Nghiên cứu mô hình Vật lý của Virut

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 47
Tài liệu tham khảo 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 CaCl
2
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 CaCl
2
(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
(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 1.1: Kích thước và hình thái của một số virut điển hình





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






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


Hình 1.3: Cấu trúc đối xứng dạng khối đa diện



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.
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

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] .

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.

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


Hình 1. 5: Cấu tạo virut có vỏ ngoài


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 T
4
ở
E.coli, đuôi của chúng cũng có cấu trúc tổng hợp từ 20 protein tách rời và đầu T
4

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 z
i
và nồng độ khối (mật độ hạt trong một
đơn vị thể tích) là 


∞
(= 1,2,3, . ). 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 

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 

() của các phần tử ion mang điện tự do liên hệ với điện thế ()
bằng phương trình Poisson

2


2

= 


()



0
, 0 < < ∞, (2.1)

2


2
= 





+



0
, < < 0. (2.2)
Trong đó 

là hằng số điện môi của dung dịch, 
0

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 

=  trong lớp điện phân. Đồng thời giả
thiết là hàm phân bố của các ion điện phân n
i
(x) tuân theo định luật Boltzman. Do
đó ta có





= 

∞











. (2.3)

(a)







2


2
= 

2





∞








=1



2


∞
=1
; 0 < < +∞, (2.5)

Và nồng độ hạt 

() tại vị trí x bằng


=





∞






()



=1
. (2.4)
Thế () tại vị trí x trong miền x > 0 và –d < x < 0 thoả mãn phương trình Possion
– Boltzman

2


2
= 

2





∞








=1
+



2


∞
=1
; < < 0. (2.5)
với
=


, (2.6)
=

1



0




2

2



∞
=1

1/2
. (2.7)
Trong đó y là thế chia độ (scaled potential) và  là thông số Debye – Huckel của
dung dịch. Các điều kiện biên là




=
+
= 0, (2.8)


0


= 

0
+

, (2.9)





=0

=




=0
+
, (2.10)




0  ∞, (2.11)
(b)
()

0  ∞, (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

2


2
=
2




0





; > 0, (2.13)

2


2
=
2



0











0
; < < 0. (2.14)
hoặc

2


2
= 
2
; > 0, (2.15)

2


2
= 
2



2

; < < 0. (2.16)
Với
=


, (2.17)

=


2

2




0


1/2
. (2.18)
trong đó y là thế chia độ (scaled potential) và  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


khi đó điện thế ở sâu
bên trong lớp bề mặt trở thành thế Donnan 

. Ta có thể thu được thế này bằng
cách cho vế phải của phương trình 2.15 và 2.17 bằng không, tức là


=








2

, (2.19)


=







2
+


2

2
+ 1

1/2


. (2.20)
Phương trình 2.16 có thể viết lại theo thế Donnan 

thành

2


2
=
2



0











; < < 0. (2.21)
Khi



1, phương trình 2.22 cho ta thế Donnan bị tuyến tính hoá như sau


=

2
2

=




0

2
. (2.22)
Hơn nữa, chúng ta gọi 
0
(0) là thế ở biên giữa lớp bề mặt và dung dịch điện
phân xung quanh, thế bề mặt của lớp điện phân.
Xét trường hợp đơn giản khi () thấp, phương trình 2.14 và 2.15 có thể bị
tuyến tính hoá thành

2


2
= 

2
; > 0, (2.23)

2


2
= 
2



2
2


; < < 0. (2.24)
Nghiệm của phương trình 2.24 và 2.25 thoả mãn điều kiện biên từ phương trình 2.9
đến 2.13 là




=

4
2


1 

2



; > 0, (2.25)




=

2
2


1 


+
(+2)
2

; < < 0. (2.26)
Và thế bề mặt 
0
(0) thu được bằng





=

4
2


1 
2

=

2


0

2

1 
2

. (2.27)
Lưu ý khi 1, thế sâu bên trong lõi bề mặt tiến đến thế Donnan bị tuyến tính
hoá (phương trình 2.23), và bằng











=

2
2

=




0

2
. (2.28)
Và thế bề mặt 
0
(phương trình 2.28) bằng một nửa thế Donnan

0
=


2
=

4

2

=

2


0

2
. (2.29)
Đối với trường hợp tính toán cho thế bất kì, tham khảo thêm trong [21].

2.3 Độ linh động điện chuyển của hạt nano xốp
Trong mục này ta xét đến lí thuyết tổng quát về tính chất điện chuyển của
các hạt xốp và biểu biễn giải thích gần đúng cho độ linh động của hạt xốp.
Xét một hạt xốp hình cầu, tức là một hạt cầu mang điện được bao bọc bởi
một lớp điện phân ion có thể xâm nhập được, chuyển động với vận tốc 



trong chất
lỏng có chứa chất điện phân và chịu tác dụng của điện trường ngoài 


. Giả thiết
rằng hạt nhân có bán kính a được phủ bên ngoài lớp điện phân ion có thể xâm nhập
dày d và các gốc ion hoá trị Z được phân bố trong lớp điện phân với mật độ đồng
nhất N. Lớp điện phân được tích điện với mật độ không đổi 


= . Vì vậy hạt
xốp ta xét có bán kính trong a và bán kính ngoài = +  (hình 2.3)












Xét gốc của hệ toạ độ cầu (r, θ, ψ) đặt cố định ở tâm của lõi hạt và trục cực
(θ = 0) được đặt song song với 


. Xét bài toán chất điện phân có chứa N phần tử
ion tự do hoá trị z
i
, nồng độ khối (mật độ số hạt) 

∞
, và thông số nhớt 

của phần
tử thứ i liên quan đến độ dẫn điện giới hạn của các phần tử ion theo hệ thức



=



2




Λ

0
. (2.30)
trong đó 

là số Avogadro. Sử dụng mô hình Debye – Bueche [18], mà trong đó
các đoạn polyme được xem như là các thành phần cản trở nằm rải rác trong lớp poly
điện phân sẽ làm tăng lực ma sát lên các chất lỏng chảy trong lớp đó. Sau đây là lí
thuyết tổng quát của tính chất điện chuyển của các hạt xốp [12] .

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).
Phương trình điện động cơ bản cho chất lỏng có vận tốc 


() ở vị trí  tương ứng so
với hạt












 



∞

và cho vận tốc 

của phần tử thứ i là như
nhau khi các phần tử đó là các khối cầu cứng. Phương trình Navier – Stokes cho
vận tốc 


() sẽ khác đi cho miền bên ngoài và bên trong lớp bề mặt

19

, tức là
× × 


+ + 


= 0; > , (2.31)
× × 


+ 


+ + 

= 0; < < . (2.32)
Trong hai phương trình trên, phương trình 2.32 là phương trình Navier – Stokes
bình thường. Thành phần 


ở vế trái của phương trình 2.33 biểu diễn cho các lực
ma sát tăng trong dòng chất lỏng bởi các đoạn polymer trong lớp poly điện phân và
 là hệ số ma sát. Nếu ta giả thiết là mỗi một yếu tố cản trở tương ứng với một đoạn
polymer được xem như một quả cầu bán kính a
p
và các đoạn polymer được phân bố
với mật độ khối như nhau N
p
trong lớp poly điện phân thì mỗi đoạn polymer đó sẽ
làm tăng thêm một thành phần cản trở Stokes 6




lên dòng chất lỏng trong lớp

poly điện phân, nên
= 6



. (2.33)
Tương tự, phương trình Poisson liên hệ với mật độ điện 

() do các phần tử ion
mang điện tự do gây ra và điện thế () cũng khác nhau trong các miền khác nhau
Δ



= 


(

)



0
; > , (2.34)
Δ



= 







+



0
; < < . (2.35)
Đối với trường điện 


nhỏ, phương trình điện động 2.32 và 2.33 được tuyến tính
hoá bằng
× × × 


=



× 

(0)
, > 

=1

(2.36)
× × × 


+ × 


=



× 

(0)
; < < .

=1
(2.37)
Và




(0)




1





(0)



= 0. (2.38)
trong đó 


0

() là nồng độ cân bằng (mật độ hạt) của các phần tử ion thứ i
(

(0)


(∞)
) và 


0




à 



0




tương ứng là vi phân của 


0

() và của thế
điện hoá học 


0




của các phần tử ion thứ i do điện trường ngoài 


gây ra.
Xét đến sự đối xứng ta có thể viết







=


2





,
1









, 0

. (2.39)



0





= 






. (2.40)
Trong đó =





. Các phương trình điện động cơ bản có thể chuyển thành dạng
các phương trình cho h(r) và 

() như sau




= 



, >  , (2.41)




2


= 



, < < , (2.42)


=









2





. (2.43)
Với

=




1/2
, (2.44)
=


1

2



2
=

2

2
+
2




2


2
, (2.45)




= 







2


∞







=1
, (2.46)
trong đó, =

0


là thế cân bằng tỉ lệ ở bên ngoài lõi hạt và giá trị
1

gọi là độ xốp
điện chuyển.
Các điều kiện biên của 





, 







, 






như sau:
 






và  





liên tục tại  = ,




, 

= 


+
, 

, (2.47)

(,)


=


=

(,)


=
+
, (2.48)

(,)


=

=

(,)


=
+
, khi (2.49)
Trong đó sự liên tục của  





là do giả thiết rằng hằng số điện môi 


có cùng
giá trị với bên trong và bên ngoài lớp poly điện phân.



=



, 

, 0

= 0


tại = , (2.50)



=

, , 0

khi ∞. (2.51)
 Thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến của 


liên tục tại = 



(

) = 

(
+
), (2.52)


(

) = 

(
+
). (2.53)
 Thành phần tiếp tuyến và pháp tuyến và tensor ứng suất (stress tensor)


tổng của ứng suất thuỷ động lực 

và ứng suất Maxwell 

liên tục tại = .
Từ sự liên tục của  



, thành phần tiếp tuyến và pháp tuyến của 


liên tục
tại = . Do đó, thành phần tiếp tuyến và pháp tuyến của 

phải liên tục tại = 
khiến cho áp suất 



là liên
tục tại = .
 Các ion điện phân không thể xâm nhập vào lõi, tức là


. 


|
=
= 0, (2.54)
trong đó 


là pháp tuyến đơn vị hướng ra ngoài bề mặt lõi hạt.
 Trạng thái ổn định, lực mạng tác dụng lên hạt (gồm một hạt ở lõi và lớp
poly điện phân) hay một thể tích hay một thể tích bất kì gần hạt phải bằng không.
Xét một quả cầu lớn S bán kính r chứa hạt. Bán kính r được xét đủ lớn để điện tích
điện mạng nằm trong S là hằng số, tức là




=




















= 0, ∞. (2.55)
trong đó tích phân được lấy trên toàn bộ bề mặt cầu S.
Độ linh động điện chuyển =


(trong đó =







) có thể được tính từ
= 2 lim
∞
()

. (2.56)
được kết quả là

19

.