
gặp một số nguyên tố khác như S 0-3% và P, Fe, Zn, Cu...
Khối lượng phân tử, ký hiệu là Mr (được tính bằng Dalton)* của
các loại protein thay đổi trong những giới hạn rất rộng, thông thường từ
hàng trăm cho đến hàng triệu. Ví dụ: insulin có khối lượng phân tử bằng
5.733, glutamat-dehydrogengenase trong gan bò có khối lượng phân tử
bằng 1.000.000 (bảng 1.1).
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nhóm chất protein
Từ lâu, đã biết rằng protein tham gia mọi hoạt động sống trong cơ
thể sinh vật, từ việc tham gia xây dưng tế bào, mô, đến tham gia hoạt động
xúc tác và nhiều chức năng khác v.v...Ngày nay, khi hiểu rõ vai trò to lớn
của protein đối với cơ thể sống, người ta càng thấy rõ tính chất duy vật và
ý nghĩa của định nghĩa thiên tài của Anghen F. : “sống là phương thức tồn
tại của những thể protein”. Với sự phát triển của khoa học, vai trò và
ý nghĩa của protein đối với sự sống càng được khẳng định. Cùng với acid
nucleic, protein là cơ sở vật chất của sự sống. 
pdf 145 trang thiennv 11/11/2022 3200
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Công nghệ protein 1", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

File đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_cong_nghe_protein_1.pdf

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ protein 1

  1. Hiện nay người ta đã biết rõ cơ chế hoạt động của nhiều enzyme như carboxypeptidase, chymotripsin v.v , một enzyme cũng được nghiên cứu khá kỹ thuộc nhóm phosphotransferase xúc tác quá trình chuyển vị nhóm phosphate đó là protein kinase A (hình 1.1) 3.1.4. Sự phân bố enzyme trong tế bào. Trong cơ thể enzyme có mặt ở mọi mô, mọi tế bào. Nhưng tùy theo chức năng của mô mà các tế bào trong mô thường có những hệ thống enzyme riêng biệt. Sự khác nhau đó không chỉ ở giữa các loại tế bào mà ngay trong một tế bào cũng tuỳ theo chức năng của từng bào quan (organell) riêng biệt để có những hệ thống enzyme đặc hiệu. Sự sắp xếp các enzyme một cách hợp lý trong tế bào đã tạo ra sự phối hợp nhịp nhàng trong hệ thống phản ứng dây chuyền liên tục cho hoạt động sống của cơ thể: - Trong nhân tế bào có các enzyme như ATP-ase, nucleosidase, nicotinic-mononucleotide adenylyltransferase, 5’-nucleotidase. - Trong ty lạp thể có chứa hầu hết các enzyme liên quan đến quá trình chuyển hoá năng lượng như hệ enzyme của chuỗi hô hấp tế bào và quá trình phosphoryl hoá tạo ATP, các enzyme của chu trình Krebs,v.v -Trong lysosome có chứa nhiều enzyme thuỷ phân (hydrolase). -Trong ribosome có chứa các enzyme cho quá trình tổng hợp protein. - Trong bào tương chứa nhiều loại enzyme, đặc biệt có tất cả các enzyme của quá trình đường phân. - Trên màng tế bào cũng như màng của nhiều bào quan có những loại enzyme giúp cho sự vận chuyển một số chất qua màng và một số hoạt động khác của màng. 3.2. Isozyme 3.2.1. Đặc tính phân tử Isoyme là các dạng phân tử khác nhau của cùng một enzyme, xúc tác cho một phản ứng sinh hóa. Mặc dù cùng xúc tác cho cùng một loại phản ứng sinh hoá, nhưng do sự tồn tại các dạng phân tử khác nhau nên có một số tính chất lý, hoá và miễn dịch khác nhau. Ví dụ: lactatdehydrogengenase (LDH) là enzyme khử hydrogen thuận nghịch giữa lactate và pyruvate có khối lượng phân tử 130.-140.KDa, cấu trúc gồm 4 tiểu đơn vị (subunit), các tiểu đơn vị này được dịch mã từ 2 gene khác nhau được ký hiệu là H và M (từ chữ tiếng Anh H- Heart và M- Muscle). 14
  2. Hai loại chuỗi polypeptide đã tạo nên 5 dạng phân tử khác nhau là: LDH1: HHHH LDH2: HHHM LDH3: HHMM LDH4: HMMM LDH5: MMMM Trong điện di theo chiều từ âm sang dương thì thì LDH1 chạy nhanh nhất rồi đến LDH2, LDH3, LDH4 và LDH5 chạy chậm nhất. 3.2.2. Vai trò chức năng của các isozyme. Các kết quả nghiên cứu thu được đã chỉ ra rằng, tỷ lệ các dạng isozyme có thể thay đổi tuỳ theo tuổi tác, trạng thái sinh lý và bệnh lý. Sự tồn tại của nhiều dạng phân tử khác nhau của cùng một enzyme là một hiện tượng sinh học rất quan trong cả về mặt lý luận và thực tiễn. Chẳng hạn sự phân bố khác nhau về LDH trong cơ thể của các loài có xương sống, loại chuỗi H chủ yếu tìm thấy ở cơ tim và loại M chủ yếu tìm thấy ở cơ xương. Bởi vì loại chuỗi H thường bị ức chế bởi pyruvat với nồng độ quá thừa. Nhưng acid pyruvic trong mô tim được oxy hoá hiếu khí một cách đều đặn trong ty thể để cung cấp năng lượng cho mô này, và thông thường không có sự ứ đọng của acid pyruvic. Trái lại tuy mô cơ xương có rất nhiều LDH dạng M vì mô này có nhiều hoạt động bất thường gây nên những ứ đọng pyruvat nhất thời, nhưng dạng M lại không bị ức chế bởi acid pyruvic. 3.3. Các enzyme di lập thể (allosteric enzyme) và phức hệ enzyme (multienzyme). Trong cơ thể sống còn gặp những enzyme ngoài trung tâm hoạt động xúc tác còn có một loại trung tâm khác làm nhiệm vụ điều chỉnh hoạt tính của enzyme còn gọi là enzyme di lập thể. Tuy trung tâm điều chỉnh và trung tâm xúc tác có tác dụng hổ trợ nhau, nhưng là hai loại cấu trúc khác biệt nhau. Trong nhiều trường hợp có thể “khoá” trung tâm dị lập thể mà vẫn giữ được hoạt động xúc tác của trung tâm hoạt động. Các enzyme này thường được cấu tạo từ các đơn vị nhỏ kết hợp với nhau bằng các liên kết yếu , nên rất mềm dẻo có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau và có thể biến đổi thuận nghịch từ trạng thái này sang trang thái khác một cách dễ dàng. Một trong những loại enzyme này được nghiên cứu kỹ nhất là aspartate-transcarbamylase (ATC-ase) xúc tác qúa trình tổng hợp carbamylaspartate. Enzyme này gồm hai đơn vị nhỏ xúc tác và 3-4 đơn vị nhỏ điều hoà. 15
  3. Ngoài enzyme di lập thể còn gặp phức hệ đa enzyme (multienzyme). Đó là những phức hợp gồm nhiều enzyme có liên quan đến nhau trong một quá trình chuyển hoá nhất định. Ví dụ phức hợp enzyme trong quá trình tạo acetyl-CoA từ acid puruvic được gọi là phức hệ pyruvatedehydrogenase. Phức hợp này gồm ba loại enzyme là pyruvate dehydrogengenase, dihydrolipoyl transacetylase và dihydrolipoyl - dehydrogenase. 3.4. Những quan điểm y học về protein 3.4.1. Protein là những phần chức năng của cơ thể. Ngoài vai trò là thành phần chính trong cấu trúc của tế bào và mô, protein còn có nhiều chức năng phong phú khác quyết định những đặc điểm cơ bản của sự sống như sự truyền đạt thông tin di truyền, sự chuyển hoá các chất đó là các enzyme, các kháng thể chống lại bệnh tật, các hormon dẫn truyền các tín hiệu trong tế bào v.v đều có bản chất là các protein. 3.4.2. Hình thành chức năng mới trên cơ sở cấu trúc protein. Sự phát triển của sinh học phân tử dựa trên lý thuyết trung tâm “DNA RNA Protein”. Như vậy, sự biến đổi DNA sẽ dẫn đến sự biến đổi cấu trúc của phân tử protein và do đó chức năng sinh học của nó sẽ bị biến đổi kéo theo những thay đổi có liên quan đến toàn bộ cơ thể. Trong quá trình tiến hoá của sinh vật sự hình thành và thích nghi một chức năng mới diễn ra ở một giai đoạn lịch sử lâu dài. Sự xuất hiện một protein mới biến dạng (mất hoạt tính hoặc đột biến cấu trúc) thường luôn đi kèm bệnh tật. 3.4.3. Sự xuất hiện các protein bệnh lý. Y học là ngành khoa học về sự sống, ngày nay với tiến bộ của khoa học, những hiểu biết về bệnh lý ở mức độ phân tử đã vượt ra khỏi giới hạn của giải phẩu tế bào hoặc cơ quan. Sinh học phân tử ra đời đã tạo ra cuộc cách mạng trong các quan niệm về bệnh. Từ đó, sự phát triển của bệnh học phân tử luôn luôn đi kèm với sinh học phân tử. Sự biến đổi cấu trúc của một protein hay sự xuất hiện các enzyme có cấu trúc bất thường đều do yếu tố di truyền gây nên. Dựa theo các biểu hiện di truyền người ta chia các protein bệnh lý ra làm hai loại lớn: a) Những biến đổi về số lượng của protein: Đó là sự thay đổi do sự tăng hoặc giảm protein nào đó, thậm chí xuất hiện những protein mà tế bào bình thường không tổng hợp một cách thường xuyên. Những protein này vẫn có cấu trúc bình thường và như vậy không có những biến đổi của gene cấu trúc. Những lệch lạc này do rối loạn quá trình điều hoà sinh tổng 16
  4. hợp protein. Do protein vẫn có cấu trúc bình thường mà chỉ thay đổi về số lượng nên chúng vẫn có chức năng bình thường và chỉ thay đổi về mức độ hoạt động. Trong trường hợp là protein enzyme thì những lệch lạc về số lượng enzyme sẽ dẫn đến những rối loạn dây chuyền chuyển hoá. b) Những biến đổi về chất lượng protein: Đó là những rối loạn về cấu trúc protein do gene bi biến đổi, dẫn đến cấu trúc protein thay đổi kéo theo sự thay đổi chức năng sinh học của protein đó. Ví dụ, sự biến đổi cấu trúc của hemoglobin (Hb) là protein có chúc năng vận chuyển oxygen trong máu dẫn đến bệnh thiếu máu, hay như bệnh thiếu máu do hồng cầu hình lưỡi liềm 3.4.4. Cấu trúc và chức năng của protein miễn dịch. Tham gia vào hệ thống miễn dịch có nhiều cơ quan, nhiều loại tế bào và đặc biệt nhiều loại protein thực hiện các chức năng riêng biệt tạo nên hiệu quả miễn dịch đặc hiệu và không đặc hiệu. Các protein miễn được nhắc đến nhiều hơn cả là các kháng thể, bổ thể và các cytokine. a) Các kháng thể (antibody). Tất cả các phân tử kháng thể đã được chứng minh là các globulin có chức năng miễn dịch (viết tắt là Ig: Immunoglobulin) và có bản chất là glycoprotein. Các kháng thể được chia thành 5 lớp. Tuỳ theo cấu trúc và chức năng miễn dịch là IgG, IgA, IgM, IgD, IgE. Cấu trúc của phân tử kháng thể được hình thành từ hai loại chuỗi polypeptide là chuỗi nặng (ký hiệu: H=Heavy chain) có khối lượng phân tử từ 53-59 kDa và chuỗi nhẹ (ký hiệu:L=Light chain) có khối lượng phân tử 22-26 kDa. Cả bốn chuỗi được gắn với nhau bằng cầu disunfid (S-S). Trung tâm hoạt động là phần liên kiết với kháng nguyên (hình 1.2) nằm ở vùng tận cùng N của chuỗi nặng và chuỗi nhẹ có cấu trúc chỉ khoảng 8-10 amino acid. Các phân tử Ig có đặc tính hoạt động miễn dịch theo hai chức năng: - Có khả năng liên kết với kháng nguyên ít nhất ở hai vị trí tiếp nhận đối với kháng nguyên nhờ sự biến đổi kỳ diệu của phần tận cùng NH2 trên phân tử kháng thể. - Phần tận cùng COOH của phân tử kháng thể có khả năng thực hiện một số lớn các hoạt động sinh học dưới ảnh hưởng của sự liên kết với thụ thể trên bề mặt của tế bào. Tất cả các kháng thể đều có cùng một cấu trúc phân tử nhưng khác nhau ở mức độ của vùng liên kết với kháng nguyên. Nhìn chung phân tử kháng thể được chia làm hai phần: phần Fab là phần liên kết với kháng nguyên, phần Fc là phần dễ kết tinh phản ứng với các tế bào của hệ thống miễn dịch qua thụ thể của các tế bào. Dùng 17
  5. enzyme papain hay pepsin có thể cắt kháng thể thành hai mảnh Fab và Fc, ’ hoặc F(ab )2 tương ứng. chuỗi nhẹ Vị trí liên kết Papain cắt Pepsin cắt chuỗi nặng Vị trí liên kết H ình 1.2 Cấu trúc chung của phân tử kháng thể (Ig) b) Bổ thể (complement). Là những protein huyết tương phản ứng với nhau nhằm tấn công các dạng tác nhân gây bệnh. Hệ thống bổ thể bao gồm khoảng 40 protein có chức năng đáp ứng miễn dịch, chống vi sinh vật và đáp ứng viêm. Về chức năng, các kháng thể tương tác đặc hiệu với tác nhân truyền nhiễm bệnh, còn hệ thống bổ thể được cố định lên tất cả các kháng thể để thực hiện chức năng miễn dịch. Các thành phần của bổ thể tương tác giữa chúng với nhau và các yếu tố khác của hệ thống miễn dịch. c) Các cytokine. Là toàn bộ các phân tử được tiết ra bởi các tế bào của hệ thống miễn dịch, tham gia vào hoạt động tín hiệu giữa các tế bào trong hoạt động đáp ứng miễn dịch. Tất cả các cytokine đều có bản chất protein hay glycoprotein và được phân loại như sau: - Các interferons (IFN): có các dạng -IFN, -IFN và -IFN, có chức năng ngăn ngừa của một số virus gây bệnh. - Các interleukin (IL): có các dạng từ IL1 đến IL 13, chúng có nhiều chức năng, nhưng chủ yếu là kiểm tra sự biệt hoá và sinh sản tế bào. - Các yếu tố kích thích quần lạc (CSF): có chức năng kiểm tra sự phân chia và sinh sản của các tế bào nguồn và các tế bào máu sơ khai. 18
  6. - Các chất dẫn truyền sinh học (mediator): là những protein của giai đoại đáp ứng miễn dịch cấp tính. 3.4.5. Cấu trúc và chức năng của protein vận chuyển. Trong cơ thể có những protein làm nhiệm vụ vận chuyển như + hemoglobin, mioglobin, hemocianin vận chuyển O2, CO2 và H đi khắp các mô, các cơ quan trong cơ thể. Ngoài ra còn có nhiều protein khác như lipoprotein vận chuyển lipid, ceruloplasmin vận chuyển đồng (Cu) trong máu v.v Một trong những protein làm nhiệm vụ vận chuyển được nhắc đến nhiều nhất đó là hemoglobin. Phân tử được cấu tạo tử bốn tiểu đơn vị (subunit), hai tiểu đơn vị và hai tiểu đơn vị . Hình 1.3 Cấu trúc của phân tử hemoglobin Tiểu đơn vị của Hemoglobin H ình 1.4 So sánh cấu trúc tiểu đơn vị của hemoglobin với leghemoglobin và myoglobin. 19
  7. Mỗi tiểu đơn vị nối với một heme bằng liên kết không phải cộng hoá trị. Khi so sánh với protein cùng chức năng như myoglobin cơ và leghemoglobin thực vật là những protein có cấu trúc chỉ một tiểu đơn vị (monomer) thấy rằng các tiểu đơn vị cấu trúc khá giống nhau (hình: 1.3, 1.4 ) 3.4.6. Cấu trúc chức năng và vai trò của lectin. Lectin là những protein hay glycoprotein không phải nguồn gốc miễn dịch, lectin có khả năng ngưng kết với nhiều loại tế bào, cũng như nhiều loại đường hoặc các hợp chất chứa đường có tính chất chọn lọc. Hầu hết lectin có cấu trúc bậc 4, với khối lượng phân tử giao động trong phạm vi khá rộng từ hàng ngàn cho đến hàng trăm ngàn Dalton. Ví dụ: lectin từ rễ cây Urtica dioica (họ gai Urticaceae) có Mr=8,5 KDa trong khi đó loài sam biển châu Á (Tachypleus tridentatus) có Mr=700.KDa. Về chức năng, người ta thấy rằng mặc dù lectin không phải là kháng thể chống lại tác nhân gây bệnh nhưng chúng có vai trò bảo vệ cơ thể nhờ tương tác với màng tế bào và gây ngưng kết tế bào của chúng. Họ đã khẳng định rằng lectin có khả năng gắn các tế bào vi khuẩn và kháng nguyên lạ với các đại thực bào, do vậy mà vi khuẩn và kháng nguyên lạ bị đào thải ra khỏi cơ thể. Ngoài ra có những lectin còn có khả năng kích thích sự phân chia và biệt hoá tế bào. Đồng thời người ta cũng phát hiện được nhiều lectin có cả hoạt tính của enzyme, ví dụ lectin hoạt tính khá mạnh, được tách ra từ hạt đậu mùng, có khối lượng phân tử khoảng 16.KDa có cả hoạt tính của enzyme -galactosidase. 3.4.7. Những chức năng khác của protein. Trong cơ thể ngoài các protein đảm nhận chức năng xúc tác như enzyme, chức năng vận chuyển như hemoglobin, mioglobin, lipoprotein, và chức năng bảo vệ như các kháng thể miễn dịch, các protein độc tố như enzyme nọc rắn, lectin v.v , protein còn tham gia nhiều chức năng quan trọng khác như: - Các protein làm nhiệm vụ kích thích điều hoà quá trình trao đổi chất như các hormon - Các protein làm nhiệm vụ cấu trúc như vỏ virus, màng tế bào, colagen ở da, fibrolin ở tơ - Các protein làm nhiệm vụ co rút như myosin, actin ở sợi cơ - Các protein làm nhiệm vụ dự trữ như casein của sữa, ovalbumin của trứng, v.v 20
  8. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Nêu những đặc trưng chung và ý nghĩa khoa học thực tiễn của nhóm chất protein. 2. Phân loại và chức năng sinh học của protein? TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Trần Thị Ân, Đái Duy Ban, Nguyễn Hữu Chấn, Đỗ Đình Hồ, Lê Đức Trình. 1980. Hoá sinh học. NXB Y học 2.Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng. 1999. Hoá sinh học. NXB Giáo dục 3.Phạm Thị Trân Châu, Lã Minh Châu, Lâm Chi, Nguyễn Lân Dũng, Đỗ Đình Hồ, Lê Ngọc Tú. 1983. Những hiểu biết mới về enzim. Tập 8. NXB KH & KT Hà nội. 4. Đỗ Đinh Hồ, Đái Duy Ban, 1977. Sinh học phân tử và cuộc cách mạng trong sinh học, NXB KH& KT. Hà nội 5. Đỗ Ngọc Liên. 2004. Miễn dịch học cơ sở. NXB Đại học Quốc gia Hà nội (in lần thứ 2). 6.Fersht A.,1998, Structure and Mechanism in Protein Science, W. H. Freeman, 3rd Rev Edit. 7.Lehringer A.L., 2004. Principle of Biochemistry, 4th Edition. W.H Freeman, 2004 8. Liebler D.C., 2002. Introduction to proteomics. Humana Press Inc. Totuwa, New Jersey. 9. Lodish H., 2003. Molecular Cell Biology. 5th ed.W.H Freeman. 10. Virella G.,1998. Introduction to medical immunology, Marcel Dekker, Inc. New York. Basel. Hong kong. 4th. ed. 21
  9. Chương 1 Trao đổi chất và năng lượng sinh học 1.1. Khái niệm chung về trao đổi chất Mỗi cơ thể sống đều tồn tại trong môi trường và liên hệ mật thiết với môi trường đó. Hiện tượng cơ thể lấy một số chất từ môi trường kiến tạo nên sinh chất của mình và thải ra ngoài những chất cặn bã được gọi là sự trao đổi chất. Sự trao đổi chất ở giới vô sinh khác với giới hữu sinh. Ở giới vô sinh, trao đổi chất làm cho các chất hữu cơ và vô cơ bị phân huỷ. Ví dụ, đá vôi (canxi carbonate) bị xói mòn vì H2CO3 có trong nước tác dụng với đá vôi thành canxi bicarbonate, mỡ bị ôi hoá thành một số chất khác là do tác dụng với oxy. Ở thế giới sinh vật, mỗi cơ thể sống luôn luôn trao đổi chất với môi trường, lấy thức ăn vào chuyển hoá thành các chất sử dụng cho cơ thể và thải ra ngoài các chất cặn bã. Quá trình đó được thực hiện là do các biến đổi hoá học liên tục xảy ra trong cơ thể. Toàn bộ các biến đổi hoá học đó được gọi là sự trao đổi chất. Quá trình trao đổi chất gồm nhiều khâu chuyển hoá trung gian. Mỗi chuyển hoá là một mắt xích của một trong hai quá trình cơ bản: đồng hoá và dị hoá. Đồng hoá và dị hoá là hai quá trình đối lập, nhưng lại thống nhất với nhau trong một cơ thể: chúng xảy ra đồng thời và liên quan mật thiết với nhau. Các chất được tổng hợp nên trong quá trình đồng hoá là nguyên liệu cho quá trình dị hoá (ví dụ gluxit là sản phẩm của quá trình quang hợp, là nguyên liệu cho quá trình hô hấp). Năng lượng giải phóng ra trong quá trình dị hoá được sử dụng một phần cho quá trình tổng hợp. 1.2. Năng lượng sinh học Hệ thống sống cần năng lượng để chuyển động, lớn lên, tổng hợp các phân tử sinh học và vận chuyển ion, phân tử qua màng. Các cơ thể lấy năng lượng từ môi trường sống và sử dụng năng lượng đó để thực hiện các quá trình sống có hiệu quả. Để nghiên cứu năng lượng sinh học đòi hỏi phải có hiểu biết về nhiệt động học, một số định luật, nguyên lý mô tả nguồn, trao đổi nhiệt, năng lượng và vật chất trong hệ thống nghiên cứu. 1
  10. Nhiệt động học cho chúng ta xác định quá trình hoá học và phản ứng có thể tự xảy ra hay không. Mặc dù nhiệt động học là khái niệm phức tạp, nhưng nó dựa trên ba định luật tương đối đơn giản và dễ hiểu. Một vài nguyên lý của nhiệt động học cơ bản được đưa ra trong chương này bao gồm phân tích nguồn nhiệt, sản sinh entropy, hàm năng lượng tự do và mối liên quan giữa entropy và thông tin. Chương này cũng đề cập đến ATP và những hợp chất cao năng khác. Khái niệm về nhiệt động học cơ bản Bất kỳ sự quan tâm nào của nhiệt động học cũng phải phân biệt giữa hệ thống và môi trường. Hệ thống là một phần của vũ trụ mà chúng ta quan tâm, trong khi đó môi trường là gồm tất cả những gì còn lại. Có ba trạng thái cơ bản: hệ thống cô lập, hệ thống đóng và hệ thống mở. Hệ thống cô lập: Không có sự trao đổi chất và năng lượng với môi trường. Hệ thống đóng: Có trao đổi năng lượng, nhưng không có trao đổi chất với môi trường. Hệ thống mở: Có trao đổi chất và năng lượng với môi trường. Cơ thể sống là hệ thống mở điển hình có trao đổi chất (dinh dưỡng và sản phẩm thải ra) và năng lượng (nhiệt từ trao đổi chất) với môi trường. Định luật 1: Nhiệt, công và các dạng năng lượng khác Trước đây trong sự phát triển của nhiệt động học người ta cho rằng nhiệt độ có thể biến đổi thành những dạng năng lượng khác và tất cả các dạng năng lượng một cách cơ bản có thể biến đổi thành một số dạng khác. Định luật 1 nói rằng: tổng năng lượng của một hệ thống cô lập là không thay đổi. Các nhà nhiệt động học đã mô phỏng thành một hàm toán học để nghiên cứu sự biến đổi nhiệt và sử dụng công trong những hệ thống nhiệt động học. Hàm này được gọi là năng lượng nội năng, thường ký hiệu là E hoặc U. Năng lượng này chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của một hệ thống và vì vậy được coi là hàm trạng thái. Năng lượng nội năng không phụ thuộc vào hệ thống xảy ra như thế nào và vì vậy không phụ thuộc vào đường hướng. Nói một cách khác là chúng ta có thể thay đổi hệ thống bằng bất cứ con đường nào và cho đến khi nào hệ thống trở về trạng thái ban đầu, năng lượng nội năng sẽ không thay đổi. Năng lượng nội năng, E của hệ thống có thể thay đổi nếu nguồn năng lượng vào hoặc ra khỏi hệ thống ở dạng nhiệt hoặc công cho quá 2
  11. trình nào biến đổi một trạng thái này (1) sang một trạng thái khác (2) thay đổi năng lượng nội năng là: E = E2 - E1 = q + w (1.1) q là lượng nhiệt được hệ thống hấp thụ từ môi trường w là công thực hiện trên hệ thống do môi trường Công cơ học được định nghĩa là sự chuyển động từ chỗ này đến chỗ khác, gây ra do sử dụng lực. Cả hai phải xảy ra công mới được thực hiện. Ví dụ: Một tàu chở khách đã chứa đầy khách nhưng không di chuyển, theo định nghĩa nhiệt động học công không được thực hiện. Trong hệ thống hoá sinh học và hoá học công thường liên quan với áp suất và thể tích của hệ thống. Công cơ học được xác định w = -P V Trong đó P là áp suất, V là sự thay đổi thể tích, V = V2-V1 Công có thể được thực hiện ở nhiều dạng: cơ học, điện, từ và hoá học. E, q, w phải có cùng đơn vị: calorie (cal) và kilocalorie (kcal) được sử dụng theo truyền thống, nhưng theo đơn vị SI: Joule được đề nghị nên dùng. Enthalpy: Hàm có nhiều tiện lợi cho hệ thống sinh học Nếu định nghĩa công được giới hạn bởi công cơ học, trong trường hợp này E chỉ là thay đổi nhiệt ở thể tích không đổi. Vì vậy nếu V không đổi, công không được thực hiện. E = q. Vì vậy E là một định lượng rất tiện lợi trong quá trình thể tích không thay đổi. E không cần thiết bằng biến đổi nhiệt. Vì lý do này các nhà hoá sinh học, hoá học đã xác định một hàm đặc biệt phù hợp cho quá trình áp suất không đổi. Nó được gọi là enthalpy, H được định nghĩa: H = E + PV (1.2) Nếu áp suất không thay đổi chúng ta có: H = E + P V = q + w + P V = q - P V + P V = q (1.3) Rõ ràng H tương đương với biến đổi nhiệt trong quá trình áp suất không đổi. Vì các phản ứng hoá sinh thường xảy ra trong thể lỏng hoặc rắn hơn là thể khí nên thay đổi thể tích là nhỏ và enthalpy và năng lượng nội năng thường là như nhau. Để thuận lợi khi so sánh các chỉ số nhiệt động học của các phản ứng khác nhau thì người ta xác định ở điều kiện tiêu chuẩn. Một dung dịch hoà tan ở trạng thái tiêu chuẩn, thường sử dụng đơn vị đơn giản là nồng độ 1M. Enthalpy, năng lượng nội năng và những định lượng nhiệt động học khác thường đưa ra hoặc xác định cho những điều kiện tiêu chuẩn và được ký hiệu là H0, E0 Enthalpy thay đổi ở các quá trình hoá sinh có thể được xác định bằng việc đo nhiệt độ hấp thụ (hoặc toả ra) bằng một calorimeter. 3