Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu mô phỏng tĩnh điện trong sinh học

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu mô phỏng tĩnh điện trong sinh học, phân tích các bài toán và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực này.

• Tác giả: Nguyễn Thị Trang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Toàn
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và vật lí toán
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng của 1 số bài toán về tĩnh điện trong sinh học
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Phương pháp nghiên cứu
• 0.3. Bố cục luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA PHÂN TỬ ADN
• 1.1. Cấu trúc hóa học của phân tử ADN
• 1.2. Cấu trúc không gian của phân tử ADN
• 1.2.1. Cấu trúc sơ cấp
• 1.2.2. Hiện tượng cuộn xoắn và các cấu trúc bậc cao của ADN
• 1.2.3. ADN được xem như một polymer tích điện, tính chất đàn hồi của ADN
• 1.2.3.1. Định nghĩa độ dài quán tính của dây polymer
• 1.2.3.2. Đóng góp của hiệu ứng tĩnh điện vào độ dài quán tính của ADN
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG TRÌNH POISSON – BOLTZMANN VÀ LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN DEBYE – HUCKEL
• 2.1. Phương trình Poisson – Boltzmann
• 2.1.1. Phương trình Poisson – Boltzmann; Phương trình trường trung bình tự hợp
• 2.1.2. Tuyến tính hóa phương trình Poisson – Boltzmann (PB); Phương trình Debye – Huckel (DH)
• 2.2. Phương trình Poisson - Boltzmann cho thế năng quanh một hình trụ tích điện
• 2.2.1. Nghiệm của phương trình Debye – Huckel cho thế năng quanh hình trụ tích điện
• 2.2.2. Hiện tượng cô đọng “Manning”
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO
• 3.1. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo
• 3.2. Điều kiện cân bằng chi tiết và thuật toán Metropolis
• 3.2.1. Điều kiện cân bằng chi tiết
• 3.2.2. Thuật toán Metropolis
• 4. CHƯƠNG 4: NHỮNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THU ĐƯỢC CHO DÂY POLYMER TÍCH ĐIỆN
• 4.1. Mô hình dây polymer tích điện
• 4.2. Những kết quả mô phỏng thu được
• 4.2.1. Sự phụ thuộc một cách tỷ lệ của độ dài đầu – cuối vào bán kính chắn
• 4.2.2. Những kết quả thu được tại giới hạn bán kính chắn lớn
• 4.2.3. Hàm tương quan góc của các liên kết
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu mô phỏng tĩnh điện trong sinh học

Nghiên cứu mô phỏng tĩnh điện trong sinh học là một lĩnh vực quan trọng, giúp hiểu rõ hơn về các tương tác điện trong các hệ sinh học. Tĩnh điện có vai trò quyết định trong cấu trúc và hoạt động của các phân tử sinh học như ADN và protein. Việc mô phỏng tĩnh điện cho phép các nhà khoa học dự đoán hành vi của các phân tử trong môi trường sinh học, từ đó phát triển các ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học.

1.1. Khái niệm về tĩnh điện trong sinh học

Tĩnh điện trong sinh học đề cập đến các lực tương tác giữa các phân tử tích điện. Các phân tử như ADN và protein thường mang điện tích, ảnh hưởng đến cách chúng tương tác với nhau và với môi trường xung quanh.

1.2. Tầm quan trọng của mô phỏng tĩnh điện

Mô phỏng tĩnh điện giúp hiểu rõ hơn về các quá trình sinh học như sao chép ADN, phiên mã và tương tác protein. Điều này có thể dẫn đến những phát hiện mới trong nghiên cứu bệnh học và phát triển thuốc.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tĩnh điện

Mặc dù tĩnh điện có vai trò quan trọng, nhưng việc nghiên cứu và mô phỏng các tương tác tĩnh điện trong sinh học gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như độ chính xác của mô hình, điều kiện môi trường và sự phức tạp của các hệ sinh học đều ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

2.1. Độ chính xác của mô hình mô phỏng

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chính xác của các mô hình mô phỏng. Các mô hình cần phản ánh đúng các tương tác tĩnh điện trong môi trường sinh học thực tế.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường

Điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ và nồng độ ion có thể ảnh hưởng lớn đến các tương tác tĩnh điện. Việc kiểm soát và mô phỏng các điều kiện này là rất quan trọng.

III. Phương pháp mô phỏng tĩnh điện hiệu quả trong sinh học

Có nhiều phương pháp mô phỏng tĩnh điện được sử dụng trong nghiên cứu sinh học, bao gồm phương pháp Monte Carlo và phương pháp động lực học phân tử. Những phương pháp này giúp mô phỏng các tương tác tĩnh điện một cách chính xác và hiệu quả.

3.1. Phương pháp Monte Carlo

Phương pháp Monte Carlo là một kỹ thuật mô phỏng dựa trên việc sử dụng các mẫu ngẫu nhiên để dự đoán hành vi của các hệ thống phức tạp. Phương pháp này rất hữu ích trong việc nghiên cứu tĩnh điện.

3.2. Động lực học phân tử

Động lực học phân tử cho phép mô phỏng chuyển động của các phân tử trong thời gian thực. Phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về các tương tác tĩnh điện trong các hệ sinh học.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng tĩnh điện trong sinh học

Mô phỏng tĩnh điện có nhiều ứng dụng thực tiễn trong nghiên cứu sinh học, từ việc phát triển thuốc đến hiểu rõ hơn về các bệnh lý. Các nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiểu biết về sinh học mà còn có thể dẫn đến các phương pháp điều trị mới.

4.1. Phát triển thuốc mới

Mô phỏng tĩnh điện giúp xác định cách các phân tử thuốc tương tác với các mục tiêu sinh học, từ đó phát triển các loại thuốc hiệu quả hơn.

4.2. Nghiên cứu bệnh lý

Các nghiên cứu về tĩnh điện có thể giúp hiểu rõ hơn về cơ chế gây bệnh, từ đó tìm ra các phương pháp điều trị hiệu quả hơn cho các bệnh lý liên quan đến ADN và protein.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu tĩnh điện trong sinh học

Nghiên cứu mô phỏng tĩnh điện trong sinh học đang ngày càng trở nên quan trọng. Với sự phát triển của công nghệ và các phương pháp mô phỏng mới, tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều khám phá mới và ứng dụng thực tiễn trong y học và công nghệ sinh học.

5.1. Xu hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của các mô hình mô phỏng và mở rộng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau của sinh học.

5.2. Tác động của công nghệ mới

Sự phát triển của công nghệ tính toán và mô phỏng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu tĩnh điện, từ đó giúp giải quyết các vấn đề phức tạp trong sinh học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 của luận văn, chúng tôi sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản nhất về cấu trúc hóa học, cấu trúc không gian và một số tính chất vật lý của phân tử ADN chịu ảnh hưởng của các hiệu ững tĩnh điện.1 Cấu trúc hóa học của phân tử ADN Về thành phần hóa học, ADN là một loại axit hữu cơ có chứa các nguyên tố chủ yếu là: cacbon (C), hiđro (H), oxi (O), photpho (P), nitơ (N). Về cấu trúc hóa học, ADN là đại phân tử có khối lượng phân tử lớn, chiều dài có thể đạt tới hàng trăm micromet, khối lượng phân tử có thể đạt từ 4 đến 8 triệu, một số có thể đạt tới 16 triệu đơn vị cacbon. ADN là hợp chất cao phân tử cấu tạo theo nguyên tắc đa phân, trong đó mỗi đơn phân là các nucleotide gọi tắt là các Nu. Trong cơ thể người, số nucleotide có thể lên tới 3 tỉ nu với chiều dài phân tử ADN xấp xỉ 1m.

Về thành phần hóa học, mỗi nucleotide có 3 thành phần cơ bản: một phân tử đường deoxiribose, một gốc phosphate (H3PO4) và một trong bốn loại base 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Trong đó hai loại base Cytosine (C) và Thymine (T) có cấu trúc vòng đơn cacbon nitrogen, kích thước nhỏ (Pyrimidine), hai loại base Adenin (A) và Guanin (G) có cấu trúc vòng kép, kích thước lớn hơn (Purine) (Hình 1. Do mỗi nucleotide chỉ khác nhau ở thành phần nucleobase nên tên gọi của các nu là tên gọi của nucleobase mà nó mang.1 Cấu trúc 4 loại base của phân tử ADN (Nguồn:http://pixshark.com) Cấu trúc không gian phổ biến của ADN là cấu trúc chuỗi xoắn kép gồm hai mạch đơn (sẽ được chúng tôi giới thiệu chi tiết trong nội dung tiếp theo). Với cấu trúc 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] này, trên mỗi mạch đơn các đơn phân liên kết với nhau bằng liên kết hóa trị, là liên kết hình thành giữa đường C5H10O4 của nucleotide này với phân tử H3PO4 của nucleotide bên cạnh (hay còn được gọi là liên kết photphodieste) hình thành nên chuỗi polinucleotide (Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của ADN (Nguồn: http://commons.org) Liên kết photphodieste là liên kết bền, đảm bảo thông tin di truyền trên mỗi mạch đơn ổn định ngay cả khi ADN tái bản và phiên mã.

Đồng thời chính liên kết hóa trị này cũng làm nên tính ổn định của phân tử ADN. Do đó chuỗi các liên kết giữa phân tử đường và gốc phosphate được xem là chuỗi “xương sống” của phân tử ADN, có ý nghĩa quan trọng trong hoạt động di truyển của các cơ thể sống. Từ chuỗi xương sống này, các nucleobase trên nhánh đơn gắn vào nhóm phân tử đường của nhánh đó như “chân rết”, trên hai nhánh đơn các nuleobase liên kết với nhau thông qua các liên kết hiđro. Hai liên kết này hình thành nên độ cứng và cấu trúc không gian của phân tử ADN.

7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Cấu trúc không gian của phân tử ADN 1.1 Cấu trúc sơ cấp Cấu trúc sơ cấp của phân tử ADN được biết đến là cấu trúc chuỗi xoắn kép gồm hai sợi đơn - chuỗi polinucleotide. Có nhiều dạng xoắn hai mạch đơn của phân tử ADN, tuy nhiên cấu trúc phổ biến 1nm nhất là cấu trúc xoắn dạng B – ADN theo mô hình của J.cric xây dựng năm 1953.4 hình này, hai mạch đơn của phân tử ADN liên kết với nm nhau và xoắn đều quanh một trục tưởng tượng theo chiều từ trái sang phải tương tự như chiếc thang dây xoắn với bán kính 1nm gồm nhiều vòng xoắn. Các chu kỳ xoắn được lặp đi lặp lại đều đặn, chiều cao mỗi vòng xoắn là 3.4𝑛𝑚, trung bình khoảng 10.5 cặp base nu một chu kỳ với khoảng cách các cặp nu xấp xỉ 0. Hai bên tay thang là các phân tử đường và axit phosphoric sắp xếp xen kẽ nhau, mỗi bậc thang là các cặp base liên kết với nhau bằng liên kết hiđro theo nguyên tắc bổ sung, nghĩa là một base lớn liên kết với một base có kích thước nhỏ hơn.

Do đặc điểm cấu trúc của các nucleobase mà liên kết hiđro chỉ hình 0.34nm thành giữa hai loại nucleobase nhất định là A với T (qua 2 liên kết hiđro) và C với G (qua 3 liên kết Hình 1.3 Cấu trúc xoắn kép của ADN hiđro). Đó thực chất là liên kết giữa một purine và một (Nguồn: http://staff.vn) pyrimidine nên khoảng cách tương đối giữa hai chuỗi polynucleotide được giữ vững. Trong môi trường nước, gốc phosphate mất đi proton và trở nên tích điện âm. Do vậy khi đặt ADN trong môi trường nước mật độ điện tích tuyến tính của ADN khoảng −1e/1.

Và nếu ta coi ADN là một hình trụ tích điện với bán kính 1nm, 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thì mật độ điện tích bề mặt là 1e/1n𝑚2. Đây là một trong những mật độ điện tích lớn nhất đã quan sát được trong các hệ sinh học. Do vậy các hiệu ứng tĩnh điện đóng vai trò rất quan trọng trong cấu trúc và hoạt tính của các hệ ADN. Trong phạm vi luận văn này, chúng tôi sẽ đi sâu tìm hiểu ảnh hưởng của hiệu ứng tĩnh điện vào độ cứng của ADN.

Ngoài mô hình cấu trúc chuỗi xoắn kép của J.cric (B – ADN), còn một số cấu trúc hình học của ADN được biết đến như cấu trúc dạng A, Z… (Hình 1. Các dạng cấu trúc này khác với cấu trúc xoắn kép (dạng B) ở hình dạng, kích thước và một số các chỉ số như: số các nucleotide trong một chu kỳ xoắn, đường kính xoắn, chiều xoắn…Tuy nhiên trong tự nhiên cấu trúc xoắn kép – dạng B được xem là phổ biến nhất. A – ADN B – ADN Z – ADN Hình 1.4 Một số dạng cấu trúc hình học của ADN (Nguồn: http://fr.2 Hiện tượng cuộn xoắn và các cấu trúc bậc cao của ADN. Như chúng tôi đã giới thiệu trong những mục trên, hiệu ứng tĩnh điện đóng vai trò rất quan trọng trong cấu trúc và hoạt tính của hệ ADN.

Một trong những bài toán tĩnh điện điển hình của ADN là việc đóng gói phân tử này trong hạt nhân của tế bào, 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vừa giúp giảm kích thước ADN rất hiệu quả nhưng vẫn đảm bảo quá trình sao chép và phiên mã ADN diễn ra bình thường. Những nghiên cứu về cấu trúc không gian của ADN cho thấy ADN thường bị bẻ cong, cuộn xoắn thành các cấu trúc đa cấp từ xoắn kép của 2 chuỗi polunicleotide(1) đến các cấu trúc nucleosome(2), sợi 10nm(4), sợi 30nm(5), sợi 300nm(6), … chromosome(8), (Hình 1.5 Giản đồ sơ lược các bước xoắn của ADN trong hạt nhân tế bào (Nguồn: http://imgbuddy.com) Đặc điểm các cấu trúc xoắn đa cấp của ADN có thể giới thiệu sơ lược như sau: - Các đoạn ADN với chiều dài tương ứng khoảng từ 140 đến 150 cặp base cuộn quanh một lõi gồm 8 quả cầu protein histon (2 quả cầu H2A, 2 quả cầu H2B, 2 quả cầu H3 và 2 quả cầu H4) để tạo thành các nucleosome đường kính khoảng 10nm. Các nucleosome liên tiếp được nối với nhau bằng một đoạn ADN khoảng 20 đến 60 cặp base gọi là “linker ADN” (Hình 1. 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] linker ADN Protein histon H1 Hình 1.6 Cấu trúc nucleosome (Nguồn: https://beyondthedish.com) - Mỗi nucleosome liên kết với một protein histon H1 hình thành cấu trúc chromatosome và tiếp tục xoắn chặt hơn hình thành các sợi có kích thước 30nm, 300nm, 250nm… - Khoảng 6 nucleosome cuộn lại thành một solenoid, các solenoid tiếp tục cuộn xoắn tạo thành các quai chromatin (chromatin loop).

Các quai chromatin lại tiếp tục cuộn xoắn hình thành nên các sợi của nhiễm sắc thể. Như vậy bằng khả năng cuộn xoắn ADN có thể giảm kích thước xuống khoảng xấp xỉ 1 000 000 lần so với chiều dài của nó trước khi cuộn xoắn, để có thể cuộn xoắn được như vậy tính đàn hồi của ADN được xem là yếu tố có tính chất quyết định, mà đặc trưng của nó là độ dài quán tính (ĐDQT) chúng ta sẽ tìm hiểu trong những phần tiếp theo của luận văn.3 ADN được xem như một polymer tích điện, tính chất đàn hồi của ADN Như trong nội dung trên chúng tôi đã đề cập đến việc ADN trở nên tích điện âm khi đặt trong môi trường nước và khả năng xoắn chặt của ADN trong hạt nhân tế bào mà tính đàn hồi của ADN có ảnh hướng lớn đến cấu trúc này. Trong mục tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu các khái niệm và lý thuyết cơ bản để nghiên cứu sự đàn hồi và ảnh hưởng của các hiệu ứng tĩnh điện nên tính đàn hồi của ADN. Đồng thời cũng để giới thiệu các ký hiệu thường xuyên được sử dụng trong luận văn này.

11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Định nghĩa độ dài quán tính của dây polymer. ADN được đặt trong môi trường nước thì trở nên tích điện âm, khi đó chúng ta có thể coi ADN như một dây polymer tích điện (Polyelectrolyte – PE) với các monomer liên kết nhau. Trong phạm vi luận văn này, chúng tôi quan tâm đến độ dài quán tính (ĐDQT) của dây polymer tích điện. ĐDQT 𝑙𝑝 của polymer là một trong những đại lượng đặc trưng cho độ dẻo của một polymer, nó có thể được định nghĩa là độ dài mà ở khoảng cách lớn hơn nó thì tương quan về hướng của các monomer bị mất.

Hay nói cách khác ở các độ dài ngắn hơn ĐDQT (𝐿 < 𝑙𝑝 ) thì các monomer nhớ được hướng của các monomer trước nó và hướng của các monomer là tương quan với nhau. Lúc này cấu hình của polymer có thể được biểu diễn như một hình trụ cứng (hình que). Nếu ĐDQT 𝑙𝑝 xấp xỉ độ dài một liên kết giữa các monomer thì polymer được gọi là polymer dẻo (flexible), trường hợp 𝐿 > 𝑙𝑝 ≫ độ dài các liên kết thì polymer được gọi là polymer bán dẻo (semiflexible). Ở những kích thước lớn hơn 𝑙𝑝 do thăng giáng nhiệt làm cho hướng của các monomer không tương quan nữa và làm cho cấu trúc của dây polymer bị bẻ cong, hình thành các cấu trúc dạng xoắn (coil)…Như vậy có thể thấy khi ĐDQT càng lớn thì dây polymer càng cứng và năng lượng để bẻ cong nó càng lớn.

ĐDQT tuy rất trực quan về ý nghĩa vật lý, nhưng trên thực tế có rất nhiều cách cả định lượng và định tính khác nhau để mô tả sự tương quan về hướng giữa các đoạn polymer, do vậy có rất nhiều công thức toán học khác nhau dùng để định nghĩa ĐDQT.