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

Nội dung tài liệu: Luận văn Một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 ====== ĐẶNG THỊ THANH HẰNG MỘT LÝ THUYẾT NHIỆT ĐỘNG ĐỐI VỚI CÁC ĐẠI PHÂN TỬ SINH HỌC Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và Vật lí toán 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
2. Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Tiến sĩ Nguyễn Trí Lân - Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Thầy đã hướng dẫn tận tình, đầy hiệu quả, thường xuyên chỉ bảo, giúp đỡ, động viên, tạo môi trường làm việc tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường ĐHSP Hà Nội II, các thầy cô trong khoa vật lý đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn này. Xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Vật lý đã giúp đỡ, đóng góp, cung cấp cho tôi những kiến thức bổ ích về vấn đề nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình và bạn bè đã cổ vũ động viên, tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn. Hà Nội, tháng 06 năm 201 7 Tác giả ĐẶNG THỊ THANH HẰNG
3. Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Trí Lân. Luận văn không hề trùng lặp với những đề tài khác. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn sinh viên để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 06 năm 201 7 Tác giả ĐẶNG THỊ THANH HẰNG
4. Mục lục Mở đầu 1 Lí do chọn đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Mục đích nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Nhiệm vụ nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Đối tượng nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 Nhiệt động học sinh học 6 1.1 Sự chuyển hóa năng lượng trong các hệ sinh học . . . . . . . . . . 7 1.2 Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học . . . . . . . . . . . . 13 1.2.1 Nội dung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2 Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2.3 Áp dụng định luật I cho hệ sinh học. . . . . . . . . . . . . 19 1.3 Định luật thứ hai của nhiệt động học. . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.1 Nội dung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.2 Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.3 Áp dụng định luật II cho hệ sinh học . . . . . . . . . . . . 25 1.4 Năng lượng tự do Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2 Các đại phân tử sinh học 30 2.1 Một vài nét về đại phân tử sinh học . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1.1 Sự hình thành của đại phân tử sinh học đầu tiên . . . . . . . 30 2.1.2 Khái niệm đại phân tử sinh học . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 Cấu trúc và chức năng của một số đại phân tử sinh học . . . . . . . 34 2.2.1 Cấu trúc của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.1.1 Cấu trúc sơ cấp hay cấu trúc bậc I ........ 35 2.2.1.2 Cấu trúc bậc II ................... 36
5. 2.2.1.3 Cấu trúc bậc III .................. 38 2.2.1.4 Cấu trúc bậc IV .................. 39 2.2.2 Chức năng của protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3 Sự biến tính và cuộn xoắn của protein . . . . . . . . . . . . . . 41 3 Chuyển pha áp suất — nhiệt độ 44 3.1 Nước dạng lỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2 Sự chuyển pha của các đại phân tử sinh học . . . . . . . . . . . . 46 3.3 Các lý thuyết chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với các đại phân tử sinh học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.1 Giản đồ pha dạng Elliptic của Protein . . . . . . . . . . . . 49 3.3.2 Giới hạn của lý thuyết nhiệt động lực học . . . . . . . . . . 56 3.4 Một vài ứng dụng của giản đồ pha áp suất - nhiệt độ . . . . . . . . 57 3.4.1 Myoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4.2 Ribonuclease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Kết luận 60 Tài liệu tham khảo 61
6. 1 Mở đầu Lí do chọn đề tài Sự phát triển của nhiệt động lực học là một vấn đề hấp dẫn trong lịch sử khoa học. Sự áp dụng kiến thức vật lý vào nghiên cứu sinh học đã được thực hiện vào cuối thế kỷ XVIII. Năm 1780 hai nhà khoa học Pháp là Lavoadie và Laplace đã tiến hành thí nghiệm để nghiên cứu tính khả dụng của định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sống. Năm 1929, Berger ghi được điện não đồ của động vật. Lịch sử hình thành Lý sinh đã được Taruxop, giáo sư trường Đại học tổng hợp Lomonoxop khẳng định: "Lý sinh được xem như là một khoa học bắt đầu được hình thành từ thế kỷ XIX". Thế kỷ XX là thế kỷ phát triển mạnh mẽ những nghiên cứu khoa học về Lý sinh trong các lĩnh vực: Nhiệt động học, động học của các quá trình sinh vật, vận chuyển chất qua màng tế bào, quang sinh học và phóng xạ sinh học v.v... Theo Albert Einstein - một nhà vật lý người Mỹ gốc Đức, sống 1879-1955. Ông đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1921 và được mô tả như là "Người đàn ông của thế kỷ" do tạp chí Time bầu chọn vào cuối năm 1999. Ông đã nói rằng: "nhiệt động lực học cổ điển... là lý thuyết vật lý duy nhất tổng quát, trong khả năng ứng dụng và trong các cơ sở lý thuyết của nó, mà tôi tin rằng sẽ không bao giờ bị lật đổ. C. P. Snow, một nhà vật lý người Anh, Nội dung của định luật thứ hai nhiệt động lực học thể hiện sự thiếu hiểu biết của Shakespeare, nhằm nhấn mạnh tầm quan trọng của nhiệt động lực học về nhận thức các tính chất (đặc trưng) cơ bản của thế giới vật chất. Saibal Mitra, giáo sư vật lí tại Đại học Missouri, cho rằng: Có một số cách khác phát biểu định luật thứ hai, ông nói. Ở cấp độ rất vi mô, nó đơn giản phát biểu rằng nếu bạn có một hệ cô lập, thì mọi quá trình tự nhiên trong hệ đó diễn tiến theo hướng làm tăng mức hỗn loạn, hay entropy, của hệ. Mitra giải thích rằng mọi quá trình đều mang lại sự tăng entropy. Cho dù khi trật tự tăng lên ở một nơi nhất định, chẳng hạn bởi sự tự lắp ráp của các phân tử tạo ra một sinh vật
7. 2 sống, thì khi ta xét toàn bộ hệ bao gồm cả môi trường, luôn luôn có một sự tăng entropy toàn phần. Trong một ví dụ khác, các tinh thể có thể hình thành từ dung dịch muối khi nước bay hơi. Các tinh thể thì trật tự hơn các phân tử muối trong dung dịch; tuy nhiên, nước bay hơi thì hỗn loạn hơn nhiều so với nước lỏng. Quá trình xét tổng thể mang lại sự tăng mức hỗn loạn. Và M. V. Volkenstein, thành viên của Viện Sinh học phân tử và Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, đã viết, Khi khảo sát bất kì một hệ vật lý nào, bao gồm cả một hệ sống, bắt đầu là việc mô tả nhiệt động học hiện tượng luận của nó. Sự quan tâm trong ngành khoa học Lý sinh chưa bao giờ dừng lại và nó ngày càng lớn dần khi khoa học kĩ thuật - đất nước ngày một phát triển. Cụ thể, bước sang thế kỷ XXI, hàng loạt vấn đề đang được đặt ra cho các nhà khoa học cần phải nghiên cứu. Đó là năng lượng sinh học, sự chuyển hoá năng lượng và sử dụng năng lượng của hệ sống? Bản chất và cơ chế hình thành điện thế sinh vật? Hiện tượng phân cực ở trong hệ thống sống xảy ra như thế nào và có gì khác so với ở hệ vật lý? Các chỉ số đặc trưng về vật lý và hoá lý đối với tế bào, mô, cơ quan, cơ thể có mối liên quan như thế nào trong hệ thống tiến hoá? Vấn đề tự điều chỉnh các quá trình sinh học của cơ thể sống trước những thay đổi của yếu tố môi trường cũng đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Sinh học phóng xạ hiện đang thu hút nhiều nhà khoa học đi sâu nghiên cứu nhằm phục vụ cho công tác chọn giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm, công cuộc chinh phục vũ trụ, sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hoà bình và không loại trừ khả năng có cuộc chạy đua vũ trang trong việc nắm giữ "đòn hạt nhân đầu tiên" với tham vọng bá quyền thế giới? Ngày nay, sinh học, hóa sinh, lý sinh và công nghệ sinh học đang thu hút sự chú ý của những người trẻ tuổi, dựa trên phương pháp mà các nhà vật lý và hóa học đã làm cách đây ba mươi, bốn mươi và năm mươi năm trước. Hiện đã có một sự thay đổi lớn trong nhận thức của dư luận và trong phân bổ nguồn tài nguyên cho các nghiên cứu của các trường đại học. Cụ thể, những đột phá trong di truyền học, sinh học tế bào, và y học đang thay đổi cách chúng ta sống, từ việc cải thiện chất lượng của sản phẩm để xoá bệnh; mọi người cũng được khuyến khích tìm hiểu về nguồn gốc và ý nghĩa của cuộc sống. Phát triển nhận thức về hình học của cuộc sống, về quy mô chiều dài mở rộng từ một sinh vật riêng lẻ cho đến một yếu tố cấu trúc của một đại phân tử cá nhân, đã dẫn đến một sự đánh giá lại các nguyên tắc của thiết kế trong tất cả các ngành kỹ thuật, bao gồm cả tính toán. [2] Và một vài thập kỷ sau khi đầu tiên xác định được ở độ phân giải nguyên tử các cấu trúc của DNA sợi kép và protein, nó ngày càng trở nên rõ ràng rằng cả hai thông tin nhiệt động và cấu trúc là cần thiết để đạt được một nhận thức sâu sắc về tính chất chức năng của các đại phân tử sinh học. Protein là một loại máy
8. 3 móc của thiên nhiên có kích thước nano, đang cung cấp nguồn cảm hứng cho sự sáng tạo cho các nhà khoa học lý - sinh - hóa và các kiểm soát của vật chất ở cấp độ nguyên tử. Nhiệt động lực học của protein co - duỗi được sử dụng để minh họa một số điểm chính. Tại sao phải nhấn mạnh protein? Khoảng 50% khối lượng khô của cơ thể con người là protein, không có tế bào nào có thể hoạt động mà không cần protein. Vì protein đảm nhiệm nhiều chức năng liên quan đến toàn bộ hoạt động sống của tế bào, quy định các tình trạng và các tính chất của cơ thể sống. Như ta đã biết, sự sống đầu tiên được phát sinh từ nước. Chất lỏng nước vừa là thành phần cấu tạo vừa là dung môi hòa tan nhiều chất cần thiết cho các hoạt động sống của tế bào, đồng thời nước còn là môi trường của các phản ứng sinh hóa. [28] Do vậy, chất lỏng nước định hướng hay quyết định các tính chất của tất cả các cấu trúc sinh học. Nhà triết học Hy Lạp Thales Miletus (khoảng 550 TCN) được trích dẫn bởi Aristotle (Lý thuyết Siêu hình, 983b) quan niệm toàn bộ thế giới của chúng ta được khởi nguồn từ nước. Nước là bản chất chung của tất cả mọi vật, mọi hiện tượng trong thế giới. Mọi cái trên thế gian đều khởi nguồn từ nước và khi bị phân hủy lại biến thành nước. Thales có nói rằng: Mọi vật đều sinh ra từ nước; thứ nhất bản nguyên của mọi động vật là tinh dịch, mà tinh dịch thì ẩm ướt; thứ hai, mọi thực vật đều sống bằng nước và đâm hoa kết trái nhờ nước, sẽ khô héo nếu thiếu nước; thứ ba, bản thân ánh sáng của mặt trời và các thiên thể cùng tiêu thụ hơi nước, giống như bản thân vũ trụ.’’ Chính trong môi trường nước, các tiểu phân tử và ion lắp ráp thành các đại phân tử, đại phân tử tích hợp thành bào quan và hình thể của tế bào, tức toàn bộ khối lượng còn lại của cơ thể sinh vật. Các phân tử đó gồm amino acid, lipid, glucid, protein... Hơn nữa, trong các thí nghiệm sinh hóa - sinh lý, ngoài nhiệt độ thì áp suất cũng thông số rất quan trọng và chúng là các biến nhiệt động. Trong những thập kỷ qua, số thực nghiệm cho áp suất cao được thực hiện trên hệ thống sinh học đã tăng lên đáng kể. Có nhiều lý do để cần đo áp suất hiệu dụng (biểu kiến) trong các hệ thống nhiệt động lực học. Có lẽ lý do quan trọng nhất là nhờ đó có thể tách rời ảnh hưởng của sự thay đổi thể tích và nhiệt năng đối với áp suất, khi chúng xuất hiện cùng lúc trong các thí nghiệm về nhiệt độ. Trong quá trình sinh học phân tử, áp suất rất nhạy cảm với sự thay đổi thể tích của hệ. Do đó, khi thay đổi thể tích liên quan đến các quá trình hóa học (sinh học), có thể sử dụng áp suất như là một biến thực nghiệm. Những lập luận trên cho thấy rõ rằng, một vài hiện tượng đóng vai trò quan trọng được nghiên cứu không chỉ ở các thí nghiệm về nhiệt độ mà còn trong các thí nghiệm áp suất, hoặc cả hai. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ thảo luận về các quá trình khác nhau của nhiệt động lực học (sự biến tính, quá trình chuyển pha,..,) trên mặt phẳng đồ thị áp suất - nhiệt độ (p − T ) của nước ở dạng lỏng.
9. 4 Vì những lý do trên, đề tài Một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học được chọn làm luận văn thạc sĩ khoa học của học viên Đặng Thị Thanh Hằng. Mục đích nghiên cứu • Tìm hiểu một cách tổng quát về một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học; • Tìm hiểu các lý thuyết và ứng dụng của sự chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với các đại phân tử sinh học. Nhiệm vụ nghiên cứu • Xây dựng bức tranh vật lý về một lý thuyết nhiệt động đối với các đại phân tử sinh học; • Thực hiện một số tính toán giải tích cho sự chuyển pha áp suất — nhiệt độ đối với các đại phân tử sinh học, đối với các dao động mật độ của nước ở 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 đối với các đại phân tử sinh học. Phương pháp nghiên cứu • Ứng dụng các công cụ vật lý lý thuyết hiện đại như lý thuyết hệ nhiều hạt, lý thuyết các hệ phức hợp, nhiệt động lực học sinh học và vật lý thống kê, ... • Sử dụng các phần mềm tính số và xây dựng đồ thị thể hiện các kết quả giải tích thu được trong và sau quá trình tính toán giải tích đồi với các đối tượng thuộc phạm vi nghiên cứu.
10. 5 • Thảo luận, trao đổi với những nhà nghiên cứu có cùng đối tượng nghiên cứu nhằm làm rõ và nâng cao nhận thức và kỹ năng trong lĩnh vực nghiên cứu.