CHẾT
NHIỆT CLAUSIUS
Trước đây, dưới quan niệm nhiệt động học, Clausius và trường
phái của ông đưa ra giả thuyết cho rằng: Vũ trụ là một hệ kín, do đó các quá
trình trong tự nhiên đang hướng tới trạng thái cân bằng. Lúc đó sẽ không có sự
chuyển năng lượng lượng nhiệt thành năng lượng khác, không có quá trình sinh
công, mọi quá trình bị đình chỉ, vũ trụ rơi vào cõi chết. Họ viết: Các xu thế
tự nhiên liên tục dừng lại, sự sống của chúng đang tắt lụi. Trong cái vô tận đã
và đang hiện rõ dấu hiệu chết chóc của thế giới (Sukarep 1912). Cũng quan điểm
đó, một tác giả khác viết: Thế giới sẽ chết trong sự phân bố đồng đều năng
lượng nhiệt vũ trụ. Năng lượng sáng tạo hình thành đa dạng vũ trụ đang bị triệt
tiêu ( Berjarev, Petrusenko 1971).
Mặc dầu
đương thời thuyết này được tôn giáo lợi dụng triệt để, nhưng cũng có nhiều nhà
khoa học phản bác. Boltzmann cho rằng giả sử cân bằng nhiệt có thể xảy
ra, nhưng vì vũ trụ vô cùng rộng lớn nên luôn luôn có những thăng giáng,
từ thăng gián nhỏ ở mức phân tử sẽ trở thành thăng giáng ở mức lớn hơn, cuối
cùng dẫn đến sự phá vỡ trạng thái cân bằng nhiệt.
Về sau
khoa học đã khẳng định “Chết nhiệt Clausius” không thể xảy ra, vì vũ trụ không
thể là hệ kín, lại càng không thể là hệ cô lập, tự nhiên là một hệ hở (
Petrusenco 1971, Blumeneld 1977 ). Một triết gia đã viết: Không thể có sự triệt
tiêu vật chất về định lượng cũng như định tính, tức là không có sự triệt tiêu
khả năng vật chất chuyển từ dạng này sang dạng khác. Bản thân vật chất và các
tính chất cơ bản của chúng bao gồm cả khả năng chống lại chống lại sự chết
nhiệt do các quá trình độc lập (Kozưrev 1963). Chết nhiệt Clausius chắc chắn
không xảy ra, nhưng hiện tại, vật chất sống – trạng thái tiến hóa cao nhất của
vật chất – đang phải đương đầu với một nguy cơ: Môi trường sống đang nóng lên
và rồi hậu quả sự sống sẽ ra sao?
VẬT
CHẤT SỐNG VÀ MIỀN 300K
Như đã
biết, sự sống chỉ tồn tại và phát triển ở miền 25 – 300C. Những loài
sinh vật có trình độ tiến hóa cao có thân nhiệt trong khoảng 420C –
370C. Rõ ràng sinh vật có thể thích nghi với môi trường để tồn tại,
nhưng khả năng đó không phải là vô hạn. Có một miền tối ưu cho sự sống. Snoll
(1979) cho rằng yếu tố quyết định hướng sự tiến hóa sinh vật tới dạng máu nóng
là nhằm bảo đảm tốc độ lan truyền kích thích thân kinh chứ không phải theo nhu
cầu tốc độ phản ứng enzym, tiến hóa sinh sọc là quá trình hoàn thiện về mặt
động học (kinetic). Máu nóng là nhằm ổn định trạng thái gel-sol của màng sinh
học, tính mềm mại của trạng thái này là một thuận lợi đối với sự lan truyền tín
hiệu kích thích. Điều chúng ta chưa rõ là tại sao màng tế bào lại có thành phần
photpholipid sao cho điểm chuyển tướng (gel-sol) nằm trong khoảng 36 – 400C,
tại sao ngay trong nhánh động vật máu nóng thân nhiệt cũng biến đổi theo hướng
giảm từ chim (420C), đến động vật có vũ bậc thấp (390C)
đến người (370C). Có thể cho rằng “máu nóng” có liên quan đến hàng
loạt vấn đề như: Thành phần acid béo của màng tế bào, chiều dài mạch
hydrocarbon của acid béo trong lipid màng, số nguyên tử trong amino acid của
protein trong cơ thể, hoạt tính enzym...
NHIỆT
ĐỘ VÀ HOẠT TÍNH ENZYM
Qua một
số kết quả nghiên cứu, chúng ta có thể tóm tắt một số điển đáng chú ý về mối
liên hệ mật thiết giữa enzym và nhiệt độ như sau:
- Hầu
hết các enzym đều có hoạt tính tối ưu ở khoảng nhiệt độ 300C –
400C.
- Năng
lượng ổn định enzym có giá trị lớn nhất ở miền 300C (Privalov 1974).
- Dưới
tác động của ure, protein sẽ biến tính, nhưng ở khoảng 200C – 250C
tốc độ biến tính rất chậm so với khi xét ở nhiệt độ khác (Simpson, Kauzman
1953).
-
Etanol làm giảm rõ tính bền nhiệt của protein chỉ khi nồng độ đạt trên 5% và
nhiệt độ trên 250C. ở nhiệt độ thấp hơn và nồng độ etanol dưới 5%
protein lại tỏ ra bền vững hơn. Rất có thể, có một điểm nhiệt độ, ở đó tương
tác hydrophobic giữa protein và dung môi có một sự thay đổi đột biến (Privalov
1987).
- Trên
cơ sở dữ liệu của Privalov (1987) có thể xây dựng được mối quan hệ giữa nhiệt
độ và năng lượng biến tính của protein:
∆G =
∆H(T0) - T∆S(T0) – 1/2∆Cp [(T0 – T)]/T.
Khảo sát phương trình này cho
thấy năng lượng biến tính ∆G biến thiên rất rõ ở miền 300C -450C.
Nhiệt
chuyển tướng (Tk) của protein thường nằm trong khoảng 260-320C,
phù hợp với nhiệt chuyển tướng của một số hydrocarbon đã khảo sát (Wetlaufer
1964). Điều đó chứng tỏ các gốc hydrocarbon, thuộc các gốc trong các amino acid
của protein, có một vai trò quyết định đối với sự chuyển tướng của protein. Tại
nhiệt độ chuyển tướng năng lượng cấu hình và năng lượng liên kết trong protein
gần như chuyển hóa hoàn toàn cho nhau, vì tại đó ta có:
Tk =
∆H/∆S, suy ra:
∆H (năng lượng liên kết) =
∆S.Tk
(năng lượng cấu hình).
Vì thế, ở nhiệt độ này (Tk) cấu
trúc phân tử protein rất linh động, chúng có khản năng chuyển qua một số trạng
thái khác nhau dưới tác động các kích thích nhỏ, vì thế chúng có khả năng sử
dụng rất hiệu quả năng nượng trong các phản ứng xúc tác. Theo Blumenfeld (1987)
hiện tượng dao động cấu hình protein xảy ra do chuyển động tương hỗ giữa các
domain cấu trúc, chúng bao hàm cả các gốc hydrophobic trong mạch phân tử.
Protein
thuộc dạng cấu trúc không cân bằng, hay còn gọi là cấu trúc linh động. Chúng có
khả năng dao động cấu hình, người ta vẫn ví enzym như “trái tim phân tử”. Nhờ
đó năng lượng kích thích, do tác động của phân tử bé hay do kích thích của một
tín hiệu điện..., được lan truyền khắp phân tử và tập hợp phân tử. Đó là một cơ
chế tự điều chỉnh của protein, nó tạo cho protein khả năng tự ổn định cấu trúc
đối với các tác động bên ngoài. Tuy nhiên, khả năng này của protein chỉ có thể
thực hiện được khi chúng tồn tại ở miền nhiệt độ Tk . Như đã xét ở trên, đó là
miền 300K (250C – 350C).
Từ các
dữ liệu trên có thể kết luận rằng: Tiến hóa sinh học, hướng tới động vật máu
nóng với thân nhiệt 370C – 420C, chính là hướng tới trạng
thái bền vững linh động của protein nói riêng và của cấu trúc tế bào nói chung.
CƠ CHẾ
VẬN CHUYỂN NĂNG LƯỢNG
Theo
Karacev (1989), trong phản ứng xúc tác enzym, năng lượng tương tác giữa chất
nền và enzym được vận chuyển theo hệ liên kết hydrogen liên hợp (LKHLH). Một
trong những yếu tố cơ bản đảm bảo sự kéo dài thời gian lưu của năng lượng tương
tác chất nền – enzym là chúng phải ít bị tiêu tốn khi vận chuyển trong hệ LKHLH.
Các
nguyên tử tham gia trong hệ LKHLH chủ yếu là O và N. Khi năng lượng vận chuyển
trong hệ LKHLH (có thể là sự chuyển dịch electron) mật độ electron của các
nguyên tử này thay đổi. Do đó proton (H+) trong liên kết hydrogen có thể dịch
chuyển qua lại giữa hai nguyên tử tham gia liên kết hydrogen, vì thế góc hóa
trị của hai nguyên tử này thay đổi. Điều đó sẽ dẫn đến sự dịch chuyển của các
gốc (thuộc các amino acid trong protein). Như vậy là sự chuyển dịch năng lượng
trong hệ LKHLH liên quan chặt chẽ với năng lượng chuyển cấu hình các gốc phân
tử. Sự dịch chuyển các gốc phân tử do vận chuyển năng lượng sẽ tạo nên một làn
sóng cấu trúc trong phân tử enzym. Chính sóng cấu trúc đó đã hỗ trợ cho sự dịch
chuyển năng lượng. Như vậy năng lượng vận chuyển trong phân tử enzym gắn liền
với sóng cấu trúc dao động cấu hình. Đavưđov (1979) gọi đó là cơ chế soliton.
Sóng
cấu trúc trong phân tử enzym tạo ra do sự dich chuyển các gốc, sự dịch chuyển
của các gốc lại liên quan với nhiệt độ. Do đó sự vận chuyểnnăng lượng liên quan
đến nhiệt độ. Các gốc phân tử trong protein không ở trạng thái tự do, mà luôn
luôn tham gia các liên kết, như liên kết hydrogen, liên kết (tương tác)
hydrophobic... Để sóng cấu trúc được tồn tại, các gốc phân tử trong hệ LKHLH
phải có độ linh động nhất định, có nghĩa là chúng chỉ tham gia những liên kết
có độ bền thích hợp. Khi xét độ bền liên kết, chúng ta thấy năng lượng liên kết
ion và năng lượng liên kết hydrogen khá lớn. Ngươc lại, liên kết hydrophobic chỉ
nằm trong khoảng 0,7 kcal/mol gốc -CH2, tương đương với năng lượng dao động
nhiệt ở miền 300K (0,6 – 0,7 kcal/mol). Như vậy protein chỉ linh động cấu hình
và vận chuyển năng lượng tốt khi chúng tồn tại ở miền 300K.
Nghiên
cứu màng tế bào cũng cho thấy màng luôn luôn được cấu tạo bởi các thành phân
phopholipid sao cho nhiệt chuyển tướng nằm ở miền 20 – 400C, tức là miền 300K.
Điều này cho thấy giữa protein và màng tế bào có quan hệ khăng khít nhau trong
việc vận chuyển năng lượng.
CHẾT
NHIỆT PHI CLAUSIUS
Như đã
xét ở trên, enzym có một miền nhiệt độ tối ưu, miền 300K. Ở miền này cấu trúc
protein linh động bền vững, năng lượng chuyển tướng bé, hoạt tính cao. Cấu trúc
màng tế bào cũng bao gồm các thành phần sao cho điểm chuyển tướng nằm ở miền
nhiệt độ này. Ở các công trình nghiên cứu khác (Nguyễn bá Trinh 1994), chúng
tôi cũng đã chứng minh rằng ADN tiến hóa theo hướng giảm dần tính bền nhiệt do
tăng cường sớ liên kết hydrophobic trong phân tử. Thân nhiệt ở loài chim là
khoảng 420C, ở động vật có vũ bậc thấp là 390C và ở người là 370C. Như
vậy, theo trình độ tiến háo tăng dần, thân nhiệt có xu hướng chuyển về gần miền
300K hơn. Xu hướng đó phù hợp với xu thế tiến hóa của các phân tử quan trọng
trong cơ thể.
Xét
lịch sử biến đổi nhiệt độ bề mặt trái đất cho thấy, chúng giảm dần, nghĩa là
phù hợp với xu hướng tiến hóa sinh học. Rõ ràng xu hướng tiến hóa sinh học được
hỗ trợ bơi xu hướng biến đổi nhiệt độ của bề mặt Trái đất. Thế nhưng từ khi
loài bước vào kỷ nguyên công nghiệp, cùng với sự gia tăng dân số là sự gia tăng
sử dụng nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến tình trạng mặt đất đang nóng lên. Xu
hướng đó ngược với xu hướng tiến hóa sinh học, không có lợi cho quá trình tiến
hóa sinh học. Đến một thời kỳ nào đó, chắc chắn nhiệt độ bề mặt Trái đất sẽ
vượt quá miền tối ưu của sự sống. Khi đó sự sống sẽ rơi vào trạng thái không có
tiến hóa tiến bộ. Trạng thái này xảy ra ngay trong hệ sống – hệ hở có trao đổi
chất và năng lượng với môi trường. Có thể gọi đó là trạng thái “Chết nhiệt phi
Clausius”
Gần đây, vấn đề nóng lên toàn cầu đã được nhiều hội nghị
quóc tế bàn đến. Nhiều đề án chống biến đổi khí hậu đẫ được triển khai. Chúng
ta hy vọng rằng với sự nổ lực đó của mọi quốc gia trong mái nhà chung Trái đất,
thảm họa nhiệt sẽ không diễn ra.
g y � n � o �pF � nổ lực đó của mọi quốc gia trong mái nhà chung Trái đất, thảm họa nhiệt sẽ không diễn ra.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét