biofizika

Поскольку δQ =CdT , то связь между C и C

Количество теплоты, передаваемое в изохорном и изобарном процессах равны, соответственно,

Поэтому молярная теплоемкость при постоянных объёме и давлении имеет вид, соответственно,

Если явно указано постоянство объёма или давления, то частную производную можно заменить полной

Эти уравнения определяют температурную зависимость внутренней энергии или энтальпии через температурную зависимость соответствующей теплоемкости.

При V = const

dQV = dU =CV dT ,

T2

QV = ∫CV dT .

T1

40

При p = const

dQp = d H =Cp dT ,

T2

Qp = ∫Cp dT .

T1

Для твердых и жидких тел разность Cp −CV мала, так как объём

практически не меняется в зависимости от температуры. Для газов разность Cp −CV достаточно велика и её нужно учитывать.

Чтобы найти связь между CV и Cp для идеального газа, продиффе-

ренцируем H =U + pV по температуре и учтём pV = RT (для одного моля идеального газа)

ddHT = ddUT + d(dpVT ) = ddUT + d(dRTT ) = ddUT + R ,

следовательно, для одного моля

Cp =CV + R ,

Cp −CV = R =8,314 Дж/(моль К).

Зависимость теплоемкости от температуры определяют экспериментально и представляют аналитически в виде интерполяционных полиномов (которые пригодны только для тех интервалов температур, которые указаны в справочниках).

Например, для простых и неорганических соединений принято использовать следующий полином второй степени

C0p = a +bT + Tc′2 ,

а для органических соединений – полином третьей степени

C0p = a +bT + cT 2 + dT 3 ,

где a,b,c,c′,d – коэффициенты, приводимые в справочниках.

41

В общем виде интерполяционный полином имеет вид

C0p = a +bT + cT 2 + dT 3 + Tc′2 .

Необходимо отметить, что в последнее время кубический член dT 3 в интерполяционном полиноме практически не используют.

2.3.2. УРАВНЕНИЕ КИРХГОФА И ЕГО ИНТЕГРИРОВАНИЕ

С использованием теплоемкостей при постоянном давлении и объёме соответствующие производные от теплоты реакции H или U по температуре будут иметь вид (уравнения Кирхгофа в дифференциальной форме)

где Cp и CV – изменение молярной теплоемкости в результате проте-

кания реакции при p = const или V = const , соответственно.

Уравнения Кирхгофа определяют зависимость теплового эффекта реакции от температуры через температурную зависимость соответствующей теплоемкости.

Из уравнений Кирхгофа следует, что если изменение теплоемкости во время процесса положительно, то и тепловой эффект с ростом температуры будет более положительным

Если Cp = 0 – теплоемкость постоянна и не изменяется во время реакции, то тепловой эффект также не зависит от температуры

Таким образом, возможны пять различных вариантов (рисунок 5)

1)тепловой эффект не зависит от температуры,

2)тепловой эффект растёт с ростом температуры,

3)тепловой эффект убывает с ростом температуры,

4)тепловой эффект проходит через минимум,

5)тепловой эффект проходит через максимум.

Рисунок 5 – Зависимости тепловых эффектов и изменения теплоемкостей от температуры

ние Кирхгофа нужно проинтегрировать (интегральная форма уравнения Кирхгофа)

43

T2

H20 = H10 + ∫ C0p dT .

T1

Если C0p = 0, то

H20 = H10 .

Изменение теплоемкости C0p для реакции

∑νi Ai = ∑ν′j A′j

i j

рассчитывается как разность теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ

Постоянную интегрирования B обычно определяют по значению теплового эффекта при стандартных условиях (298 К, 1 атм)

T

HT0 = H 0f ,298 + ∫ C0p dT , 298

откуда получаем

Для приближенного расчёта, если полагать в данном температурном интервале теплоемкости всех реагентов не зависящими от температуры и равными, например, C0p,298 , то уравнение Кирхгофа

Если в рассматриваемом температурном интервале происходит фазовый переход хотя бы одного из реагентов, то необходимо учитывать теплоту фазового перехода и изменение характера температурной зависимости теплоемкости

2.4. КАЛОРИМЕТРИЯ. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Калориметрия представляет собой способ измерения теплового эффекта самых разнообразных химических, биохимических и физических процессов. Очень часто измеряемой величиной оказывается (особенно в области биохимии) теплота сгорания органических соединений или теплота некоторых других реакций, например, метаболических процессов или реакций соединения. Калориметрия становится все более употребительной в фундаментальных и прикладных исследованиях, связанных с биологическими науками. Это обусловлено тем, что данный метод, наряду с аналитическими методами, даёт также и термодинамические данные для химических процессов в биологических системах.

Чрезвычайное разнообразие процессов, сопровождающихся тепловым эффектом и различающихся количеством измеряемой теплоты, скоростью протекания и температурой, при которой следует проводить измерение, привело к появлению различных типов калориметров.

Классификация калориметров. Калориметр – это прибор, приме-

няемый для калориметрических измерений. Термин "калориметр" был предложен А.Л. Лавуазье в 1780 г. Калориметр состоит из оболочки с температурой Т0 и калориметрической системы с температурой Тс.

Принцип калориметрических измерений состоит в том, что, проводя в калориметре исследуемый процесс, наблюдают изменение состояния калориметрической системы, и по величине этого изменения судят о количестве теплоты, выделенной (или поглощенной) при этом процессе. Конструкция калориметра определяется температурным интервалом, требуемой точностью и видом измеряемого теплового эффекта. Современные калориметры работают в диапазоне температур от 0,1 К до 3500 К. Различают (границы весьма условные) низкотемпературные (Т < 90 К), калориметры среднего диапазона (90 К < Т < 500 К) и высокотемператур-

ные (Т > 500 К).

В основу современной классификации калориметров положены три

признака:

46

1)метод измерения,

2)режим измерения,

3)принцип конструкции прибора.

Среди методов измерения для классификации выделяют следую-

щие:

а) компенсация фазовым переходом, б) компенсация термоэлектрическим эффектом, в) измерение разности температур,

г) измерение локальной разности температур.

Среди режимов измерений с этой же целью выделяют:

1)изотермический (Т0 и Тс постоянны),

2)изопериболический (Т0 = const, а Тс = f(P)),

3)адиабатический (Т0 = Тс),

4)сканирующий (Тс = f(Z))

Здесь Т0 – температура оболочки, Тс – температура системы.

По принципу конструкции выделяют калориметры с одной калориметрической системой или с двумя.

Однако даже такая многопараметрическая классификация не исчерпывает всего многообразия конструкций калориметров. В ней не нашел отражения, например, такой признак, как способ осуществления взаимодействия компонентов: дискретная их подача или непрерывная. Примером последней являются проточные калориметры.

Именно наблюдаемое изменение системы послужило для деления калориметров на изотермические и неизотермические. Если в неизотер-

мических калориметрах измеряемой величиной является изменение температуры, то в изотермических – количество калориметрического вещества, претерпевшего фазовый переход, или мощность электрического тока, затраченная на компенсацию теплового эффекта.

В последнее время, особенно при изучении биофизико-химических процессов, стала приобретать все большее значение микрокалориметрия,

47

создание которой базируется на идеях, заложенных М. Тианом и Е. Кальве. Границу между макро- и микрокалориметрией трудно провести точно, тем не менее микрокалориметрами называют приборы для измерения теплот менее 4 Дж.

Дифференциально-сканирующие калориметры самых различных конструкций – наиболее быстро развивающееся направление в калориметрическом приборостроении. За делением калориметров на изотермические и неизотермические скрывается их принципиальное отличие в способе передачи размера единицы измерения – джоуля.

Все неизотермические калориметры требуют проведения такой метрологической процедуры, как градуировка.

Изотермические калориметры, напротив, такой градуировки не требуют. Таким образом, с помощью изотермических калориметров производят абсолютные измерения тепловых эффектов, а с помощью неизотермических – относительные измерения.

Образцом классического калориметра, до сих пор находящегося в употреблении для определения теплот сгорания, служит водяной калориметр – бомба для сжигания (рисунок 6). На его примере мы разъясним основные принципы калориметрических измерений.

Собственно калориметр представляет собой металлический цилиндр объёмом 2–3 л, наполненный известным количеством воды. В цилиндр помещена массивная металлическая калориметрическая бомба,

вкоторой происходит сгорание вещества. Воду в цилиндре интенсивно перемешивают и измеряют её температуру. Цилиндр снабжен крышкой с отверстиями для мешалки, термометра и привода мешалки. Весь агрегат помещен в рубашку, от которой он теплоизолирован подставкой из нетеплопроводящего материала. Рубашка имеет двойные стенки, и через нее пропускают воду из ультратермостата.

Теплота, выделяющаяся при сгорании, расходуется, главным образом, на нагревание воды в цилиндре, калориметрической бомбы, сосуда с крышкой и всех частей, погруженных в воду (например, мешалки, термометра и т. д.). Часть теплоты переходит от калориметрического цилиндра

врубашку.

48

Рисунок 6 – Адиабатический бомбовый калориметр: 1 – подача кислорода; 2 – проволочные проводники; 3 – термометр; 4 – образец

Количество теплоты, необходимое для нагревания всего калориметра на 1 К, называется константой калориметра. Для её определения измеряют повышение температуры при действии теплоты, которая выделяется при пропускании электрического тока через нагреватель. Теплота Q , полученная калориметром за время t, составит

Q = IEt ,

где I – сила тока, проходящего через нагреватель под напряжением E . По окончании реакции измеренную в калориметре теплоту рассчи-

тывают, умножая константу калориметра С на наблюдаемое повышение температуры T

Q =C T .

49

Собственно реакция сжигания протекает в калориметрической бомбе, погруженной в калориметр. Бомба представляет собой толстостенный сосуд емкостью 300–500 мл, изготовленный из нержавеющей стали, в котором в атмосфере кислорода сжигают исследуемое вещество. Последнее поджигают при помощи электрических проводков. Бомба снабжена герметически закрывающейся крышкой, на которой находится вентиль для впуска кислорода и выпуска газообразных продуктов сгорания и электроды. Электрод, изолированный от корпуса бомбы, имеет форму стерженька с отверстием на нижнем конце. На втором электроде, соединенном с бомбой, укрепляют платиновую, керамическую или стальную чашечку.

Перед измерением из исследуемого твердого вещества изготовляют на ручном прессе таблетку. Одновременно в таблетку впрессовывают электрический проводник. Концы проводков прикрепляют к электродам, крышку закрывают и завинчивают. После установки и присоединения подводящей трубки бомбу заполняют кислородом под давлением 3 МПа. После присоединения электродов к источнику и установления теплового равновесия исследуемое вещество поджигают и по зависимости температуры от времени определяют соответствующее повышение температуры T .

Константу калориметра можно определить, сжигая в калориметрической бомбе вещество, теплота сгорания которого известна с большой точностью. Как и для прочих веществ, теплоту сгорания некоторых видов питательных веществ можно также определить с помощью калориметра и калориметрической бомбы. В водном калориметре кроме теплоты сгорания можно определять и другие значительные тепловые эффекты, сопровождающие, например, растворение сильных кислот и оснований в воде, теплоту их нейтрализации и т. п.

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Диф-

ференциальной сканирующей калориметрией называют метод, основанный на измерении теплового потока W (или Q ) между исследуемым образцом и эталоном в строго контролируемых температурных условиях. Под этими условиями обычно подразумевается повышение температуры по заданной программе (реже – понижение температуры). Таким образом,

50

уже по принципу измерения дифференциальные сканирующие калориметры (ДСК) отличаются от традиционных калориметров с изотермической или адиабатической оболочкой, в которых измеряемой величиной является изменение температуры T . ДСК используется для определений: теплоемкости, температур плавления, энтальпий переходов, фазовых преобразовании, фазовых диаграмм, температуры кристаллизации, отвердевания.

Дифференциальные сканирующие микрокалориметры ДСМ-2М,

ДСМ-10М. Дифференциальный сканирующий микрокалориметр ДСМ-2М используется для измерения термодинамических характеристик (энтальпии, теплоемкости) образцов в диапазоне температур от 123 К до 773 К при проведении исследований в области биологии, химии, физики и т. д.

Основой прибора является калориметрический блок с расположенными в нем камерой для образца (рабочей камерой) и камерой сравнения, нагревателями и платиновыми термометрами, контролирующими тепловые режимы камер (рисунок 7).

Температура блока и камер с помощью нагревателей и автоматической системы терморегулирования может поддерживаться постоянной (изотермический режим) или изменяться с постоянной скоростью от 0,5 до 64 К/мин. Температура камер отсчитывается по индикатору температуры.

Перед установкой образца в ячейку его необходимо упаковать в специальный алюминиевый контейнер. Вещества могут быть как в порошковом, так и в кристаллическом виде. Принцип работы микрокалориметра основан на непосредственном измерении и регистрации поглощаемого или выделяемого теплового потока исследуемым образцом в процессе его нагрева или охлаждения, а также в изотермическом режиме.

Платиновые термометры сопротивления включены в плечи измерительного моста и подключены к дифференциальному усилителю. Поддерживаются одинаковыми температуры ячеек. При наличии тепловыделения (теплопоглощения) в исследуемом образце температурный баланс камер нарушается, следовательно, на выходе усилителя появляется на-

51

пряжение U пропорциональное величине разности сопротивлений. Для того, чтобы температуры ячеек выровнять, необходимо на нагреватель менее горячей ячейки подать добавочное напряжение Ud. Величина пропорциональная Ud, является DSM-сигналом. Максимум DSM-сигнала соответствует температуре фазового перехода.

Рисунок 7 – Микрокалориметры: а – схема измерительного блока микрокалориметра ДСМ-2М: 1 – исследуемый образец в рабочей камере; 2 – эталонный образец в камере сравнения; 3 – калориметрический блок; 4 – к системе измерения и регулирования температуры; 5 – к системе нагрева камер; б – устройство ячейки: 1 – выход газа; 2 – стандарт; 3 – образец; 4 – сенсор; 5 – ячейка (серебро); 6 – нагреватель;

7 – охлаждение жидким азотом; 8 – вход очищающего газа

Погрешность эксперимента можно оценить, сопоставляя результаты серии опытов, выполненных на одном образце, а так же между сериями опытов, выполненных на нескольких разных частях одного соединения.

Всерийном микрокалориметре ДСМ-2М сигнал записывался на самописце. При этом данные оказывались в графической форме на бумаге, что затрудняло последующую их обработку.

Вновой модели калориметра ДСМ-10В был реализован ввод информации непосредственно в компьютер с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

52

Дифференциальные сканирующие калориметры фирмы

"Netzsch". Дифференциальные сканирующие калориметры фирмы Netzsch (Германия) используют похожий принцип регистрации сигнала разбаланса рабочей и эталонной ячеек, но выполнены конструктивно иначе. Эти калориметры позволяют проводить массовые измерения на наборах образцов по одинаковым программам изменения температуры и отличаются высокой степенью автоматизации процессов измерения и обработки результатов.

Применения микрокалориметрии для исследования биологиче-

ских систем. Биология, наряду с термохимией, является второй обширной областью применения микрокалориметрии. Биологические процессы, происходящие на различных уровнях – от молекулы до экосистемы – отличаются высокими значениями удельного тепловыделения по сравнению со многими физическими и химическими процессами. Поэтому первые калориметрические исследования, выполненные двести лет тому назад, были проведены на биологических объектах. Уже в то время результаты калориметрических опытов позволили Лавуазье сделать вывод о том, что тепловыделение животных обусловлено окислением углерода. Полученные им количественные результаты находились в согласии с законом сохранения энергии, который утвердился в науке значительно позднее.

С тех пор биологи неоднократно обращались к калориметрии, однако лишь в последние десятилетия стало доступным изучение тепловых процессов на молекулярном и клеточном уровнях.

На современном этапе развития биофизики дискуссии о применимости законов термодинамики к биологическим объектам отходят в прошлое. Развитие термодинамики необратимых процессов в свое время стимулировало проведение ряда работ, в которых калориметрические данные использовались для подтверждения попыток проанализировать процессы развития биологических объектов в терминах линейной термодинамики и теории информации.

Развивающиеся в настоящее время нелинейная термодинамика необратимых процессов и теории самоорганизации, оперирующие не только

53

количеством, но и ценностью информации, очевидно, в будущем смогут опираться также и на микрокалориметрические данные.

Калориметрия как метод исследования в биологии имеет свои преимущества и недостатки. Преимущества состоят в её универсальности, обусловленной тем, что практически все биологические процессы сопровождаются тепловыми процессами. Однако эта универсальность иногда оборачивается недостатками, так как не всегда тепловой эффект, регистрируемый микрокалориметрически, удается связать с конкретным процессом, особенно в тех случаях, когда тепловыделение является результатом совокупности разных биологических явлений. Поэтому в настоящее время в научных исследованиях микрокалориметрия чаще всего выступает в комплексе с другими, традиционными и новейшими, методами изучения биологических процессов.

Применение микрокалориметрии для исследований термодинамики и кинетики биохимических реакций охватывает практически все разделы биохимии. Разработано большое число приборов и методов, учитывающих специфику биохимических реакций, которые в основном проходят в близких к изотермическим условиях.

Их использование позволяет определять термодинамические параметры, константы равновесия, молекулярную массу биополимеров, теплоемкость, активность ферментов, энергетические параметры структуры белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров.

Микробиология – одна из наиболее освоенных областей использования микрокалориметрии, так как микроорганизмы имеют достаточно высокий уровень тепловыделения – порядка 10–10–10–14 Вт в расчёте на одну клетку. Калориметрические исследования микроорганизмов ведутся с середины прошлого века. Э. Кальве и А. Прат впервые применили микрокалориметрию для изучения культур микроорганизмов, показав, что термограммы отражают особенности, присущие каждому виду микроорганизмов.

Видовая специфичность термограмм позволила выдвинуть идею идентификации и классификации микроорганизмов по профилю термограммы. При достаточно мягких требованиях к постоянству условий опы-

54

та отклонения термограмм от стандартных не превышают деформаций экспериментальных кривых под влиянием неконтролируемых факторов. Профиль термограмм микроорганизмов изменяется в зависимости от температуры, состава питательной среды, влияния токсических веществ и антибиотиков.

Внастоящее время микробиология располагает богатой коллекцией термограмм большого числа видов. Анализ закономерностей этих реакций показывает, что, сопоставляя микрокалориметрические данные с теоретическими расчётами теплот реакций, можно определить тип обмена веществ (анаболизм, катаболизм), константы скоростей и порядок реакций, а также установить факторы, подавляющие метаболизм.

Спомощью микрокалориметрических методов изучены термогенез грибов, выделенных из саморазогревающегося торфа, влияние ультрафиолетового излучения на плесневые грибы, которое вызывает нарушения в биохимических системах, снабжающих цикл Кребса субстратами окисления, термогенез микоплазм. Термограммы бактерий, грибов и дрожжей имеют различный характер. Термограммы бактерий часто отличаются немонотонностью и большим значением теплопродукции. Грибы и дрожжи дают более монотонные термограммы с меньшими значениями тепловыделения.

Вобласти изучения роста и развития микроорганизмов микрокалориметрические исследования позволяют решать не только методические задачи, но и такие вопросы, как использование биомассы в качестве меры роста, соотношение между ростом клетки и популяции, выявленные синхронности роста, разработка оптимальных условий культивирования. Исследованы фазы роста, влияние лимитирующих факторов, биосинтез в процессе роста, эндогенный метаболизм в чистых культурах и природных системах популяций.

Достаточно точные количественные результаты получаются в тех случаях, когда имеется информация о характере метаболизма в выраженной фазе роста. Переход от одной фазы роста к другой или конкуренция видов в системе популяций ставят успех микрокалориметрических исследований в зависимость от воспроизводимости эксперимента и требуют

55

проведения комплексных измерений.

Новые возможности открывает микрокалориметрия для изучения

жизнедеятельности спор микроорганизмов, прорастающих и непрорас-

тающих конидий. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии изучен процесс спонтанного прорастания; осуществляется контроль качества посевного материала. Калориметрия привлекается для определения эффективности и интенсивности фотосинтеза.

Одна из наиболее актуальных областей биологической микрокало-

риметрии – изучение внутримолекулярных превращений биополимеров.

Многие макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты, синтетические модели биополимеров) характеризуются высокой внутримолекулярной упорядоченностью, причем между отдельными состояниями порядка возможны переходы, характер которых позволяет провести аналогию с процессами фазовых переходов в конденсированных средах. Такие переходы сопровождает выделение (поглощение) тепла, количество которого зависит от числа и энергии разрываемых химических связей.

Зная энтальпию переходов, можно получить ценную информацию о структуре макромолекул, условиях стабильности структуры, механизмах и функциях макромолекул в биологических процессах. Аналогия конформационных превращений в биополимерах с фазовыми переходами типа плавления создает предпосылки для исследования этих процессов методом дифференциальной сканирующей калориметрии.

Исследование денатурации (или плавления) глобул белковых молекул является ценным источником термодинамической информации. Денатурация является процессом обратным фолдингу (или сворачиванию) одномерной аминокислотной цепочки в функциональную глобулярную трёхмерную структуру белковой молекулы.

Процесс фолдинга имеет иерархическую природу, в нем можно вы-

делить четыре стадии.

1. Очень быстрое формирование элементов вторичной структуры –

альфа спиралей и бэта-структур, – служащих как бы "зародышами" для образования более сложных архитектурных мотивов (за десятую долю микросекунды альфа-спираль охватывает пептид из 20–30 остатков).

56

2. Специфическая быстрая ассоциация некоторых элементов вторичной структуры с образованием супервторичной структуры: сочетания не-

скольких α-спиралей, нескольких β-цепей либо смешанные ассоциаты данных элементов.

3.Формирование "расплавленной глобулы" (создание основных элементов третичной структуры – сочетание α-спиралей, β-тяжей, соединяющих петель и образование гидрофобного ядра молекулы).

Белковая молекула приобретает пространственную структуру, близкую к структуре нативного белка. Вместе с тем, она ещё не обладает присущей данному белку функциональной активностью. Это состояние отличается от нативного меньшей степенью упорядоченности структуры.

Врасплавленной глобуле существуют поры, в которые проникает вода. Отсутствие ряда специфических взаимодействий приводит к тому, что ориентация подвижных петель несколько отличается от более "жесткой" финальной нативной структуры. В целом молекула более лабильна и склонна к "слипанию" (агрегации) с другими такими же молекулами. Такая неспецифическая агрегация может уменьшать число молекул белка, находящихся на правильном пути сворачивания, то есть снижать эффективность этого процесса.

Как показали модельные эксперименты, проведенные in vitro, образование "расплавленной глобулы" происходит значительно быстрее, чем её переход в нативную структуру.

4.Формирование нативной структуры белка. Эта стадия, связанная с перебором разных конформаций отдельными радикалами аминокислот, является, самой медленной стадией процесса сворачивания (от секунд до десятков минут).

Концепция "расплавленной глобулы" послужила ключом к пониманию особенностей процесса денатурации белков (термической или под воздействием денатурантов, резко изменяющих рН раствора). Экспериментально установлено, что денатурация малых белков является кооперативным переходом с одновременным и резким, "S-образным" изменением многих характеристик молекулы.

57

Например, резко изменяется энтальпия, поэтому её производная Cp

имеет максимум в области перехода (рисунок 8). Скрытая теплота перехода H изображена на рисунке 8(б) в виде заштрихованной области

T2

Q = ∫Cp dT ,

T1

где Т1 и Т2 границы существования аномальной составляющей теплоемкости. Теплоемкость денатурированного белка выше теплоемкости нативной глобулы ( Cp ), поскольку в денатурированном белке гидрофобные

аминокислоты экспонированы в растворитель. Максимальная теплоемкость Cmax при температуре перехода Tm отсчитывается от середины отрезка Cp .

ствах, а "полуденатурированных" молекул практически нет. Иначе говоря, переход "все-или-ничего" является микроскопическим аналогом фазового перехода первого рода в макроскопических системах (например – плавления кристалла). Однако – в отличие от истинного фазового перехода – S-образность белкового перехода "все-или-ничего" имеет не нулевую, а конечную ширину, так как этот переход охватывает не макроскопическую, а микроскопическую, очень небольшую систему.

При повышении температуры сначала формируется расплавленная глобула – порядок ещё сохранен, начинается только "раздвижение" элементов вторичной структуры, нековалентные связи между ними ослабевают и в промежутки между ними начинают входить молекулы воды, но боковые радикалы аминокислот ещё не освободились настолько, чтобы быть способными к поворотной изомеризации (рисунок 9).

Рисунок 8 – Кривая плавления типичного белка: а – температурная зависимость энтальпии; б – температурная зависимость теплоемкости

S-образность экспериментальных кривых показывает, что соответствующие характеристики молекулы изменяются в диапазоне от тех, что характерны для нативного белка, до тех, что характерны для белка денатурированного. Узость этих S-образных кривых свидетельствует о кооперативности перехода, т. е. о том, что он охватывает сразу много аминокислотных остатков. При таком переходе только начальное (нативное) и конечное (денатурированное) состояние наблюдаются в заметных количе-

58

аб

Рисунок 9 – Схема формирования расплавленной глобулы: а – схема нативной глобулы; б – схема расплавленной глобулы

Такое начальное расширение глобулы энергетически невыгодно, так как при этом энергия глобулы растёт (поскольку части глобулы уже расходятся, а энтропия ещё не повышается). Поэтому при таком малом расширении свободная энергия глобулы растёт.

Когда же расширение достигает такой величины, что освобождаются боковые группы аминокислот, и становится возможной их поворотная изомеризация, это приводит к резкому росту энтропии и падению свобод-

59