Luận văn Nghiên cứu và mô phỏng bài toán về tĩnh điện của phân tử adn trong dung dịch muối ion 2+

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu và mô phỏng bài toán về tĩnh điện của phân tử adn trong dung dịch muối ion 2+

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN THÙY NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VỀ TĨNH ĐIỆN CỦA PHÂN TỬ ADN TRONG DUNG DỊCH MUỐI ION 2+. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN THÙY NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VỀ TĨNH ĐIỆN CỦA PHÂN TỬ ADN TRONG DUNG DỊCH MUỐI ION 2+. Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và vật lí toán Mã số: 60 44 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THẾ TOÀN Hà Nội – 2015
3. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn “Nghiên cứu và mô phỏng bài toán về tĩnh điện của phân tử ADN trong dung dịch muối ion 2+ ”, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thế Toàn – Giảng viên Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, trang bị những kiến thức cơ bản và động viên trong suốt quá trình em thực hiện luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thày cô giáo trong bộ môn Vật lý lý thuyết – Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã trang bị những kiến thức chuyên môn cần thiết và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện của ban chủ nhiệm khoa Vật Lí, phòng Sau Đại học trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn quỹ Nafosted đề tài số 103.02-2012.75 đã tài trợ kinh phí để giúp em hoàn thành nghiên cứu này. Cuối cùng em xin gửi những lời cảm ơn tới gia đình, cơ quan và các bạn bè đã luôn sát cánh, giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình em học tập và hoàn thành luận văn. Hà Nội, tháng 6 năm 2015 Học viên thực hiện Nguyễn Văn Thùy
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU............................................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1- MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA PHÂN TỬ ADN, VIRUS VÀ BÀI TOÁN PHÓNG ADN RA KHỎI VIRUS ....................................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về ADN ...................................................................................................................... 4 1.1.1. Cấu trúc hóa học của phân tử ADN .................................................................................. 4 1.1.2. Cấu trúc không gian của phân tử ADN ............................................................................. 7 1.2.Tổng quan về virus ........................................................................................................................ 9 1.2.1.Cấu trúc cơ bản của virus ................................................................................................... 9 1.2.2.Chu kì sống của virus ....................................................................................................... 11 1.3. Bài toán phóng ADN ra khỏi virus ............................................................................................ 12 CHƢƠNG 2-CÁC LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN CHO DUNG DỊCH ................................................ 18 2.1. Phƣơng trình trƣờng trung bình Poisson-Boltzmann và lý thuyết tĩnh điện Debye-Huckel. ..... 18 2.1.1. Phƣơng trình Poisson-Boltzmann ................................................................................... 18 2.1.3. Tuyến tính hóa phƣơng trình Poison – Boltzmann (PB) – Phƣơng trình Debye – Huckel (DH). ..20 2.1.4. Áp dụng phƣơng trình Debyle-Huckel để tính thế năng quanh một hình trụ tích điện. .. 23 2.2. Lý thuyết tĩnh điện tƣơng quan mạnh và sự đảo dấu điện tích bởi các phản ion đa hóa trị ....... 24 CHƢƠNG 3-PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO ..................................................... 29 3.1. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo và thuật toán Metropolis ................................................ 29 3.1.1. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo ............................................................................. 29 3.1.2. Điều kiện cân bằng chi tiết .............................................................................................. 32 3.1.3. Thuật toán Metropolis ..................................................................................................... 33 3.2. Lý thuyết mô phỏng Monte Carlo hệ vĩ chính tắc ...................................................................... 35 3.3. Cách tính áp suất và năng lƣợng tự do bằng phƣơng pháp tập hợp thống kê mở rộng .............. 38 CHƢƠNG 4- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG HỆ ADN ........................ 40 4.1. Lý thuyết đảo dấu điện tích áp dụng cho bài toán phóng ADN ra khỏi virus ............................ 41 4.1.1. Lý thuyết tính toán số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus .................................................. 41 4.1.2.Kết quả việc khớp lý thuyết với số liệu thực nghiệm của việc phóng ADN ra khỏi virus.. ...44 4.2. Mô phỏng hệ ADN ..................................................................................................................... 46 4.2.1 Mô hình hệ ADN .............................................................................................................. 46 4.2.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................................................... 50
5. 4.2.2.1.Sự đảo dấu điện tích ADN bởi các phản ion đa hóa trị ................................................. 50 4.2.2.2. Tƣơng tác hiệu dụng giữa ADN và ADN khi có mặt phản ion ở dung dịch và năng lƣợng tự do của quá trình gói ADN vào trong virus. ............................................................ 52 KẾT LUẬN ....................................................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................. 58 PHỤ LỤC .......................................................................................................................................... 63
6. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc 4 loại base của phân tử ADN Hình 1.2. Cấu trúc hóa học của phân tử ADN Hình 1.3. Cấu trúc xoắn kép của ADN Hình 1.4. Một số cấu trúc dạng xoắn của ADN Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của virus Hình 1.6. Đối xứng icosahedron của vỏ virus CCMV Hình 1.7. Cấu trúc đối xứng của virus Hình 1.8. Chu kì sống điển hình của virus Hình 1.9. Phần trăm số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc nồng độ P.E.G Hình 1.10. Đồ thị biểu diễn phần trăm số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc áp suất thẩm thấu (tỉ lệ với nồng độ P.E.G) Hình 1.11. Đồ thị biểu diễn phần trăm số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc nồng độ muối Na+ tại áp suất thẩm thấu 3.5 atm. Hình 1.12. Đồ thị biểu diễn phần trăm số lƣợng ADN phóng ra khỏi virus phụ thuộc nồng độ muối ion đa trị. Hình 3.1. Giản đồ phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo Hình 4.1. Mô hình phân tử ADN bên trong vỏ virus Hình 4.2. Mô hình cấu trúc mạng ADN Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn áp suất thẩm thấu phụ thuộc khoảng cách giữa các ADN với các nồng độ muối 2+ khác nhau.
7. Hình 4.4. Đồ thị biểu diễn áp suất thẩm thấu phụ thuộc khoảng cách giữa các ADN với các nồng độ muối ion 2+ khác nhau. Hình 4.5. Đồ thị biểu diễn năng lƣợng đóng gói ADN phụ thuộc nồng độ muối ion 2+ . Bảng 1. Thế hóa của hệ muối 2+ và 1+
8. BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT STT Viết tắt Cụm từ viết tắt 1 ADN Axit deoxyribonucleic 2 ARN Axit ribonucleic 3 CCMV Cowpea Chlorotic Mottle Virus 4 DH Debye-Huckel 5 DMC Dynamic Monte Carlo 6 DSMC Direct simulation Monte Carlo 7 IF Impact factor 8 KMC Kinietec Monte Carlo 9 MC Monte Carlo 10 PB Poisson-Boltzmann 11 P.E.G Poly ethylene glycol 12 QMC Quantum Monte Carlo
9. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài ADN đƣợc biết đến là một phân tử axit nucleic mang thông tin di truyền mã hóa cho mọi hoạt động sinh trƣởng và phát triển của các dạng sống bao gồm cả virus. Trong các cơ thể sống ADN có thể đƣợc tìm thấy trong nhân tế bào hoặc trong tế bào chất. Tại đó, ADN tham gia vào các quá trình tổng hợp, điều tiết số lƣợng protein, sinh trƣởng phát triển và hoạt động di truyền qua các thế hệ. Chính vì vậy, ADN (axit deoxyribonucleic ) đóng vai trò quan trọng trong mọi hoạt động của các cơ thể sống và một trong những lĩnh vực quan trọng của nghiên cứu ADN hiện nay là di truyền học và y học. Với việc khám phá ra những đặc tính của ADN sẽ giúp chúng ta có khả năng phát hiện những gene hỏng giúp chuẩn đoán, điều trị bệnh sớm hơn và có thể tìm ra đƣợc những phƣơng pháp điều trị mới hiệu quả hơn bằng cách thay thế hoặc sửa chữa những gene hỏng đó. Lĩnh vực trị liệu gene này đang phát triển với một tốc độ nhanh chóng đòi hỏi nghiên cứu khoa học từ nhiều khía cạnh: sinh học, vật lý, hóa học và toán tin học. Một trong những phƣơng pháp đang đƣợc quan tâm đó là việc đƣa gene vào tế bào bằng cách sử dụng các virus chứa ADN. Trong phƣơng pháp này ngƣời ta có thể đƣa phân tử ADN chứa gene vào trong vỏ virus rồi sử dụng các cơ chế thâm nhập của virus để đƣa gene vào tế bào cần thay đổi gene. Trong môi trƣờng nƣớc, ADN là 1 phân tử tích điện âm mạnh. Do đó các tƣơng tác tĩnh điện đóng vai trò quan trọng trong các cấu trúc, chức năng của ADN. Tƣơng tác tĩnh điện cũng là một trong các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phóng ADN ra khỏi virus và xâm nhập vào tế bào. Cụ thể là khi thay đổi nồng độ của muối ion đa trị có trong môi trƣờng dung dịch, có một nồng độ phản ion 2+ tối ƣu có thể hạn chế tối đa việc phóng ADN ra khỏi virus. Các nồng độ phản ion 2+ cao hơn hoặc thấp hơn nồng độ tối ƣu thì phân tử ADN muốn đƣợc giải phóng ra khỏi virus nhiều hơn. Thực tế là các phản ion 2+ có ảnh hƣởng mạnh nhƣ vậy tới quá trình 1
10. phóng ADN là rất không tầm thƣờng. Thực nghiệm cho thấy các ion 2+ không thể ngƣng tụ hoặc chỉ ngƣng tụ một phần các ADN. Nhƣng đối với ADN đóng gói trong vỏ virus thì ion 2+ có ảnh hƣởng rất mạnh. Chính vì môi trƣờng rất cá biệt ADN trong virus ở đó ADN đƣợc đƣa sẵn vào trong bởi một protein động cơ nên muối ion 2+ mới có thể phát huy tối đa ảnh hƣởng của chúng. Với mong muốn nghiên cứu sự ảnh hƣởng của một số hiệu ứng tĩnh điện lên phân tử ADN và đƣa ra kết quả ảnh hƣởng của muối ion 2+ lên quá trình phóng ADN ra khỏi virus phục vụ cho nghiên cứu y học và di truyền học là lý do tác giả chọn đề tài “ Nghiên cứu và mô phỏng bài toán về tĩnh điện của phân tử ADN trong dung dịch muối ion 2+ ”. 2. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong bài toán phóng ADN ra khỏi virus, chúng tôi sẽ tập trung xem xét ảnh hƣởng của muối 2+ lên tƣơng tác hiệu dụng giữa giữa các phân tử ADN. Chúng tôi sử dụng 2 phƣơng pháp khác nhau để nghiên cứu tƣơng tác hiệu dụng này. Đó là: 1. Phƣơng pháp giải tích dùng lý thuyết tĩnh điện tƣơng quan mạnh. 2. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo cho hệ vĩ chính tắc 3. Bố cục của luận văn Ngoài phần mục lục và mở đầu, nội dung chính của luận văn gồm: Chương 1.Một số tính chất vật lý của phân tử ADN, Virus và bài toán phóng ADN ra khỏi virus Nội dung của chƣơng 1 luận văn trình bày trình bày cấu trúc hóa học của ADN, cấu trúc cơ bản của virus và giới thiệu về bài toán phóng ADN ra khỏi virus. Chương 2. Các lý thuyết tĩnh điện cho dung dịch Trong chƣơng 2, chúng tôi giới thiệu về lý thuyết tĩnh điện của dung dịch và PE, thiết lập phƣơng trình trƣờng trung bình tự hợp (phƣơng trình Poisson – Boltzmann) và giải phƣơng trình Debye – Huckel cho trƣờng hợp dây ADN đƣợc 2