Nghiên cứu mô hình Vật lý của Virut

  • Số trang: 42 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 52 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------o0o------------- Bùi Thị Lệ Quyên Tóm tắt luận văn NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA VIRUT Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết – Vật lý toán Mã số: 60. 44. 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS. TSKH. Nguyễn Ái Việt HÀ NỘI – 2011 Mục lục Mở đầu 1 Chƣơng 1. Tổng quan về virut ..................................................................... 5 1.1 Lịch sử nghiên cứu về virut.................................................................... 5 1.2 Các định nghĩa về virut.......................................................................... 7 1.3 Hình thái, cấu trúc và đặc tính của virut................................................ 9 1.4 Tính tự nhiên của virut......................................................................... 15 Chƣơng 2. Mô hình lý thuyết Ohshima cho hạt nanô xốp ....................... 18 2.1 Phương trình Poisson – Boltzman ...................................................... 19 2.2 Thế Donnan ......................................................................................... 22 2.3 Độ linh động điện chuyển của hạt nanô xốp ....................................... 24 Chƣơng 3. Mô hình bề mặt đơn giản của virut ........................................ 33 3.1 Kết quả thực nghiệm đối với thực khuẩn thể MS2..............................33 3.2 Mô hình của Ohshima ......................................................................... 36 3.3 Mô hình mật độ điện thế bề mặt hiệu dụng ......................................... 40 3.4 Gần đúng Padé .................................................................................... 42 3.5 Gần đúng Padé mở rộng ..................................................................... 44 Kết luận Tài liệu tham khảo 47 48 Danh sách hình vẽ Hình 1.1. Kích thước và hình thái của một số virut điển hình......................... 9 Hình 1.2. Cấu trúc đối xứng xoắn của virut .................................................. 10 Hình 1.3. Cấu trúc đối xứng dạng khối đa diện ............................................. 11 Hình 1.4. A- Sơ đồ virut hình que với cấu trúc đối xứng xoắn; B - Sơ đồ virut đa diện đơn giản nhất; C – Sự đối xứng của hình đa diện ............................. 12 Hình 1.5. Cấu tạo virut có vỏ ngoài ...............................................................13 Hình 1.6. Các virut khác nhau dưới kính hiển vi điện tử................................16 Hình 2.1. Một hạt xốp trở thành một hạt cứng khi bỏ đi lớp bề mặt và trở thành khối cầu rỗng các chất điện phân khi bỏ đi hạt ở nhân ........................ 19 Hình 2.2. Giản đồ biểu diễn phân bố ion (a) và phân bố thế (b) cắt ngang của một lớp bề mặt có thể bị xâm nhập bởi ion ................................................... 20 Hình 2.3. Một hạt xốp được đặt trong điện trường ngoài E. Bán kính lõi a và bề dày lớp điện phân d bao quanh hạt (b = a + d) ........................................ 24 Hình 2.4. Biểu diễn lược đồ của sự phân bố vận tốc chất lỏng u(x). (a) là sự phân bố thế ψ(x); (b) xung quanh một hạt xốp và độ linh động điện chuyển của một hạt xốp phụ thuộc vào nồng độ điện phân n (c) (bên trái), so với hạt cứng (bên phải)............................................................................................... 32 Hình 3.1. Hình ảnh chụp MS mất ARN (a) và MS2 chưa xử lí (b) bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .................................................................. 33 Hình 3.2. Hình ảnh SAXS của MS2 và MS2 mất ARN có nồng độ khác nhau và tách riêng trong môi trường 100mM CaCl2 .............................................. 34 Hình 3.3. Độ linh động điện chuyển của MS2 chưa xử lí và MS2 mất ARN trong dung dịch 1mM NaCl có nồng độ pH thay đổi do HCl và NaOH ....... 35 Hình 3.4. Độ linh động điện chuyển của MS2 chưa xử lí và MS2 mất ARN trong dung dịch NaCl (a) và CaCl2 (b) có nồng độ pH 5.9 không đổi .......... 36 Hình 3.5. Kết quả tính toán cho truờng hợp năng lượng năng lượng điện tích lõi rất nhỏ so với vỏ capsid. ........................................................................... 39 Hình 3.6. Đồ thị phân bố điện thế lớp vỏ virut theo mô hình của Ohshima. Kết quả được vẽ theo sự phụ thuộc vào bán kính của virut.................................. 40 Hình 3.7. Đồ thị phân bố điện thế lớp của vỏ virut theo mô hình mật độ điện thế bề mặt hiệu dụng và mô hình Ohshima.................................................... 42 Hình 3.8. Đồ thị phân bố điện thế lớp của vỏ virut theo mô hình gần đúng Padé và mô hình Ohshima ........................................................................... 45 MỞ ĐẦU Từ nửa cuối thế kỉ XX khoa học phát triển rất mạnh theo định hướng kết hợp. Thông thường, mỗi ngành khoa học đều có đối tượng riêng, hệ thống khái niệm riêng, phương pháp riêng và những quy luật riêng của chính mình. Trong giai đoạn kết hợp, khi đi tìm con đường phát triển tiếp theo, không ít ngành khoa học đã tìm cách ứng dụng những khái niệm, những phương pháp, những quy luật của mình lên đối tượng vốn là truyền thống nghiên cứu của các ngành khoa học khác. Hoá sinh, lý sinh là những ngành mới hình thành theo xu hướng ấy, những ngành khoa học độc lập mang đặc trưng liên ngành hay giao ngành. Và trên thực tế, những ngành khoa học mới như vậy đã đem lại những hiểu biết mới mẻ về sự sống, để rồi trên cơ sở đó đem lại những tiến bộ quan trọng trong y học. Lý sinh chính là sự xâm nhập một cách hệ thống và trọn vẹn của vật lý vào sinh học. Trong giai đoạn đầu, nhìn chung vật lý chỉ lấy thế giới không sống làm đối tượng nghiên cứu của mình. Nhưng rồi càng ngày sự sống càng trở nên một thách thức lớn lao, một niềm khao khát khám phá mãnh liệt, khiến các nhà vật lý không thể không lưu tâm. Sự sống có tuân theo các quy luật vật lý hay không, và nếu có, hình thức thể hiện của nó có gì khác với vật lý thông thường?... Mặt khác, chính các nhà sinh vật học, khi tìm hiểu các quy luật về sự sống, đã bắt đầu tìm kiếm sự hỗ trợ của các khái niệm và phương pháp vật lý. Cuốn sách nhỏ của Schrodinger, một nhà vật lý nổi tiếng mà tên tuổi đã trở thành bất tử trong vật lý lượng tử, mang một tên gọi rất sinh vật: “Sự sống là gì?”, là một bước mở đầu như thế. Xa hơn nữa là những nghiên cứu về chuyển động của máu trong hệ tuần hoàn, là cơ chế hấp thụ âm thanh hay ánh sáng của cơ thể sống ngay từ thế kỉ XVII… Đến giữa thế kỉ XX, đã hình thành đầy đủ các học thuyết về sinh học phóng xạ, năng lượng sinh vật học, quang sinh học… Có thể xem lý sinh là ngành khoa học nghiên cứu những quá trình vật lý và hoá lý xảy ra trong cơ thể sống, nghiên cứu tính chất và cấu trúc của các cao phân tử sinh vật cũng như ảnh hưởng của các tác nhân vật lý lên các hệ thống sống. Chính trên cở sở của những nghiên cứu đó, đã hình thành những phương pháp, tạo ra những thiết bị giúp chúng ta vừa tìm hiểu thế giới sống sâu sắc hơn lại vừa tác động lên cơ thể sống một cách hiệu quả hơn. Lý sinh đã ra đời như một tất yếu trong quy luật phát triển nội tại của bản thân hệ thống khoa học. Bước sang thế kỉ XXI, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ nano trong bán dẫn, điện tử, các vật liệu mới…, nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực lý sinh ở cấp độ phân tử đã trở thành một hướng nghiên cứu đang phát triển mạnh trên thế giới. Đối tượng nghiên cứu là các hệ sinh học với kích thước từ vài đến vài trăm nanomet như các loại virut, protein, ADN, ARN, các màng sinh chất, các quá trình xảy ra trong tế bào… Bằng các phương pháp thực nghiệm tiên tiến như cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), tán xạ tia X, hiển vi lực nguyên tử (AFM) .... người ta đã có thể xác định được chính xác cấu trúc 3 chiều của protein và ADN, kéo duỗi từng phân tử protein hoặc ADN bằng các lực cơ học cỡ nano niutơn, tìm hiểu cơ chế của một số dịch bệnh do vi rút gây nên (bệnh đậu mùa, cúm ...)... Các nghiên cứu lý thuyết cũng phát triển mạnh mẽ sử dụng các công cụ mô phỏng máy tính như động học phân tử, Monte Carlo ở các cấp độ lượng tử, cổ điển và bán cổ điển. Vào những năm đầu của thế kỷ trước các virut đầu tiên được phân loại chỉ bằng một cách đơn giản là cho chúng đi qua màng lọc vi khuẩn. Nhưng khi số lượng virut tăng lên thì lúc đó phải phân biệt chúng dựa vào kích thước, vào vật chủ và vào các triệu trứng bệnh do chúng gây ra. Ví dụ, tất cả các virut động vật có khả năng gây viêm gan đều xếp thành một nhóm gọi là virut viêm gan hay tất cả các virut thực vật có khả năng gây đốm trên lá cây đều xếp vào một nhóm gọi là virut đốm. Về sau, vào những năm 30, nhờ sự bùng nổ về kỹ thuật, đã giúp người ta mô tả được các đặc điểm vật lý của nhiều loại virut, cung cấp nhiều đặc điểm mới để có thể phân biệt được các virut khác nhau. Các kỹ thuật này bao gồm phương pháp phân lập, tinh sạch virut, xác định đặc điểm hoá sinh của các virion, các phương pháp huyết thanh học và đặc biệt là sự ra đời của kính hiển vi điện tử đã giúp mô tả được hình thái của nhiều loại virut khác nhau. Bản luận văn này cũng đi theo hướng liên ngành nói trên. Ở đây chúng tôi nghiên cứu mô hình vật lí của virut với mong muốn đưa ra kết quả đơn giản hơn so với các mô hình virut trước đây của các tác giả khác. Trong bản luận văn này chúng tôi tìm hiểu mô hình virut của Ohshima, xây dựng mô hình mật độ điện thế bề mặt hiệu dụng và dùng phương pháp gần đúng Padé để tìm ra phân bố thế của bề mặt virut. Và kết quả thu được hi vọng sẽ đáp ứng tốt hơn mong muốn của các nhà nghiên cứu thực nghiệm. Luận văn này gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung, kết luận và tài liệu tham khảo. Phần mở đầu giới thiệu một cách khái quát đối tượng nghiên cứu, phương pháp và mục đích nghiên cứu của luận văn. Chương I: Tổng quan về virut Chương II: Mô hình lý thuyết Ohshima của hạt nanô xốp Chương III: Mô hình bề mặt đơn giản của virut Phần kết luận chúng tôi khái quát lại những kết quả đã thu được trong luận văn và so sánh sự phù hợp của nó với các kết quả hiện nay và đưa ra gần đúng Padé mở rộng có tính tổng quát hơn. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIRUT 1.1 Lịch sử nghiên cứu của virut "Virut" từ lâu đã được dùng để chỉ các chất độc ví như nọc độc rắn sau này để chỉ các nhân tố gây bệnh dịch do nhiễm trùng. Vào cuối thế kỉ 19 người ta đã phân lập nhiều loại vi khuẩn và chứng minh chúng gây ra nhiều loại bệnh dịch. Nhưng có một số bệnh dịch lại không do vi khuẩn gây ra như dịch lở mồm, long móng và huỷ hoại da ở động vật, đậu mùa, viêm não, quai bị.... mà nguyên nhân lại do virut [1]. Ngay từ năm 1883 nhà khoa học người Đức Adolf Mayer khi nghiên cứu bệnh khảm cây thuốc lá đã nhận thấy bệnh này có thể lây nếu phun dịch ép lá cây bị bệnh sang cây lành, tuy nhiên ông không phát hiện được tác nhân gây bệnh. Năm 1884 Charles Chamberland đã sáng chế ra màng lọc bằng sứ để tách các vi khuẩn nhỏ nhất và vào năm 1892 nhà thực vật học người Nga Dimitri Ivanovski đã dùng màng lọc này để nghiên cứu bệnh khảm thuốc lá. Ông nhận thấy dịch ép lá cây bị bệnh đã cho qua màng lọc vẫn có khả năng nhiễm bệnh cho cây lành và cho rằng tác nhân gây bệnh có lẽ là vi khuẩn có kích thước nhỏ bé đến mức có thể đi qua màng lọc, hoặc có thể là độc tố do vi khuẩn tiết ra. Giả thuyết về độc tố qua màng lọc đã bị bác bỏ. Vào năm 1898 khi nhà khoa học người Hà Lan Martinus Beijerinck chứng minh được rằng tác nhân lây nhiễm là chất độc sống (Contagium vivum fluidum) và có thể nhân lên được. Ông tiến hành phun dịch ép lá cây bệnh cho qua lọc rồi phun lên cây và khi cây bị bệnh lại lấy dịch ép cho qua lọc để phun vào các cây khác. Qua nhiều lần phun đều gây được bệnh cho cây. Điều đó chứng tỏ tác nhân gây bệnh phải nhân lên được vì nếu là độc tố thì năng lực gây bệnh sẽ phải dần mất đi. Năm 1901 Walter Reed và cộng sự ở Cuba đã phát hiện tác nhân gây bệnh sốt vàng, cũng qua lọc. Tiếp sau đó các nhà khoa học khác phát hiện ra tác nhân gây bệnh dại và đậu mùa. Tác nhân gây bệnh đậu mùa có kích thước lớn, không dễ qua màng lọc, do đó các tác nhân gây bệnh chỉ đơn giản gọi là virut. Năm 1915 nhà vi khuẩn học người Anh Frederick Twort và năm 1917 nhà khoa học người Pháp Felix d'Hérelle đã phát hiện ra virut của vi khuẩn và đặt tên là Bacteriophage gọi tắt là phage. Năm 1935 nhà khoa học người Mỹ Wendell Stanley đã kết tinh được các hạt virut gây bệnh đốm thuốc lá (TMV). Rồi sau đó TMV và nhiều loại virut khác đều có thể quan sát được dưới kính hiển vi điện tử. Như vậy nhờ có kỹ thuật màng lọc đã đem lại khái niệm ban đầu về virut và sau đó nhờ có kính hiển vi điện tử đã có thể quan sát được hình dạng của virut, tìm hiểu được bản chất và chức năng của chúng [1]. Ngày nay virut được coi là thực thể chưa có cấu tạo tế bào, có kích thước siêu nhỏ và có cấu tạo rất đơn giản, chỉ gồm một loại acid nucleic, được bao bởi vỏ protein. Muốn nhân lên virut phải nhờ bộ máy tổng hợp của tế bào, vì thế chúng là ký sinh nội bào bắt buộc. Virut có khả năng gây bệnh ở mọi cơ thể sống từ vi khuẩn đến con người, là thủ phạm gây thiệt hại nặng nề cho ngành chăn nuôi, gây thất bát mùa màng và cản trở đối với ngành công nghiệp vi sinh vật [9] . Từ những thập kỷ cuối của thế kỷ XX trở lại đây ngày càng xuất hiện các dạng virut mới lạ ở người, động vật mà trước đó y học chưa hề biết tới, đe doạ mạng sống của con người. Sau HIV, SARS, Ebola, cúm A H5N1 sẽ còn bao nhiêu loại nữa sẽ xuất hiện để gây tai hoạ cho con người. Mặt khác, do có cấu tạo đơn giản và có genom nhiều kiểu với cơ chế sao chép khác hẳn ở các cơ thể khác nên virut được chọn là mô hình lý tưởng để nghiên cứu nhiều cơ chế sinh học ở mức phân tử dẫn đến cuộc cách mạng sinh học cận đại: Sinh học phân tử, di truyền học phân tử. Vì những lý do trên việc nghiên cứu virut đã được đẩy mạnh và trở thành một ngành khoa học độc lập rất phát triển [1], [7] . 1.2 Các định nghĩa về virut Người ta định nghĩa virut theo nhiều cách: 1.2.1 Định nghĩa theo kích thƣớc Độ lớn của virut có kích thước dưới kính hiển vi, có nghĩa là nó có kích thước nhỏ hơn cả sự phân biệt bằng kính hiển vi quang học. Kích thước của virut khác nhiều so với vi khuẩn. Kích thước của virut lớn nhất là 400nm và nhỏ nhất là 13nm - 20nm. Đo kích thước của virut tương đối dễ dàng và chính xác. Đối với virut có kích thước lớn có thể đo bằng kính hiển vi thường, bằng phương pháp nhuộm màu, còn loại virut có kích thước nhỏ có thể đo và quan sát dưới kính hiển vi điện tử. Độ lắng của virut tỉ lệ với kích thước của virut, ngoài ra còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác như nhiệt độ của môi trường, độ nhớt, tốc độ quay và kích thước trục quay. 1.2.2 Định nghĩa theo sự sinh sản Virut có khả năng sinh sản nghĩa là từ một phần virut xuất hiện thành 10 100 các phần mới. Quá trình sinh sản của virut chỉ xảy ra bên trong tế bào. Mỗi virut sinh sản đặc biệt ở mỗi nơi khác nhau. Nó không có khả năng sinh sản ở ngoài tế bào sống. Virut sinh sản ở từng loại tế bào là khác nhau. Chúng nhờ tế bào vật chủ để tạo ra các virut mới. 1.2.3 Định nghĩa theo sự gây bệnh Virut sau khi chui vào tế bào vật chủ gây ra ở đó quá trình nhiễm bệnh. Dấu hiệu là tế bào bị bệnh khác với tế bào bình thường về cấu trúc kháng nguyên. Tế bào sau khi bị virut xâm nhập đã trở thành nguyên liệu virut. Một cơ thể nhất định nếu có nhiều tế bào bị hỏng thì xuất hiện dấu hiệu bệnh. 1.2.4 Định nghĩa theo sự nhiễm Virut là tác nhân mang, nếu như ta tách virut từ tế bào này mang đến tế bào khác thì khả năng này không làm được. Ở cơ quan này thì sinh sản bình thường nhưng không có khả năng chui vào tế bào mới. Virut cũng mất tính chất nhiễm như ở vi khuẩn bởi các tác nhân vật lí, hoá học, tia tử ngoại, ester...., nhưng glycerin lại làm tăng hoạt động của virut. 1.2.5 Định nghĩa về mặt di truyền Virut như là một cá thể trong khi nhân lên cho ra các cá thể con và đồng thời xuất hiện những đặc điểm di truyền. Thường gặp trong tự nhiên hay khi thí nghiệm có thể xuất hiện sự thích nghi của virut đến mỗi vật chủ nhất định. Ví dụ như ái lực đối với vật chủ và động vật nhất định, bởi chất lượng kháng nguyên, khả năng gây bệnh hay miễn dịch. Tóm lại: Virut là vật thể có kích thước dưới kính hiển vi, cảm ứng ở tế bào sống, có tính chất di truyền, nhiễm và gây nhiễm. Hay có thể nói cách khác: Virut có kích thước nhỏ bé, kí sinh nội bào, có khả năng gây bệnh, kí sinh ở mức độ di truyền [1]. 1.3 Hình thái, cấu trúc và đặc tính của virut 1.3.1 Cấu tạo cơ bản Tất cả các virut đều có cấu tạo gồm hai thành phần cơ bản: lõi là acid nucleic (tức genom) và vỏ là protein gọi là capsid, bao bọc bên ngoài để bảo vệ acid nucleic. Phức hợp bao gồm acid nucleic và vỏ capsid gọi là nucleocapsid hay xét về thành phần hoá học thì gọi là nucleoprotein. Đối với virut ARN thì còn gọi là ribonucleoprotein. Genom của virut có thể là ADN hoặc ARN, chuỗi đơn hoặc chuỗi kép, trong khi genom của tế bào luôn là ADN chuỗi kép, và trong tế bào luôn chứa hai loại acid nucleic, ADN và ARN [11]. 1.3.2 Vỏ capsid Capsid là vỏ protein được cấu tạo bởi các đơn vị hình thái gọi là capsome. Capsome lại được cấu tạo từ 5 hoặc 6 đơn vị cấu trúc gọi là protome. - Pentame (penton) có 5 protome nằm trên các đỉnh của khối đa diện, còn hexame Hình 1.1: Kích thước và hình thái của một số virut điển hình (hexon) tạo thành các cạnh và bề mặt hình tam giác. - Capsid có khả năng chịu nhiệt, pH và các yếu tố ngoại cảnh nên có chức năng bảo vệ lõi acid nucleic. - Trên mặt capsid chứa các thụ thể đặc hiệu, hay là các gai glicoprotein, giúp cho virut bám vào các thụ thể trên bề mặt tế bào. Đây cũng chính là các kháng nguyên kích thích cơ thể tạo đáp ứng miễn dịch. - Vỏ capsid có kích thước và cách sắp xếp khác nhau khiến cho virut có hình dạng khác nhau. Có thể chia ra ba loại cấu trúc: đối xứng xoắn, đối xứng hình khối và cấu trúc phức tạp (Hình 1.1) [1].  Cấu trúc đối xứng xoắn Hình 1.2: Cấu trúc đối xứng xoắn của virut Sở dĩ các virut có cấu trúc này là do capsome sắp xếp theo chiều xoắn của acid nucleic. Tuỳ loại mà có chiều dài, đường kính và chu kỳ lặp lại của các nucleocapsid khác nhau. Cấu trúc xoắn thường làm cho virut có dạng hình que hay hình sợi ví dụ virut đốm thuốc lá (MTV), dại (rhabdo), quai bị, sởi (paramyxo), cúm (orthomyxo). Ở virut cúm các nucleocapsid được bao bởi vỏ ngoài nên khi quan sát dưới kính hiển virut điện tử thấy chúng có dạng cầu.  Cấu trúc đối xứng dạng khối đa diện 20 mặt Hình 1.3: Cấu trúc đối xứng dạng khối đa diện Ở các virut loại này, capsome sắp xếp tạo vỏ capsid hình khối đa diện với 20 mặt tam giác đều, có 30 cạnh và 12 đỉnh. Đỉnh là nơi gặp nhau của 5 cạnh, thuộc loại này gồm các virut adeno, reo, herpes và picorna. Gọi là đối xứng vì khi so sánh sự sắp xếp của capsome theo trục. Ví dụ đối xứng bậc 2, bậc 3, bậc 5, khi ta xoay với 1 góc 1800 (bậc 2), 1200 (bậc 3) và 720 (bậc 5) thì thấy vẫn như cũ. Các virut khác nhau có số lượng capsome khác nhau. Virut càng lớn, số lượng capsome càng nhiều. Dựa vào số lượng capsome trên mỗi cạnh có thể tính được tổng số capsome của vỏ capsid theo công thức sau: N = 2 (n -1) + 2 Trong đó N - tổng số capsome của vỏ capsid, n-số capsome trên mỗi cạnh [1].  Virut có cấu tạo phức tạp Một số virut có cấu tạo phức tạp, điển hình là phage và virut đậu mùa. Phage có cấu tạo gồm đầu hình khối đa diện, gắn với đuôi có cấu tạo đối xứng xoắn. Phage T chẵn (T2, T4, T6) có đuôi dài trông giống như tinh trùng, còn phage T lẻ (T3,T7) có đuôi ngắn, thậm chí có loại không có đuôi. Virut đậu mùa có kích thước rất lớn, hình viên gạch. Ở giữa là lõi lõm hai phía trông như quả tạ. Đối diện với hai mặt lõm là hai cấu trúc dạng thấu kính gọi là thể bên. Bao bọc lõi và hai thể bên là vỏ ngoài. Hình 1.4: A- Sơ đồ virut hình que với cấu trúc đối xứng xoắn (virut khảm thuốc lá). Capsome sắp xếp theo chiều xoắn của acid nucleic. B- Sơ đồ virut đa diện đơn giản nhất. Mỗi mặt là một tam giác đều. Đỉnh do 5 cạnh hợp lại. Mỗi cạnh chứa 3 capsome. C- Sự đối xứng của hình đa diện thể hiện khi quay theo trục bậc 2 (1800), bậc 3 (1200) và bậc 5 (720) [12] . 1.3.3 Vỏ ngoài Một số virut có vỏ ngoài (envelope) bao bọc vỏ capsid. Vỏ ngoài có nguồn gốc từ màng sinh chất của tế bào được virut cuốn theo khi nảy chồi. Vỏ ngoài có cấu tạo gồm 2 lớp lipid và protein. Lipid gồm phospholipid và glycolipid, hầu hết bắt nguồn từ màng sinh chất (trừ virut pox từ màng Golgi) với chức năng chính là ổn định cấu trúc của virut. Protein vỏ ngoài thường là glycoprotein cũng có nguồn gốc từ màng sinh chất, tuy nhiên trên mặt vỏ ngoài cũng có các glycoprotein do virut mã hóa được gắn trước vào các vị trí chuyên biệt trên màng sinh chất của tế bào, rồi về sau trở thành cấu trúc bề mặt của virut. Ví dụ các gai gp 120 của HIV hay hemaglutinin của virut cúm, chúng tương tác với receptor của tế bào để mở đầu sự xâm nhập của virut vào tế bào. Hình 1. 5: Cấu tạo virut có vỏ ngoài Vỏ ngoài cũng có nguồn gốc từ màng nhân do virut lắp ráp và nẩy chồi qua màng nhân (virut herpes). Dưới tác động của một số yếu tố như dung môi hoà tan lipid, enzym, vỏ ngoài có thể bị biến tính và khi đó virut không còn khả năng gây nhiễm nữa. 1.3.4 Protein của virut  Các phƣơng pháp nghiên cứu protein virut Trước hết cần phải tách chúng khỏi tế bào. Điều này có thể thực hiện được nhờ hàng loạt các bước ly tâm tách, tiếp đó là ly tâm theo gradient nồng độ saccaroza. Ly tâm gradient nồng độ saccaroza thường cho kết quả thể hiện ở các băng (band) rất rõ nét tại các vị trí đặc thù trên gradient. Các băng này được dùng cho các nghiên cứu tiếp theo. Thông thường để nghiên cứu các virion đánh dấu đồng vị phóng xạ, người ta dùng hàng loạt kỹ thuật như điện di trên gel polyacrylamit, western Blotting (phản ứng với kháng thể). Vị trí protein của virut trong tế bào có thể xác định được nhờ kỹ thuật nhuộm phân biệt và miễn dịch huỳnh quang, cho kháng thể đơn dòng tương tác với epitop đặc hiệu của protein sau dịch mã thì dùng các chất ức chế proteaza và ức chế quá trình glycosyl hoá. Việc xác định trình tự gen và việc dự đoán acid amin sẽ giúp hiểu được cấu trúc và chức năng của chúng.  Các loại protein virut Protein virut được tổng hợp nhờ mARN của virut trên riboxom của tế bào. Tuỳ theo thời điểm tổng hợp mà được chia thành protein sớm và protein muộn. Protein sớm do gen sớm mã hoá, thường là enzym (protein không cấu trúc) còn protein muộn do gen muộn mã hoá, thường là protein cấu trúc tạo, nên vỏ capsid và vỏ ngoài. Protein không cấu trúc có thể được gói vào trong virion, nhưng không phải là thành phần cấu tạo virion. Đây là các enzym tham gia vào quá trình nhân lên của virut, ví dụ enzym phiên mã ngược, proteaza và integraza của virut retro, timidinkinaza và ADN polymeraza của HSV [16] . Protein không cấu trúc khác chỉ có mặt trong tế bào nhiễm mà không được đưa vào virion, bao gồm các protein tham gia vào quá trình điều hoà sao chép, phiên mã, dịch mã (ví dụ Tat của HIV, Protein màng trong của HSV, helicaza, protein gắn ADN...); protein ức chế quá trình tổng hợp acid nucleic và protein của tế bào chủ. Ngoài ra thuộc loại này còn có các protein gây ung thư do các oncogen mã hóa; các protein gây chuyển dạng tế bào, như kháng nguyên T lớn của SV-40 hoặc protein EBNA của virut Epstein Barr. Ở một số virut có protein không cấu trúc liên quan đến hoạt tính anti-apoptosis và anti-cytokin...[7]. 1. 4 Tính tự nhiên của virut Virut khác nhau về kích thước, hình dạng và thành phần hoá học. Một số virut chứa ARN, số khác chứa ADN. Một số loại virut chỉ chứa một loại protein trong khi đó nhiều virut chứa nhiều đơn vị protein khác nhau, lắp ráp với nhau bằng đơn vị hình thái. Một virion có nhiều đơn vị hình thái khác nhau. Các đơn vị này có thể quan sát được bằng kính hiển vi điện tử. Protein virut không đa dạng vì hệ gen không có thông tin di truyền để mã hoá một số lượng lớn các protein khác nhau. Một tổ hợp hoàn chỉnh các axid nucleic và protein được gói trong virut gọi là nucleocapsid. Một số virut có cấu trúc khá hoàn chỉnh gọi là virut có vỏ bọc. Nucleocapsid của loại virut này được bao bằng lớp màng bao chứa lipid và protein không đặc trưng của virut. 1.4.1 Tính đối xứng của virut Nucleocapsid của virut có cấu trúc đối xứng bởi các đơn vị hình thái bọc trong vỏ virut. Chiều dài của virut được xác định bằng chiều dài của phân tử axid nucleic, nhưng chiều rộng của chúng là do kích thước của các đơn vị protein quyết định. Sự sắp xếp đơn giản nhất gồm 60 đơn vị hình thái thành 3 mặt tạo thành một phân tử virut. Nhiều virut có đơn vị hình thái lớn hơn chứa 180, 240 và 420 đơn vị. Virut bao bọc: có nhiều virut có cấu trúc màng tổng hợp bọc quanh nucleocapsid phổ biến ở động vật (virut cúm) và một số virut vi khuẩn. Tính đặc hiệu nhiễm virut là do vỏ virut quyết định. 1.4.2 Virut tổng hợp Các virion được tổng hợp từ các thành phần tách rời, chúng phân biệt nhau bởi bề mặt và sự đối xứng, có đầu và có đuôi. Một vài virut vi khuẩn như virut T4 ở E.coli, đuôi của chúng cũng có cấu trúc tổng hợp từ 20 protein tách rời và đầu T4 còn chứa nhiều protein hơn nữa. A B C Hình 1. 6: Các virut khác nhau dưới kính hiển vi điện tử A- Virut họ đậu B- Virut cúm C- Virut adeno 1.4.3 Hệ gen virut Hệ gen virut bao gồm ADN hoặc ARN, không bao giờ có cả hai. Virut khác nhau về kích thước, số lượng và đặc tính axit nucleic. Cả hai loại axit nucleic sợi đơn và sợi đôi đều được tìm thấy ở virut. Ở virut có vỏ bọc, axit nuclec chiếm một phần nhỏ 1 – 2% và ở virut trần (chưa có vỏ bọc) chiếm 25 – 50% so với cơ chất. Ở một số virut, axit nucleic không tồn tại ở dạng phân tử riêng rẽ mà ở dạng liên kết nhiều phần tử. Retrovirus gây bệnh ung thư, AIDS và bệnh dịch khác có hai phân tử ARN đã được phân loại, virut cúm có 8 phân tử ARN, các virut gia súc có nhiều phân tử ARN hơn. 1.4.4 Enzym trong virut Một số virut chứa enzym đóng vai trò quan trọng trong quá trình nhiễm vào vật chủ. Nhiều virut chứa polymereza để biến đổi axit nucleic của virut thành mARN ngay sau khi quá trình nhiễm vào vật chủ bắt đầu. Retrovirus là các virut chứa ARN sau khi xâm nhập vào tế bào nhờ enzym phiên mã ngược (transcriptaza) đã chuyển thành (-) ADN. Từ (-) ADN chuyển thành ADN cấu trúc vòng, sau đó gen AND vòng này chui qua màng nhân và gắn genom của mình vào genom của vật chủ. Sau đó nhờ enzym ARN – polymeraza thì tạo thành ARN và nhân lên trong tế bào vật chủ. Một số virut chứa các enzym giúp cho chúng thoát khỏi tế bào vật chủ ở giai đoạn cuối cùng của quá trình nhiễm vào vật chủ. Enzym Neuramidaza bẻ gẫy các cầu nối của glycoprotein và glucolipid trong mô liên kết của tế bào vật chủ giúp cho quá trình giải phóng virut khỏi tế bào. Các virion gây nhiễm vào tế bào vi khuẩn có enzym lysozym thuỷ phân thành màng tế bào vi khuẩn, đây chính là nguyên mà virut phá vỡ tế bào vật chủ và chui ra ngoài [1] [7] . CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH LÍ THUYẾT OHSHIMA CHO HẠT NANÔ XỐP Điện thế và điện tích của các hạt keo đóng vai trò quan trọng trong các hiện tượng điện bề mặt, chẳng hạn như các tương tác tĩnh điện giữa các hạt keo và chuyển động của chúng trong điện trường. Khi hạt keo được đặt trong môi trường điện phân, các ion điện phân tự do có điện tích trái dấu với điện tích bề mặt hạt (counter ion) sẽ tiếp cận bề mặt hạt để trung hoà điện tích ở đây. Song chuyển động nhiệt của các ion này ngăn cản sự tích tụ của chúng nên đã hình thành xung quanh một đám mây ion. Trong đám mây ion đó, nồng độ của ion trái dấu sẽ trở nên nhiều hơn trong khi các ion cùng dấu với bề mặt chất điện phân (coion) lại nhỏ hơn. Đám mây ion đó cùng với điện tích bề mặt tạo thành lớp phân cách điện (electrical double layer). Lớp phân cách điện này gọi là lớp phân cách khuếch tán vì các ion điện phân được phân bố giống như cấu trúc khuếch tán tuân theo chuyển động nhiệt của các ion. Trong các mô hình đang xét, ông chỉ xét đến trường hợp một hạt ở nhân được bao quanh bởi lớp điện phân ở bề mặt mà ion có thể thâm nhập và được gọi là lớp điện tích bề mặt (surface charge layer). Các hạt được bao bọc bởi lớp poly điện phân (polyelectrolyte – coated particle) như vậy được gọi là hạt xốp (soft particle) [12]. Như ta thấy trên hình 2.1 một hạt xốp sẽ trở thành một hạt cứng (hard particle) khi bỏ đi lớp điện tích bề mặt, hay trở thành quả cầu rỗng (spherical polyelectrolyte) của chất điện phân khi bỏ đi hạt nhân. Các hạt xốp trở thành mô hình tốt cho các chất keo sinh học (biocolloid) như tế bào hoặc virut. Trong các trường hợp đó, lớp phân cách điện sẽ được hình thành không chỉ bên ngoài mà cả bên trong của bề mặt hạt. Ngược lại, các hạt mà không có cấu trúc bề mặt và bề mặt của hạt đó được gọi là các hạt cứng và bề mặt cứng tương ứng. 2.1 Phƣơng trình Poisson – Boltzman Xét trường hợp đơn giản của hạt xốp được cấu tạo từ một lõi cứng bao quanh bởi lớp bề mặt lớp điện phân ion có thể thâm nhập được. Tưởng tượng ta có một lớp điện bề mặt dày d bao quanh một mặt phẳng cứng được nhúng trong một dung dịch điện phân có chứa M phân tử ion hoá trị zi và nồng độ khối (mật độ hạt trong một đơn vị thể tích) là 𝑛𝑖∞ (𝑖 = 1,2,3, … . 𝑀). Xét trường hợp các nhóm ion tổng cộng hoá trị Z được phân bố với mật độ đều N trong lớp bề mặt và lõi hạt không mang điện tích. Giả thiết rằng hằng số điện môi 𝜀𝑟 có chung một giá trị ở cả ngoài và trong lớp bề mặt. Chọn trục x vuông góc với lớp bề mặt và gốc x = 0 ở biên giữa lớp bề mặt và môi trường điện phân bên ngoài. Khi đó, lớp bề mặt nằm ở trong vùng –d < x < 0 và dung dịch điện phân ở miền x > 0 như hình 2.2. Mật độ hạt 𝜌𝑒𝑙 (𝑥) của các phần tử ion mang điện tự do liên hệ với điện thế 𝜓(𝑥) bằng phương trình Poisson 𝑑2𝜓 𝑑𝑥2 =− 𝜌 𝑒𝑙 (𝑥) 𝜀𝑟 𝜀0 𝑑2𝜓 𝑑𝑥 2 , =− 𝜌 𝑒𝑙 𝑥 +𝑍𝑒𝑁 𝜀𝑟 𝜀0 0 < 𝑥 < ∞, (2.1) , (2.2) − 𝑑 < 𝑥 < 0. Trong đó 𝜀𝑟 là hằng số điện môi của dung dịch, 𝜀0 là hằng số điện môi của chân không và e là điện tích nguyên tố. Lưu ý rằng vế phải của phương trình 2.2 chứa cả đóng góp của hạt cố định có mật độ 𝜌𝑓𝑖𝑥 = 𝑍𝑒𝑁 trong lớp điện phân. Đồng thời giả thiết là hàm phân bố của các ion điện phân ni(x) tuân theo định luật Boltzman. Do đó ta có 𝑛𝑖 𝑥 = 𝑛𝑖∞ 𝑒𝑥 𝑝 − (a) 𝑧 𝑖 𝑒𝜓 𝑥 𝑘𝑇 . (2.3) (b) 𝑑2𝑦 𝑑𝑥 2 =− ∞ 𝜅2 𝑀 𝑖=1 𝑧 𝑖 𝑛 𝑖 𝑒𝑥𝑝 −𝑧 𝑖 𝑦 𝑀 𝑧 2𝑛 ∞ 𝑖=1 𝑖 𝑖 ; 0 < 𝑥 < +∞, (2.5) Và nồng độ hạt 𝜌𝑒𝑥 (𝑥) tại vị trí x bằng 𝜌𝑒𝑥 = 𝑀 ∞ 𝑖=1 𝑧𝑖 𝑒𝑛𝑖 𝑒𝑥𝑝 − 𝑧 𝑖 𝑒𝜓 (𝑥) 𝑘𝑇 . (2.4) Thế 𝜓(𝑥) tại vị trí x trong miền x > 0 và –d < x < 0 thoả mãn phương trình Possion – Boltzman 𝑑2𝑦 𝑑𝑥 2 =− ∞ 𝜅2 𝑀 𝑖=1 𝑧 𝑖 𝑛 𝑖 𝑒𝑥𝑝 −𝑧 𝑖 𝑦 +𝑍𝑁 𝑀 𝑧 2𝑛 ∞ 𝑖=1 𝑖 𝑖 ; −𝑑 < 𝑥 < 0. (2.5) với 𝑦= 𝜅= 𝑒𝜓 𝑘𝑇 , (2.6) 1 𝜀 𝑟 𝜀 0 𝑘𝑇 𝑀 2 2 ∞ 𝑖=1 𝑧𝑖 𝑒 𝑛𝑖 1/2 . (2.7) Trong đó y là thế chia độ (scaled potential) và 𝜅 là thông số Debye – Huckel của dung dịch. Các điều kiện biên là 𝑑𝜓 = 0, (2.8) 𝜓 −0− = 𝜓 −0+ , (2.9) 𝑑𝑥 𝑥=−𝑑 + 𝑑𝜓 = 𝑑𝜓 , (2.10) 𝜓 𝑥 → 0 𝑘ℎ𝑖 𝑥 → ∞, (2.11) 𝑑𝑥 𝑥=−0− 𝑑𝑥 𝑥=−0+ 𝑑𝜓 (𝑥) 𝑑𝑥 → 0 𝑘ℎ𝑖 𝑥 → ∞, (2.12) Phương trình 2.9 tương ứng với trường hợp lõi hạt không mang điện. Trong trường hợp đặc biệt, khi chất điện phân đối xứng (khi các ion đều có hoá trị nhau) có hoá trị z và nồng độ n, ta có 𝑑2𝜓 = 𝑑𝑥 2 𝑑2𝜓 = 𝑑𝑥2 2𝑧𝑛𝑒 2𝑧𝑛𝑒 𝜀𝑟 𝜀0 𝑠𝑖𝑛ℎ 𝜀𝑟 𝜀0 𝑠𝑖𝑛ℎ 𝑧𝑒𝜓 − 𝑘𝑇 𝑧𝑒𝜓 𝑘𝑇 𝑍𝑒𝑁 𝜀𝑟 𝜀0 ; ; 𝑥 > 0, −𝑑 < 𝑥 < 0. (2.13) (2.14) hoặc 𝑑2𝑦 𝑑𝑥 2 𝑑2𝑦 𝑑𝑥 2 = 𝜅 2 𝑠𝑖𝑛ℎ𝑦; = 𝜅 2 𝑠𝑖𝑛ℎ𝑦 − 𝑍𝑁 2𝑧𝑛 ; 𝑥 > 0, (2.15) −𝑑 < 𝑥 < 0. (2.16) Với 𝑦= 𝑧𝑒𝜓 𝜅= 𝑘𝑇 , (2.17) 𝑧 2𝑒 2𝑛 1/2 . 𝜀 𝑟 𝜀 0 𝑘𝑇 (2.18) trong đó y là thế chia độ (scaled potential) và 𝜅 là thông số Debye – Huckel của dung dịch điện phân đối xứng. 2.2 Thế Donnan Nếu bề dày của lớp mặt d lớn hơn độ dài Debye 1 𝜅 khi đó điện thế ở sâu bên trong lớp bề mặt trở thành thế Donnan 𝜓𝐷𝑂𝑁 . Ta có thể thu được thế này bằng cách cho vế phải của phương trình 2.15 và 2.17 bằng không, tức là 𝜓𝐷𝑂𝑁 = 𝑘𝑇 𝑧𝑒 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛ℎ 𝜓𝐷𝑂𝑁 = 𝑘𝑇 𝑧𝑒 𝑙𝑛 𝑍𝑁 2𝑧𝑛 𝑍𝑁 2𝑧𝑛 , + (2.19) 𝑍𝑁 2 2𝑧𝑛 1/2 +1 Phương trình 2.16 có thể viết lại theo thế Donnan 𝜓𝐷𝑂𝑁 thành . (2.20)
- Xem thêm -