NGHIÊN cứu cấu TRÚC của AMYLOID BETA 42 và AMYLOID BETA 40 TRONG TRẠNG THÁI cân BẰNG sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP mô PHỎNG ĐỘNG lực học PHÂN tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG
--------------------------------

VŨ THỊ HUYỀN VY

SEMINAR TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA AMYLOID
BETA 42 VÀ AMYLOID BETA 40 TRONG
TRẠNG THÁI CÂN BẰNG SỬ DỤNG PHƯƠNG
PHÁP MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ

Người hướng dẫn khoa học: Th.S Trần Thị Minh Thư

---------------------------------TP HỒ CHÍ MINH – 2018


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp là mốc để đánh dấu sự kết thúc của quá trình học tập trên giảng
đường đại học và là bước khởi đầu làm quen với công việc nghiên cứu khoa học. Để
hoàn thành tốt đồ án khơng chỉ địi hỏi sự nổ lực, cố gắng của bản thân mà còn cần
đến sự động viên của gia đình, bạn bè và sự tận tình giúp đỡ của các Thầy Cô, giảng
viên hướng dẫn.
Trước tiên em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến q Thầy Cơ khoa Khoa Học
Vật Liệu - Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia Thành phố

Hồ Chí Minh. Thầy Cô là người đã truyền đạt những kiến thức quý báu tạo hành
trang vững chắc để em bước vào cuộc đời.
Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Th.S Trần
Thị Minh Thư. Cô là giảng viên đã trực tiếp hướng dẫn, nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ,
giải đáp thắc mắc và truyền đạt lại những kiến thức chuyên môn sâu rộng cho em. Cô
luôn đưa ra những lời nhận xét và ý kiến bổ ích, cũng như ln theo sát tiến độ thực
hiện đề tài nghiên cứu đạt kết quả tốt nhất.
Cuối cùng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và những người thân
ln động viên, khích lệ và là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho em trong quá trình
học tập và nghiên cứu.
Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã tiếp thu thêm rất nhiều kiến thức
bổ ích cho bản thân mình. Tuy nhiên, do khả năng và cơ sở máy móc cịn hạn chế
nên em vẫn cịn mắc nhiều thiếu sót và khuyết điểm. Em kính mong nhận được sự
góp ý của Q Thầy Cơ và các bạn để hoàn chỉnh đồ án này hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

TPHCM, ngày 28, tháng 6, năm 2017.


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................v
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................... vi
DANH SÁCH BẢNG................................................................................................ vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................3
1.1 Bệnh Alzheimer ...................................................................................................3
1.2 Amyloid beta (Aβ) ..............................................................................................6

1.3 Amyloid beta và bệnh Alzheimer........................................................................8
Chương 2: CẤU TRÚC CỦA PROTEIN ................................................................10
2.1 Protein trong cơ thể ...........................................................................................10
2.2 Cấu trúc bậc một của protein.............................................................................10
2.3 Cấu trúc bậc hai của protein ..............................................................................11
2.3.1 Xoắn α helix .......................................................................................................11
2.3.2 Phiến β ................................................................................................................12
2.3.3 Turn ....................................................................................................................12
2.4 Cấu trúc bậc ba và bậc bốn của protein .............................................................13
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN TỬ ........14
3.1 trường lực cổ điển trong mơ phỏng sinh học ....................................................14
3.2 Tích phân phương trình chuyển động ...............................................................15
3.3 Điều kiện ban đầu ..............................................................................................16
3.4 Cân bằng nhiệt độ, áp suất ................................................................................16
3.5 Các ràng buộc holonomic ..................................................................................17
3.6 Các mơ hình nước trong mơ phỏng sinh học ....................................................18
3.7 Phương pháp replica exchange ..........................................................................18

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

iii


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

Chương 4: BÀI TỐN MƠ PHỎNG VÀ CƠNG CỤ PHÂN TÍCH ....................20
4.1 Cấu trúc ban đầu ................................................................................................20
4.2 Phương pháp mô phỏng trong bài tốn .............................................................20

4.3 Các cơng cụ phân tích dữ liệu ...........................................................................21
Chương 5: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ........................................................................23
5.1 Tính ổn định của hệ mô phỏng ..........................................................................23
5.2 Cấu trúc bậc 2 của Aβ1-40 và Aβ1-42 ..............................................................25
5.3 Phân bố cầu muối của Aβ1-40 và Aβ1-42 ........................................................27
5.4 Bề mặt năng lượng tự do của Aβ1-40 và Aβ1-42 .............................................29
KẾT LUẬN ................................................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................32

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

iv


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Aβ

Amyloid Beta

AD

Alzheimer’s Disease

AICD

APP Intracellular Domain

APP

Amyloid Precursor Protein

BACE1

β-site APP cleaving enzyme

dPCA

Dihedral Principal Component Analysis

GB

Generalized Born

MD

Molecular Dynamics

NFT

Neurofibrillary Tangles

PDB

Protein Data Bank

REMD

Replica Exchange Molecular Dynamics

RMSD

Root Mean Square Deviation

sAPPβ

Secreted Amyloid Precursor Protein-β

SB

Salt Bridge

Th-T

Thioflavin-T

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

v


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Dấu hiệu bệnh lí của Alzheimer ....................................................................6

Hình 1.2: Quá trình cắt của APP ...................................................................................6
Hình 3.1: Cấu trúc α helix, ..........................................................................................11
Hình 3.2: Minh họa β turn ...........................................................................................15
Hình 4.1: Cấu trúc Aβ1-42 ban đầu ............................................................................20
Hình 5.1: (Phần trên) Thay đổi theo thời gian của Cα-RMSD tại 300K. (Phần dưới)
Lượng β, α, turn và coil ở 2 khoảng thời gian [210-700] và [210-1000] ns
tại 300K của Aβ1-42. ..................................................................................24
Hình 5.2: Phân bố cấu trúc bậc 2 của Aβ1-40 và Aβ1-42 tại 300k ............................25
Hình 5.3: Phân bố khoảng cách cầu muối Asp23-Lys28 của Aβ40 và Aβ42 .............27
Hình 5.4: Phân bố khoảng cách d-alpha 23-28 của Aβ1-40 và Aβ1-42 ở 300k .........28
Hình 5.5: Bề mặt năng lượng tự do của Aβ1-40 và Aβ1-42 .......................................29

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

vi


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1 Góc nhị diện, độ dài trên một residue của một số cấu trúc bậc hai .............12
Bảng 5.1 Thành phần phẩn trăm cấu trúc của Aβ1-42 và Aβ1-40..............................26
Bảng 5.2 Các cấu trúc đặc trưng (S) biểu diễn các vùng lớn trên bề mặt năng lượng tự
do của Aβ1-40 và Aβ1-42 ............................................................................30

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

vii


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

MỞ ĐẦU
Bệnh Alzheimer’s (AD) là một bệnh lý về não tác động đến trí nhớ, suy nghĩ và
hành vi. Đây là một bệnh thối hóa thần kinh mãn tính thường bắt đầu chậm và xấu
đi theo thời gian. Hội chứng suy giảm trí nhớ là thuật ngữ tổng quát về việc mất trí
nhớ và các khả năng tư duy nghiêm trọng đến nỗi gây trở ngại cho cuộc sống thường
ngày.
Bệnh Alzheimer chiếm khoảng từ 60% đến 80% trong những bệnh làm suy giảm
trí nhớ. Dấu hiệu bệnh lý thần kinh vi mơ của AD bao gồm suy giảm số lượng
synapse và neuron, khớp nối thần kinh bị phá hủy, các đám rối sợi thần kinh gồm các
protein tau bị siêu phosphoryl hóa và mảng Amyloid beta (Aβ) tạo bởi sợi Aβ. Tuy
nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy các dạng tích tụ Aβ khi chưa hình thành
mảng bám Aβ ngoại bào khởi phát bệnh Alzheimer trước những dấu hiệu lâm sàng
của AD [1]. Ngoài ra, người ta chứng minh rằng khi ngăn chặn q trình tích tụ Aβ142 cũng làm chậm sự phá hủy vi ống tế bào gây bởi các protein tau bị siêu
phosphoryl hóa [2]. Các kết quả này cho thấy peptide Aβ đóng vai trị quan trọng
trong cơ chế gây bệnh Alzheimer. Giả thuyết amyloid cho rằng việc tích tụ amyloid
là nguyên nhân gây bệnh Alzheimer, các dạng tích tụ này khơng chỉ là dạng sợi Aβ
mà cịn là những dạng polymer khơng có cấu trúc xác định như tiền sợi (protofibril)
và đặc biệt là oligomer [3]. Các multimer này phá hủy kênh ion của tế bào, dẫn tới
kích hoạt q trình tiêu diệt tế bào thần kinh [4]. Vì vậy, cơ chế cũng như đặc điểm
của quá trình tích tụ Aβ từ dạng peptide thành các cấu trúc phức tạp hơn như
oligomer đóng vai trị quan trọng nhằm ngăn chặn quá trình tiến triển của AD.
Aβ là sản phẩm của quá trình phân rã protein APP bằng các enzyme β và γ tạo
thành các peptide Aβ với độ dài khác nhau. Trong số các dạng biến thể của Aβ, Aβ140 và Aβ1-42 chiếm số lượng nhiều nhất trong não. Với hai amino acid nhiều hơn ở
đuôi C, Aβ1-42 được chứng minh là thành phần gây độc chủ yếu lên tế bào thần kinh

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

1


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

và khả năng tích tụ nhanh hơn nhiều Aβ1-40. Aβ1-42 có khả năng kết tụ với tốc độ
nhanh hơn khoảng 1000 lần và độc tính lớn hơn nhiều so với Aβ1-40 [5],
oligomerAβ42 cũng có kích thước lớn hơn của Aβ40. Aβ1-40 và Aβ1-42 oligomer
hóa theo hai con đường khác nhau: Aβ40 tích tụ dưới dạng dimer, trimer và tetramer,
trong khi Aβ42 có xu hướng hình thành các đơn vị pentamer/hexamer và phát triển
lên thành những oligomer lớn hơn như dodecamer và octadecamer [9].
Bằng nghiên cứu đuôi C với các độ dài khác nhau, người ta xác định Ile41 và
Ala42 làm tăng đáng kể tỉ lệ kết tụ Aβ1-42. [10]
Chúng tôi tiến hành thí nghiệm mơ phỏng để so sánh các cấu trúc và khả năng tích
tụ của Aβ1-40 và Aβ1-42. Bằng mơ phỏng replica exchange (REMD) và trường lực
OPLS-AA/L với mơ hình nước khơng tường minh theo mơ hình Born tổng qt
(GB).
Các kết quả về hai residue Ile41, Ala42 của Aβ42 của chúng tơi cung cấp cái nhìn
rõ hơn về cơ chế của sự khác biệt giữa hai dạng Aβ40 và Aβ42. Vì hai dạng này có
vai trị khác nhau trong cơ chế gây bệnh Alzheimer bởi Aβ, kết quả về nghiên cứu
cho ta hiểu rõ bản chất, cơ chế gây bệnh từ đó đưa ra các cách tiếp cận và điều trị
hiệu quả bệnh Alzheimer.

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

2


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 Bệnh Alzheimer
Alzheimer disease (AD) là một chứng mất trí phổ biến nhất, được phát hiện lần
đầu tiên năm 1906 bởi Alois Alzheimer (bác sĩ người Đức). Hiện trên thế giới,
Alzheimer ảnh hưởng đến khoảng 10% người từ 65 tuổi, với tỷ lệ này tăng gấp đôi
mỗi năm năm lên đến 80 tuổi. Năm 2010 có khoảng 35.6 triệu người trên tồn thế
giới. Dự tính 20 năm sau (2030 là 65.7 triệu người). Riêng ở Mỹ 2012 có 5.4 triệu
người là nguyên nhân thứ sáu gây tử vong. Việt Nam bênh Alzheimer chiếm khoảng
5% dân số trên 60 tuổi, tỷ lệ tăng dần theo độ tuổi. Các phương pháp điều trị hiện tại
chỉ giúp giảm một phần nhỏ triệu chứng bệnh, bệnh không thể chữa khỏi trở thành áp
lực rất lớn về mặt xã hội, tâm lý, sức khỏe, kinh tế đối với cuộc sống của những
người chăm sóc. Ở các nước phát triển, Alzheimer là một trong những bệnh tốn kém
nhất cho xã hội.
Các nghiên cứu trên những người bình thường từ giai đoạn trước Alzheimer cho
thấy có sự chuyển đổi đột ngột về sự suy giảm triệu chứng nhận thức giữa giai đoạn
tiền lâm sàng và giai đoạn sớm của Alzheimer. Sự suy giảm dần dần về mặt nhận
thức trong giai đoạn tiền lâm sàng khi đạt đến một điểm uốn, dẫn tới sự mất dần khả
năng nhận thức, đó là dấu hiệu của Alzheimer lâm sàng. Thông thường, khi người
bệnh mất khả năng nhận thức một cách nhanh chóng mới được đưa tới các cơ sở y tế.
Vì vậy thời gian bệnh nhân đến để chẩn đốn não thường đã bị nhiều tổn thương nên
khơng thể phục hồi bằng bất kỳ phương pháp điều trị nào.
Bệnh được biểu hiện bởi sự xuất hiện của các mảng bám amyloid beta ngoại bào
và các đám rối tơ thần kinh (NFTs) nội bào, làm suy giảm chức năng của các tế bào
thần kinh và gây chết tế bào. Sự thối hố thần kinh được ước tính bắt đầu từ 20-30

năm trước khi bất kỳ các biểu hiện lâm sàng nào của bệnh trở nên rõ ràng. Các mảng
bám và các đám rối tơ thần kinh nội bào đã được coi là các biểu hiện sớm
của Alzheimer, dẫn đến sự thối hóa thần kinh sau đó và apoptosis của nơ-ron.Tuy

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

3


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

nhiên mật độ và vị trí của mảng bám amyloid khơng tương quan với các triệu chứng
hoặc mức độ nghiêm trọng của Alzheimer.
Các phân tích giải phẫu học cho thấy các thay đổi bệnh lý lan rộng khắp vỏ não và
các cấu trúc xung quanh, đặc biệt là vùng đồi thị.
Các nghiên cứu Alzheimer cho thấy: Sự tích tụ amyloid beta dần dần xuất hiện ở
não khoảng 15 năm trước khi có triệu chứng. Mức độ tăng của protein TAU và TAU
phosphoryl hóa trong dịch não tủy và chứng teo não xuất hiện đồng thời khoảng 15
năm trước khi có triệu chứng. Sự suy giảm ký ức theo giai đoạn xuất hiện 10 năm
trước triệu chứng. Cuối cùng giảm nhận thức rõ ràng khoảng 5 năm trước triệu
chứng.
Từ các phát hiện về dấu hiệu đặc trưng trong não người bệnh Alzheimer, nhiều mơ
hình được đưa ra nhằm giải thích ngun nhân và cơ chế gây bệnh. Trong đó giả
thuyết về amyloid beta và tau được quan tâm nhiều nhất [34]. Có quan điểm cho rằng
Alzheimer phát triển độc lập từ cả hai lộ trình gây bệnh, amyloid beta và tau [35]
hoặc một trong hai lộ trình này là hệ quả của lộ trình cịn lại.
Đối với giả thuyết tau, các protein tau bất thường bị siêu phosphoryl hóa được cho
là nguồn gốc gây bệnh Alzheimer. Protein tau tương tác với protein tubulin và kích

thích tubulin kết hợp vào các ống vi thể và giúp ổn định hóa cấu trúc các ống vi thể.
Chức năng này được điều chỉnh bởi bậc phosphoryl hóa của tau, ở trạng thái bình
thường một mol tau tương ứng 2-3 mole phosphate, đối với bệnh nhân Alzheimer tỉ
lệ này tăng 3-4 lần. Ở các trường hợp mắc Alzheimer, lượng protein tau bị siêu
phosphoryl hóa cao gấp 4 đến 8 lần bình thường. Các protein tau bất thường bị siêu
phosphoryl hóa khơng những khơng liên kết với tubulin và kích thích kết hợp vi ống
mà cịn ức chế và làm gãy vi ống. Sự tích tụ các protein tau siêu phosphoryl hóa làm
rối loạn mạng lưới nội chất nhám và phá hủy bộ máy Golgi. Protein tau siêu
phosphoryl hóa kết hợp với nhau hình thành các phân tử dạng sợi, cuối cùng là đám
rối thần kinh gồm nhiều sợi kết hợp với nhau. Nghiên cứu trên các mẫu mô ni cấy
trong ống nghiệm khơng phát hiện thối hóa thần kinh gây bởi Aβ khi khơng có mặt
protein tau bất thường bị siêu phosphoryl hóa [37].
GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

4


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

Trong giả thuyết gây bệnh dựa trên amyloid beta (giả thuyết amyloid cascade), sự
tăng sinh peptide Aβ từ quá trình phân rã protein APP dẫn tới tích tụ Aβ trong não là
nguồn gốc gây bệnh Alzheimer. Aβ tích tụ theo thời gian hình thành các mảng
amyloid ngoại bào gây viêm, tổn thương synapse, tạo nên các protein tau siêu
phosphoryl hóa, chết neuron và cuối cùng gây bệnh Alzheimer [20]. Các nghiên cứu
cho thấy oligomer, tiền sợi Aβ là dạng cấu trúc Aβ có tương quan với tổn thương
neuron cũng như suy giảm nhận thức ở người bệnh cao hơn sợi Aβ [36]. Do đó giả
thuyết amyloid đã được hiệu chỉnh thành các oligomer Aβ dễ hịa tan là dạng độc
tính kích hoạt quá trình phá hủy neuron, làm rối loạn chức năng của synapse. Vậy các

mảng bám ngoại bào, đám rối sợi thần kinh, suy giảm nhận thức do neuron bị phá
hủy khởi nguồn từ q trình tích tụ các Aβ thành các oligomer, tiền sợi, sợi Aβ. Các
kết quả về việc các oligomer Aβ kích thích phosphoryl hóa protein tau [37] và những
đột biến của APP, đặc biệt trên vùng Aβ có thể bảo vệ chống lại Alzheimer hoặc thúc
đẩy tiến triển Alzheimer ủng hộ giả thuyết amyloid cascade.

Hình 1.1: Dấu hiệu bệnh lí của Alzheimer. Ở thang vi mơ, Alzheimer được định
nghĩa bằng sự tích tụ Aβ trong các mảng lão suy (đầu mũi tên) và tau trong các đám
rối sợi thần kinh (mũi tên). Tích tụ dạng sợi (cả mảng và đám rối) được nhuộm màu
xanh lá cây. Nguồn: Neuron 82, no. 4 (2014) [33]

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

5


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

1.2 Amyloid beta (Aβ)
Các peptide amyloid beta (Aβ) có hai dạng chủ yếu là Aβ1-40, Aβ1-42, thành
phần chính của các mảng bám thần kinh ngoại bào trong não. Các peptide xuất phát
từ Amyloid Precursor Protein (APP), được phân tách bởi beta secretase và gamma
secretase để sinh ra Aβ [11].
APP là một protein xuyên màng với đầu N ngoại bào và đầu C nội bào. APP chủ
yếu tập trung ở não. APP trải qua nhiều quá trình cắt bằng enzyme tạo ra các protein
được cho là liên quan đến Alzheimer. APP bị cắt lần lượt bởi α-, β-, và γ-secretase để
tạo ra phần đầu N ectodomain hòa tan được, các đoạn peptide Aβ ngoại bào (chủ yếu
là Aβ40 và Aβ42) và một đoạn APP nội bào (AICD) [13].

Quá trình cắt APP được chia làm hai lộ trình, nonamyloidogenic và amyloidogenic
(Hình 2.1)

Hình 1.2. Quá trình cắt của APP. (a) Lộ trình nonamyloidogenic, APP được xử lí
lần lượt bởi α- và γ-secretase để tạo ra sAPPα, p3 và AICD. (b) Lộ trình
amyloidogenic, APP bị cắt bằng β-secretase và γ-secretase enzyme. β-secretase tạo
ra một đoạn ngoại bào hịa tan được, sAPPβ. Đoạn ngắn ở đi C còn lại (Cterminal
fragment (β-CTF)) bị cắt nhiều lần bởi γ-secretase, lần đầu tạo ra AICD, lần thứ hai
tại một số vị tạo ra các đoạn Aβ có độ dài khác nhau như Aβ40, Aβ42, Aβ43 và Aβ3.
Nguồn: Annual review of neuroscience[11].

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

6


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

- Lộ trình nonamyloidogenic: Đầu tiên APP bị cắt bởi α secretase tạo các peptide
ngoại bào APP-α hòa tan được (sAPP-α). Đoạn còn lại của APP bị cắt bởi γ-secretase
tạo thành các chuỗi peptide ngắn p3 và đoạn APP nội bào (APP intracellular domainAICD). Lộ trình nonamyloidogenic khơng tạo thành các Aβ [13].
- Lộ trình amyloidogenic (tạo ra Aβ): Đầu tiên APP bị cắt bởi βsecretase (BACE1)
tạo ra hai đoạn: đoạn APP-β hòa tan và đoạn bị giữ trong màng tế bào. Tiếp theo, γsecretase cắt phần nằm trong màng tế bào tạo thành Aβ và AICD. Vị trí cắt của γsecretase có thể thay đổi dẫn đến peptide Aβ có nhiều dạng với độ dài khác nhau như
Aβ1-38, Aβ1-40, Aβ1-42, Aβ1-43.
Aβ có độ dài 38-43 amino acid được chia làm 4 vùng: đầu N (residue 1-16), vùng
lõi kị nước trung tâm (17-21), vùng hình thành loop trong sợi (22-29) và đi C (30
trở đi). Monomer Aβ thuộc lớp protein khơng có cấu trúc xác định. Tuy nhiên, các
dạng tích tụ bậc cao hơn của Aβ như oligomer, tiền sợi (protofibril), sợi có thể hình

thành cấu trúc trật tự như phiến β. Việc xác định cấu trúc ba chiều các hình thái tích
tụ dạng sợi của Aβ cũng như những dạng hịa tan như monomer, oligomer, tiền sợi là
cực kì khó khăn. Ngoài ra, sự khác biệt giữa Aβ1-42 và Aβ1-40 trong chuỗi peptide
cũng làm thay đổi lộ trình tích tụ dẫn đến khác biệt trong cấu trúc sợi của chúng. Tuy
nhiên, vì vai trị quan trọng của cơ chế tích tụ và cuộn các protein đối với một số
bệnh lí thần kinh, có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào xác định các đặc điểm cấu
trúc phân tử cũng như hình thái tích tụ Aβ [15].
Monomer có cấu trúc mất trật tự, các thí nghiệm đã xác định được một số vùng có
xu hướng hình thành β và vùng hình thành turn trong Aβ1-42. Phổ UV CD xa các
monomer Aβ1-40 và Aβ1-42 cũng xác nhận chủ yếu là cấu trúc coil. Bằng phương
pháp phân tích CD cho thấy β khoảng 12-25% và α helix khoảng 3-9% ở 295 K và
pH=7.5 [16].
Tiền sợi và oligomer Tiền sợi là dạng trung gian trong quá trình hình thành sợi ,
khối lượng tương đương cỡ 60 monomer Aβ, có hình thành cấu trúc dải β, được cho
rằng đóng vai trị làm nhân cho sự tạo sợi. Oligomer là các dạng phân tử nhỏ hơn tiền

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

7


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

sợi, khối lượng từ cỡ tương đương 2 tới 50 monomer Aβ, oligomer cũng hình thành
cấu trúc β nhưng khơng phải lúc nào cũng làm nhân tạo sợi. [18]
Ở giai đoạn đầu và giữa của q trình tích tụ Aβ, các phức hợp siêu bền
(metastable) được phát hiện và chia thành hai dạng là oligomer và tiền sợi/sợi nguyên
thủy (protofibril). [14]

Sợi Aβ Cấu trúc dạng sợi của Aβ có tính đa hình, thể hiện sự tồn tại của nhiều lộ
trình tự tập hợp các monomer Aβ. Các phân tử Aβ trong sợi hình thành cấu trúc
"cross beta", trong đó các dải β tạo bởi Aβ định hướng thẳng góc với trục của sợi.
Các dải β lân cận tạo nên dạng "steric zipper" bằng việc đan xen nhánh phụ vào nhau.
Cấu trúc 3 chiều của sợi Aβ thu được từ thí nghiệm cho thấy cách sắp xếp song song
hoặc đối song các dải β và sự xuất hiện của cầu muối Asp23-Lys28 là khác biệt quan
trọng giữa những dạng sợi Aβ [19].
1.3 Amyloid beta và bệnh Alzheimer
Sự xuất hiện của của Aβ trong các mảng lão suy ở các mẫu mô não bị bệnh
Alzheimer là nền tảng của giả thuyết amyloid cascade. Sự tăng sinh Aβ dẫn tới tích
sự tích tụ ngoại bào của Aβ trong não theo, kết quả hình thành nên các mảng amyloid
gây viêm, kéo theo tổn thương synapse, các đám rối sợi thần kinh (neurofibrillary
tangles-NFTs), giảm số lượng neuron, cuối cùng là Alzheimer. [12]
Khi giải phóng ra khỏi tế bào, peptide Aβ có xu hướng liên kết với nhau Aβ-Aβ và
hình thành các dải β trong các cấu trúc phức hợp. Sự tích tụ Aβ hình thành nhiều cấu
trúc multimer với cách sắp xếp monomer Aβ khác nhau. [6] Các dạng tích tụ Aβ
được chứng minh rằng gây độc trực tiếp lên tế bào. Mặc dù dạng sợi Aβ khơng hịa
tan được cho rằng là ngun nhân gây bệnh Alzheimer, phát hiện về oligomer và tiền
sợi cho thấy các dạng tích tụ này mới là đối tượng chi phối sự thối hóa thần kinh
như làm chết tế bào, phản ứng viêm, rối loạn chức năng synapse và làm giảm số
lượng tế bào thần kinh. Trong đó, oligomer có khả năng gây độc mạnh nhất. Do đó,
lộ trình tích tụ của Aβ đóng vai trị then chốt trong q trình tiến triển của bệnh
Alzheimer [3].
GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

8


Seminar tốt nghiệp

Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

Hai giả thuyết gây bệnh Alzheimer dựa trên Aβ và protein tau không độc lập mà
liên quan mật thiết với nhau, bằng chứng thực nghiệm cho thấy Aβ làm tăng tốc quá
trình tích tụ và gây độc của tau.[21] Thêm vào đó, các nghiên cứu chỉ ra sự tích tụ Aβ
gây ảnh hưởng lên các protein tau, chúng bị phosphoryl hóa và hình thành đám rối,
kích hoạt lộ trình gây độc bởi tau và làm chết các tế bào thần kinh củng cố cơ sở cho
giả thuyết amyloid cascade.[22] Như vậy, quá trình tích tụ Aβ đóng vai trị khởi phát
gây bệnh Alzheimer.
Trong số các dạng Aβ, Aβ1-40 và Aβ1-42 chiếm tỉ lệ lớn nhất với Aβ142/Aβ140≈1/10. Aβ1-40 và Aβ1-42 chỉ khác nhau ở chỗ Aβ1-42 có thêm hai residue
Ile41 và Ala42. Tuy nhiên, Aβ1-42 có độc tính và tốc độ hình thành các cấu trúc
oligomer, sợi cao hơn Aβ1-40. Aβ1-42 cũng được xác định là dạng Aβ đóng vai trị
chính trong lộ trình amyloid.[7,8] Kết quả nghiên cứu cho thấy hai residue Ile41 và
Ala42 đóng vai trị quan trọng trong các dạng oligomer của Aβ, Aβ1-40 chủ yếu tồn
tại ở monomer, dimer, trimer và tetramer trong khi Aβ1-42 có xu hướng hình thành
pentamer, hexamer.[9] Nghiên cứu cũng chỉ ra Aβ1-40 có thể đóng vai trị bảo vệ,
chống lại Alzheimer bằng cách ức chế tích tụ Aβ1-42.[23]
Từ các kết quả trên, hiểu rõ cơ chế chi phối sự khác biệt giữa Aβ1-42 và Aβ1-40,
làm rõ ảnh hưởng của Aβ trong AD. Từ đó, tiến thêm một bước trong việc tìm kiếm
ngun nhân và cơ chế gây bệnh Alzheimer. Ngoài ra, xác định được các yếu tố tạo
nên khác biệt giữa hai dạng phổ biến nhất của Aβ giúp cho nghiên cứu thuốc chữa
Alzheimer hiệu quả hơn thông qua định hướng sự chú ý vào những nhân tố quan
trọng.

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

9

Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

Chương 2: CẤU TRÚC CỦA PROTEIN
2.1 Protein trong cơ thể
Protein là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà các đơn
phân là axit amin. Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên kết
peptide trong đó nhóm amino nối với nhóm carboxyl. Việc tổng hợp liên kết peptide
được thưc hiện tại ribosome. Các chuỗi amino acids này được gọi là peptide hoặc
polypeptide (protein) khi độ dài lớn hơn khoảng 50 amino acids. Người ta thường
dùng từ residue để chỉ một amino acid xác định trong chuỗi. Các chuỗi này có thể
xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác
nhau của protein. [25] Người ta đã phát hiện ra có hơn 20 loại acid amin trong thành
phần của tất cả các loại protein khác nhau trong cơ thể sống.
Cấu trúc chung của amino acid là nhánh chính (back bone) gồm nhóm amino NH2
và carboxyl COOH nối vào nguyên tử carbon trung tâm (α carbon) (ngoại trừ
Proline, nhánh phụ tạo vòng liên kết trực tiếp với nguyên tử N của nhóm amino). Các
ngun tử cịn lại liên kết với α carbon là hydro và nhóm R hay cịn gọi là nhánh phụ
(side chain). [26]
2.2 Cấu trúc bậc một của protein
Từ các acid amin, nhờ liên kết peptid nối chúng lại với nhau tạo nên chuỗi
polypeptid.
Chuỗi polypeptid là cơ sở cấu trúc bậc I của protein. Tuy nhiên, không phải mọi
chuỗi polypeptid đều là protein bậc I. Nhiều chuỗi polypeptid chỉ tồn tại ở dạng tự do
trong tế bào mà không tạo nên phân tử protein. Những chuỗi polypeptid có trật tự
acid amin xác định thì mới hình thành phân tử protein. Người ta xem cấu tạo bậc I
của protein là trật tự các acid amin có trong chuỗi polypeptid. Thứ tự các acid amin
trong chuỗi có vai trị quan trọng vì là cơ sở cho việc hình thành cấu trúc khơng gian
của protein và từ đó quy định đặc tính của protein. Phân tử protein ở bậc I chưa có
hoạt tính sinh học vì chưa hình thành nên các trung tâm hoạt động. Phân tử protein ở

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

10


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

cấu trúc bậc I chỉ mang tính đặc thù về thành phần acid amin, trật tự các acid amin
trong chuỗi.
Trong tế bào protein thường tồn tại ở các bậc cấu trúc không gian. Sau khi chuỗi
polypeptid - protein bậc I được tổng hợp tại ribosome, nó rời khỏi ribosome và hình
thành cấu trúc không gian (bậc II, III, IV) rồi mới di chuyển đến nơi sử dụng thực
hiện chức năng của nó.
2.3 Cấu trúc bậc hai của protein
Từ cấu trúc bậc một tạo nên cấu trúc bậc hai của protein bằng cách sắp xếp chuỗi
polypeptide hoặc các quan hệ trong không gian giữa các nhánh chính của amino acid
nằm gần nhau trong chuỗi. Cấu trúc bậc hai không quan tâm tới cấu hình của các
nhánh phụ hoặc quan hệ giữa các chuỗi. Có ba dạng cơ bản của cấu trúc bậc hai là
xoắn α helix, phiến β và turn [27]. Các dạng khác là biến thể của một trong ba dạng
trên (coil).
2.3.1 Xoắn α helix
Là cấu trúc phổ biến nhất trong protein, có dạng cuộn xoắn với chu kì xoắn trung
bình 3.6 amino acid. Các liên kết hydro hình thành trong cấu trúc α helix giữa các
nhóm C=O (acceptor) và N-H (donor) (Hình 3.1).Cấutrúc α helix được định nghĩa từ
giá trị của các góc nhị diện hoặc từ góc nhị diện và liên kết hydro [28]. Có thể xác
định cấu trúc α helix bằng thuật toán DSSP [29] hoặc STRIDE [30]. Xoắn α helix có
một số biến thể như 310 helix và π helix [31].

Hình 3.1: Cấu trúc α helix, các liên kết hydro biểu diễn dưới dạng các đường đứt nét
màu vàng. Nguồn: pure and applied chemistry, vol.23. [28]
GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

11


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

2.3.2 Phiến β (dải β)
So với α helix, phiến β có cấu trúc trải thẳng. Phiến β đơn ít ổn định vì hạn chế
trong số lượng tương tác cục bộ nhằm ổn định hóa cấu trúc. Tuy nhiên, khi hai hoặc
nhiều phiến β hình thành thêm các liên kết hydro với nhau, một cấu trúc tựa mặt
phẳng hình thành (tấm β). Tính ổn định của các phiến β này tăng đáng kể nhờ các
liên kết hydro giữa nhánh chính của các amino acid giữa các dải liền kề.
Các phiến β liền kề có thể sắp xếp song song hoặc đối song xác định bởi hướng
của chuỗi polypeptide từ đầu N tới đầu C. Các phiến β đối song thường chỉ cần hai
phiến trong khi cần ít nhất bốn phiến để hình thành các phiến song song.
Sự khác biệt giữa các cấu trúc α và dải β thấy rõ khi xác định giá trị của các góc
nhị diện (dihedral, torsion) φ (góc hình thành bởi hai mặt phẳng tạo từ các nguyên tử
C-N-Cα-C) và ψ (góc tạo từ các nguyên tử N-Cα-C-N) (Bảng 3.1)
Bảng 3.1 Góc nhị diện, độ dài trên một residue của một số cấu trúc bậc hai [39].
Loại cấu trúc

Góc φ (◦)

Góc ψ (◦)

Độ dài/residue (˚ A)

α helix

-57

-47

1.50

310 helix

-49

-26

2.00

π helix

-57

-70

1.15

dải β song song

-139

+135

3.20

dải β đối song

-119

+113

3.40

2.3.3 Turn
Là nơi chuỗi polypeptide đổi hướng trong khơng gian [32] (Hình 3.2).Các turn
được phân loại theo số amino acid: α turn (3 amino acid), β turn (2 amino acid), γ
turn (1 amino acid), δ turn (0 amino acid) và π (4 amino acid). Turn được ổn định cấu
trúc nhờ các liên kết hydro giữa các amino acid ở hai đầu turn (Hình 3.2).

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

12


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mơ phỏng động lực học phân tử.

Hình 3.2: Minh họa β turn (bắt đầu và kết thúc giữa hai mũi tên) và tấm β gồm hai
dải β đối song. Các đường đứt nét màu vàng là liên kết hydro. [32]

2.4 Cấu trúc bậc ba và bậc bốn của protein
Cấu trúc bậc ba biểu diễn dạng cuộn của chuỗi polypeptide. Cấu trúc này là tổ hợp
nhiều đơn vị cấu trúc bậc hai để hình thành protein hồn chỉnh. Các thành phần trong
chuỗi tương tác với nhau qua liên kết hydro, cầu disulfide, tương tác tĩnh điện, tương
tác vanderWaals, liên kết kị nước, tương tác giữa các vòng thơm để giữ ổn định cấu
trúc [31].
Cấu trúc bậc bốn gồm nhiều chuỗi polypeptide. Các chuỗi polypeptide này tương
tác với nhau giữ ổn định cho hệ. Thông thường từ tiểu đơn vị được dùng chỉ một
chuỗi polypeptide trong cấu trúc này.

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

13


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG ĐỘNG
LỰC HỌC PHÂN TỬ
Mơ phỏng động lực học phân tử (MD) là quá trình tìm ra mơ hình đơn giản khả dĩ
để mơ tả khái qt được một hệ thống thực bằng phương pháp số và những quỹ đạo
chuyển động được tạo ra nhằm lấy được các đại lương vĩ mơ. MD cho phép hình
dung trực tiếp chuyển động chi tiết của từng nguyên tử trong hệ, từ đó cung cấp
"cánh cửa" vào thế giới vi mô.
Một mô phỏng động lực học phân tử gồm ba phần chính:
• Mơ hình mơ tả tương tác giữa các hạt.
• Tính tốn năng lượng và lực từ mơ hình với u cầu chính xác và hiệu quả.
• Thuật tốn dùng để tích phân phương trình chuyển động.

Mỗi phần đều có ảnh hưởng lớn tới chất lượng tính tốn và khả năng lấy đủ số vi
trạng thái để thu được trung bình thống kê một cách đáng tin cậy.
3.1 trường lực cổ điển trong mô phỏng sinh học
Một trường lực mô tả tương tác giữa các hạt trong hệ, gồm hai thành phần:
• Tập các hàm thế năng dùng để tính thế năng tương tác và lực tương tác.
• Các tham số được dùng trong các hàm này, chúng được tính tốn sao cho các
tính chất của hệ phù hợp với các tính chất thực nghiệm hoặc thu được từ các mơ
phỏng lượng tử.
Hàm thế của các trường lực có dạng chung:
V(r) = ∑𝑏𝑜𝑛𝑑𝑠 𝑘𝑏 (𝑏 − 𝑏0 )2 + ∑𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒𝑠 𝑘𝜃 (𝜃 − 𝜃0 )2 +
∑𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛𝑠 𝑘𝜙 [𝑐𝑜𝑠(𝑛𝜙 + 𝛿 ) + 1] + ∑𝑛𝑜𝑛𝑏𝑜𝑛𝑑𝑒𝑑 [

𝑞𝑖 𝑞𝑗
𝑟ị

+

𝐴𝑖𝑗
12
𝑟𝑖𝑗

−

𝐶𝑖𝑗
6
𝑟𝑖𝑗

].

(3.1)

Ba số hạng đầu là năng lượng của các liên kết cộng hóa trị, góc và góc nhị diện (góc
giữa hai mặt phẳng tạo bởi bốn nguyên tử). Số hạng cuối là tương tác tĩnh điện và
van der Waals (Hình 3.1).
GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

14


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mơ phỏng động lực học phân tử.

Hình 3.4: Minh họa các tương tác trong trường lực. Liên kết cộng hóa trị được biểu
diễn bởi các đường liền nét, tương tác nonbond biểu diễn bởi đường đứt nét.
Ba trường lực thông dụng trong mô phỏng protein AMBER, CHARMM và
OPLS. Càng về sau ba trường lực này sử dụng giá trị điện tích càng tương đồng
nhau. Sự hội tụ của các giá trị này phản ánh nét tương đồng trong quá trình phát triển
tham số và các bộ dữ liệu kiểm thử từ đó cho thấy mơ hình điện tích cố định của các
trường lực cổ điển đang ngày một tối ưu.
3.2 Tích phân phương trình chuyển động
Chương trình GROMACS, thuật tốn leap-frog mặc định sử dụng để tích phân
chương trình chuyển động. Nhưng khi cần độ chính xác cao cùng với các thuật toán
cân bằng nhiệt độ, áp suất như Nosé-Hoover thì chúng ta sử dụng thuật tốn Verlet
vận tốc.
1

Trong thuật tốn leap-frog, vị trí tại thời điểm t và vận tốc tại t− ∆𝑡 được dùng để
2

tính vị trí và vận tốc:
1

1

∆𝑡

2

2

𝑚

𝑣 (𝑡 + ∆𝑡) = 𝑣 (𝑡 − ∆𝑡) +

𝐹 (𝑡 ),

(3.2)

1

𝑟(𝑡 + ∆𝑡 ) = 𝑟(𝑡 ) + ∆𝑡𝑣 (𝑡 + ∆𝑡).

(3.3)

2

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

15


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

3.3 Điều kiện ban đầu
Với hệ phức tạp như các phân tử sinh học, tọa độ ban đầu được lấy từ cấu trúc tinh
thể trong thí nghiệm với tia X hoặc cộng hưởng từ hạt nhân. Nhiều cấu trúc tinh thể
được đưa vào ngân hàng cấu trúc như Cambridge Structure Database, Inorganic
Crystal Structure Database hoặc Protein Data Bank. Tuy nhiên, các cấu trúc này
thường thiếu thơng tin, ví dụ tọa độ của các ngun tử hydro vì rất khó có thể xác
định bởi thực nghiệm.
Với các hệ sinh học, mô phỏng thường được thực hiện trong môi trường nước.
Hộp nước được tạo ra từ các mẫu nước mơ phỏng có sẵn, sau đó đặt phân tử sinh học
vào và bỏ đi các phân tử nước nằm gần hơn một khoảng cách xác định (1.8A )̊ với
bất kì nguyên tử nào của phân tử sinh học. Trong một số trường hợp cần phải giữ lại
các ion hoặc phân tử nước có liên kết với phân tử sinh học. Sau đó để tái tạo lại các
điều kiện thực nghiệm, ta thêm ion vào hộp nước để đạt được nồng độ ion phù hợp.
Hệ ban đầu này trải qua q trình cân bằng. Trong đó, năng lượng và thể tích của hệ
được thay đổi nhằm đạt được nhiệt độ và áp suất phù hợp thực nghiệm cũng như hồi
phục hệ, loại bỏ sự chồng lấn nguyên tử và sắp xếp lại các phân tử dung môi.
Một khi tọa độ ban đầu được xác định, vận tốc ban đầu cần được thiết lập cho hệ.
Thông thường vận tốc của các nguyên tử trong hệ được "lấy" từ phân bố MaxwellBoltzmann, vận tốc này cần phải đảm bảo các điều kiện ràng buộc đối với hệ.
3.4 Cân bằng nhiệt độ, áp suất
Cân bằng nhiệt độ
Các thí nghiệm trên các hệ sinh học thường được tiến hành trong điều kiện nhiệt
độ khơng đổi. Do đó, việc phát triển các tập hợp thống kê trong mô phỏng động lực
học phân tử với các đại lượng nhiệt động lực học phản ánh các điều kiện thực nghiệm
cực kì quan trọng. Trong tập hợp thống kê chính tắc, các đại lượng nhiệt động lực

học của nó là số nguyên tử N khơng đổi, thể tích V của hệ khơng đổi và nhiệt độ T
không đổi.
GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

16


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mơ phỏng động lực học phân tử.

Do đó, việc giữ nhiệt độ khơng đổi trong mơ phỏng đóng vai trò quan trọng trong
việc tạo ra tập hợp thống kê chính tắc, từ đó phân tích các đại lượng mà ta quan tâm.
Có nhiều thuật tốn giữ nhiệt độ không đổi bằng cách cho hệ tương tác nhiệt với bể
nhiệt lớn vô hạn hoặc thay đổi trực tiếp vận tốc của các hạt trong hệ như là
Berendesn, V-rescale, Andersen, Nosé-Hoover.
Cân bằng áp suất
Cũng giống như cân bằng nhiệt độ, hệ được tiếp xúc với nguồn nhiệt để cân bằng
áp suất nhằm đạt được các điều kiện giống với thực nghiệm. Số hạt - áp suất - nhiệt
độ là hằng số (NPT). Một số thuật toán cân bằng áp suất thường dung là Berendsen,
Parrinello-Rahman và Martyna-Tuckerman-Tobias-Klein (MTTK).

3.5 Các ràng buộc holonomic
Vì các mơ phỏng trong seminar này là mơ phỏng động lực học cổ điển, không xảy
ra các hiệu ứng lượng tử. Tuy nhiên, các dao động tần số cao của liên kết hố trị tính
tốn từ dao động tử cổ điển có sai lệch so với dao động tử lượng tử. Đặc biệt là
nguyên tử hydro vốn có khối lượng nhỏ, độ bất định vận tốc từ nguyên lí bất định lớn
dẫn đến độ dài liên kết và góc liên kết giữa hydro và nguyên tử liên kết với nó dao
động rất nhanh. Ngồi ra, vì các chuyển động dao động này có chu kì ngắn kéo theo
bước thời gian mô phỏng cũng phải nhỏ. Để giải quyết các vấn đề này, người ta đưa

vào các ràng buộc nhằm loại bỏ các dao động của liên kết hoá trị mang tính lượng tử.
Đưa vào các ràng buộc này cịn giúp tăng thời gian cho một bước mô phỏng. Các
ràng buộc thường được sử dụng trong mô phỏng để loại bỏ các dao động lượng tử
này thuộc nhóm ràng buộc holonomic. Ràng buộc holonomic là ràng buộc chỉ phụ
thuộc vào tọa độ của các nguyên tử của hệ và có thể phụ thuộc thời gian.
σk (r1, . . ., rN, t) = 0

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

k = 1, . . ., Nc.

17


Seminar tốt nghiệp
Nghiên cứu cấu trúc Aβ1-40 và Aβ1-42 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.

3.6 Các mơ hình nước trong mơ phỏng sinh học
Các mơ hình nước tường minh
Mơ hình nước tường minh mơ phỏng nước bằng cách mơ hình hố phân tử nước.
Mơ hình nước tường minh đầu tiên là ST2, tiếp sau đó các mẫu nước SPC và TIP3P
được công bố. Hai mẫu nước này tham số hố phân tử nước thành mơ hình gồm 3
điểm cố định để tái tạo các tính chất ở thể rắn và nhiệt động lực học của nước. Về sau
mơ hình TIP4P thêm một ngun tử giả vào đường phân giác của góc H-O-H giúp
cải thiện cấu trúc dimer trong pha khí và hàm phân bố xuyên tâm O-O. Năm 2000,
Mahoney và Jorgensen đề xuất mơ hình nước 5 điểm TIP5P thể hiện đầy đủ các tính
chất như nội năng, mật độ và hàm phân bố xuyên tâm O-O tại nhiệt độ phòng phù
hợp rất tốt với thực nghiệm.
Mơ phỏng protein trong mơi trường nước tường minh có một số ưu điểm so với

các gần đúng môi trường liên tục. Một số cấu trúc protein tạo liên kết với các phân tử
nước và xem chúng như là một phần của cấu trúc.
Các mơ hình nước khơng tường minh
Các mơ hình nước khơng tường minh là sự tái tạo lại các hiệu ứng tĩnh điện của
phân tử nước bằng các hàm số mô phỏng một môi trường liên tục.
Các mơ hình nước khơng tường minh có một số ưu điểm so với mơ hình nước
tường minh như khơng cần phải cân bằng dung mơi trong q trình mơ phỏng, mơ
hình này khơng tái tạo lại độ nhớt của nước do đó cho phép các phân tử hịa tan trong
nước thay đổi cấu trúc nhanh hơn. Ngoài ra, việc sử dụng mơ hình nước khơng tường
minh làm giảm số bậc tự do của hệ giúp tăng tốc độ tính tốn.
Một số mơ hình nước khơng tường minh được sử dụng trong các chương trình mơ
phỏng như GROMACS, AMBER gồm Still, HCT và OBC dựa trên mơ hình Born
tổng qt (GB).
3.7 Phương pháp replica exchange
Phương pháp replica exchange (REM) là mô phỏng hệ ở nhiều nhiệt độ khác nhau,
sử dụng động năng từ chuyển động nhiệt ở nhiệt độ cao để vượt qua các hố thế năng

GVHD: Th.S Trần Thị Minh Thư
SVTH : Vũ Thị Huyền Vy

18