NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA VIRUT (LUẬN VĂN THẠC SĨ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------o0o-------------

Bùi Thị Lệ Quyên

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


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.

Hình 1.1: Kích thước và hình thái của một số virut điển hình

- 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 1.2: 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 anticytokin...[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

. 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.

Hard particle

soft particle

(hạt cứng)

(hạt xốp)

spherical polyelectrolyte
(quả cầu rỗng)

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

Mật độ hạt

của các phần tử ion mang điện tự do liên hệ với điện thế

bằng phương trình Poisson


(2.1)
.
Trong đó

là hằng số điện môi của dung dịch,

(2.2)

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 ni(x) tuân theo
định luật Boltzman. Do đó ta có
(

)

(2.3)

(a)

(b)
∑

(2.5)

∑

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.


Và nồng độ hạt

tại vị trí x bằng
∑

Thế

(

).

(2.4)

tại vị trí x trong miền x > 0 và –d < x < 0 thoả mãn phương trình

Possion – Boltzman
∑

.

∑

(2.5)

với
(2.6)
∑

(

)

Trong đó y là thế chia độ (scaled potential) và

.

(2.7)

là thông số Debye – Huckel

của dung dịch. Các điều kiện biên là
|

|

= ,

=

(2.8)

|

,

(2.9)

,

(2.10)
(2.11)
(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
(

)

(2.13)


(

)

(2.14)

hoặc
,
(

(2.15)

)

(2.16)

Với
,

(2.17)

(

)

.

(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 ⁄ 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
( )

(

( )

0

{(

)

(2.19)
)

}

Phương trình 2.16 có thể viết lại theo thế Donnan
(
Khi

)

(

)

1.

(2.20)
thành
2.21)

, phương trình 2.22 cho ta thế Donnan bị tuyến tính hoá như sau


(2.22)
Hơn nữa, chúng ta gọi

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
(2.23)
(

)

(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
(2.25)
,
Và thế bề mặt

-

(2.26)

thu được bằng
(2.27)

Lưu ý khi

, thế sâu bên trong lõi bề mặt tiến đến thế Donnan bị tuyến

tính hoá (phương trình 2.23), và bằng
(2.28)
Và thế bề mặt

(phương trình 2.28) bằng một nửa thế Donnan
.

Đối với trường hợp tính toán cho thế bất kì, tham khảo thêm trong [21].

(2.29)

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
ngoài

. Vì vậy hạt xốp ta xét có bán kính trong a và bán kính
(hình 2.3)

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).

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 zi, nồng độ khối (mật độ số hạt)

, và thông số nhớt