16 Лекция 13. Дифференциальная сканирующая микрокалориметрия Лекция 13. Дифференциальная сканирующая микрокалориметрия Теплоемкость белков

Допустим, что мы нагреваем лед, который представляет собой кристалл, построенный из молекул воды. В кристалле существует строгий порядок, при котором молекулы воды связаны друг с другом большим числом межмолекулярных связей. При переходе в воды в жидкое состояние часть связей рвется, и молекулы воды приобретают возможность свободно двигаться. Такая подвижность увеличивается с ростом температуры. При дальнейшем нагревании молекулы теряют все свои связи, но приобретают свободу и их энтропия увеличивается. Когда кристаллы льда плавятся, то они поглощают тепло. Это значит, что при достижении точки плавления температура не будет повышаться, пока весь кристалл льда не расплавится. Такие переходы в физике называются переходами первого рода. Они кооперативны на 100% и их характеризует скачкообразное изменение фазового состояния вещества при переходе из одного состояния (кристалл) в другое (жидкость).

Принципиально другую ситуацию мы имеем в случае плавления белков. На сегодняшний день можно считать твердо установленным, что денатурация небольших (правильно сказать однодоменных белков) является кооперативным переходом, происходящим по принципу «все-или-ничего» (рис. 15.1 а). Переход «все-или-ничего» означает, что на функции распределения молекул по энергиям w(E) только начальное (нативное) и конечное (денатурированное) состояние присутствуют в заметных количествах. Этим денатурация белков принципиально отличается и от плавления льда и от переходов «глобула-клубок», когда глобула расширяется постепенно (рис.15.1 б).

а) б)

Рис.15.1. При одном и том же виде зависимости энергии Е или другого наблюдаемого параметра от температуры, кооперативный ("S-образный") переход может быть переходом типа "все-или-ничего" (пример: денатурация однодоменного белка), или постепенным, (пример: переход спираль-клубок в полипептидах). Различия проявляются не в виде кривой Е(Т), а в функции распределения w(E) молекул по энергии (или по другому наблюдаемому параметру). Пунктирные линии на рисунке а) поясняют графическое определение температурной ширины перехода T (с любезного согласия А.В. Финкельштейна)

Полное количественное термодинамическое описание макромолекулы в растворе в данном температурном диапазоне можно получить из измерения зависимости ее парциальной удельной теплоемкости при постоянном давлении C_P от температуры методом дифференциальной сканирующей калориметрии:

(13.23)

(13.24)

где ∆C_P – изменение теплоемкости вследствие определенного макромолекулярного процесса (например, разворачивания белка), а ΔH и ΔS – соответствующие изменения энтальпии и энтропии.