قرقره ای را در نظر بگیرید که دو دور نخ حولِ آن پیچیده شده و دو سرِ نخ از طرفینِ آن آویزان است. در ضمن فرض کنید قسمت های مجزایی از قرقره خاصیت چسبندگی دارند و نخ می تواند به آن قسمت ها بچسبد. حال اگر به این سیستم نیرو وارد کنیم، بسته به نحوه ی وارد کردنِ نیرو، ممکن است دو اتفاق برای نخ و قرقره بیفتد. اگر دو سرِ آزاد نخ را از دو طرف بکشیم، به قرقره گشتاور وارد شده و نخ حتماً از دور قرقره باز می شود. اندازه ی نیروی لازم برای باز کردنِ نخ از دورِ قرقره، به میزان چسبندگی بین آن دو بستگی دارد. ولی اگر نیرو را از یک سمت به قرقره و از سمتِ دیگر به نخ وارد کنیم (به عنوانِ مثال، قرقره را به یک سطح بچسبانیم و نخ را از یک سمت بکشیم)، بسته به اندازه ی نیرو و میزان چسبندگی بین نخ و قرقره، نخ ممکن است بر روی قرقره بلغزد و یا از دور آن باز شود. ممکن است این سوال پیش آید که داستان این "نخ، قرقره و نیرو" چه اهمیتی دارد و فهمیدن این مسئله به چه دردی می خورد؟ جوابی که می توان داد این است که مشابهِ این سیستم ("نخ و قرقره") در سلول های زنده وجود دارد: dnaیی که حول یک هسته ی پروتئینی پیچیده است و در بعضی نقاط با آن برهم کنش دارد. اسم این ترکیب نوکلئوزوم است. در ضمن، در سلول موتورهای پروتئینی، مانند rnaپلیمراز، نیز وجود دارند که می توانند به نوکلئوزوم نیرو وارد کنند. زیست شناسان در آزمایشگاه مشاهده کرده اند که در عین حال که dna در سلول، همیشه حول هسته های پروتئینی پیچیده است، مواقعی که سلول به مقداری lr{dna}ی آزاد نیازمند است، آن را به راحتی در اختیار دارد. اینجا یک پرسش مهم مطرح می شود: با توجه به اینکه نوکلئوزوم یک ترکیب پایدار است، dna چگونه در فرآیندهای زیستی به صورتِ آزاد (خارج از هسته ی نوکلئوزومی) شرکت می کند؟ پاسخ به این سوال در دو مکانیزمی که در بالا به آن اشاره شد نهفته است؛ dna با باز شدن از دور هسته ی پروتئینی و یا لغزش بر روی آن می تواند در صورتِ نیاز در دسترس سلول قرار بگیرد. در این پایان نامه سعی کرده ایم ذهنیت های موجود برای دینامیک یک نوکلئوزوم تحت اثر نیروی خارجی را کمّی کنیم و تواناییِ این ذهنیت ها را در توجیه داده های آزمایشگاهی بررسی کنیم. ساختار پایان نامه به این صورت است: در فصل اول با بازیگرهای این پایان نامه که ترکیب هایی زیستی هستند، آشنا می شویم و سپس به مرور آزمایش هایی می پردازیم که در این پایان نامه از نتایج آن ها استفاده کرده ایم. در فصل دوم، مباحث فیزیکی استفاده شده در پایان نامه به اختصار توضیح داده می شود و مثال هایی نیز برای درک بهترِ مطالب آورده شده است. فصل سه و چهار به مطالعه ی حرکت لغزشی "نخ نسبت به قرقره" به صورت ماکروسکوپی و میکروسکوپی اختصاص داده شده است. در نهایت در آخرین فصل این پایان نامه باز شدنِ "نخ از دور قرقره" را مطالعه می کنیم. با امید به اینکه نتایج این پایان نامه و مطالعات تئوریِ ما به محققان انگیزه ی انجام آزمایش های جدیدی برای فهمیدنِ "چراهای ذهنی" بدهد.

در این رساله به معرفی پدیده ی نوسانات خودبه خودی در ماهیچه ها می پردازیم و سعی می کنیم با استفاده از یک مدل میکروسکوپی برای اجزای سازنده ی سلول های ماهیچه ای، معادلات دیفرانسیل توصیف کننده ی این سیستم را بیابیم. سپس با حل عددی این معادلات به بررسی جواب های مورد انتظار برای سیستم پرداخته و نتایج را با داده های آزمایشگاهی مقایسه می کنیم. با تخمین پارامترهای مورد نیاز، یک جواب نوسانی برای سیستم می یابیم که واجد ویژگی های مهم نوسانات خودبه خودی از جمله شکل نوسان (شکل دندان اره ای) و مقدار دوره ی تناوب نوسان (از مرتبه ی ثانیه) است. سپس اثر تعدادی از شرایط خارجی را بر نوسان ها بررسی کرده و با نتایج تجربی مقایسه می کنیم. در برخی موارد نتایج ما با یافته های آزمایشگاهی مطابقت دارند و گاهی پیش بینی مدل ما متفاوت از نتایج تجربی است. پیش بینی ما کاهش دوره ی تناوب و دامنه ی نوسان ها با افزایش نیروی خارجی وارد بر سیستم است. در برخی آزمایش ها رابطه ای بین مقدار نیروی خارجی و دوره ی تناوب و دامنه ی نوسان های خودبه خودی دیده نشده و در برخی دیگر برای مثال افزایش دوره ی تناوب با افزایش نیروی خارجی مشاهده شده است. سپس سعی می کنیم با استفاده از معادلات دیفرانسیلی که برای مدل میکروسکوپی سیستم یافته ایم، معادلاتی با شکل ساده تر و تعداد پارامترهای کمتر برای توصیف این سیستم به دست بیاوریم که نوسان خودبه خودی را با ویژگی هایش نشان دهند.

داده های آزمایشگاهی به خوبی نشان می دهند که جایگیری نوکلئوزوم در کروماتین از الگوی خاصی پیروی می کند. از طرفی برای در معرض قرار گرفتن اطلاعات dna, نیاز است که نوکلئوزوم پویا باشد. پویایی نوکلئوزوم در کروماتین این امکان را به ماشین های رونویسی و همانندسازی می دهد, که بتواند از اطلاعات ذخیره شده در dna استفاده کنند. یکی از سازوکارهای جابه جایی نوکلئوزوم لغزش آن در امتداد dna می باشد. ما تلاش کردیم با دو مدل دینامیکی (به منظور در نظر گرفتن پویایی نوکلئوزوم) و مکانیکی به مطالعه ی جایگیری نوکلئوزوم در ژن های 5s rdna و cln2 بپردازیم و یکی از فاکتورهای دخیل در جایگیری نوکلئوزوم که توالی dna است, مورد مطالعه قرار دادیم.

سلول های یوکاریوتی به کمک پروتئین های هیستون بسته بندی شده و تشکیل نوکلئوزوم می دهند. نوکلئوزوم ها طی مراحل دیگری از بسته بندی در ساختاری به اسم کروماتین در درون هسته ی سلول جا داده می شوند. بنابراین ذره ی مرکزی نوکلئوزوم (ncp) زیر واحد تشکیل دهنده ی اولیه کروموزوم است. پروتئین های هشت تایی هیستون قسمت مرکزی نوکلئوزوم را تشکیل می دهند که از چهار جفت پروتئین h2b،h2a ، h4وh3 تشکیل شده است. dna با طول ??? جفت باز حدود ?/?? دور، حول این هشت تایی می پیچد. نتایج حاصل از پراش اشعه ی ایکس از بلورهای نوکلئوزومی، نشان می دهد که dna و پروتئین های هیستون در ?? نقطه با هم برهمکنش دارند (نقطه ی اتصال). در این پایان نامه، انرژی کشسانی dna به طول ??? جفت باز را با در نظر گرفتن ?? نقطه اتصال dna و هیستون، حساب کرده و جایگیری نوکلئوزومی را بر روی توالی های مختلف با طول های متفاوت را بررسی می کنیم. نشان می دهیم انرژی سیستم برای توالی های مختلف، متفاوت است. می توان مسیرهایی برای پیچش dna حول هسته ی هیستونی و تشکیل ذره ی مرکزی نوکلئوزومی متصور شد. در این پایان نامه با پیشنهاد یک مدل، نرخ وقوع اتفاق های مختلف در مسأله را به دست می آوریم. در ادامه تأثیر توالی dna در تشکیل نوکلئوزوم را نیز بررسی می کنیم. روش کار ما چنین است که پس از پیشنهاد مدل کشسانی برای تغییر شکل dna انرژی حالت های میانی بسته بندی dna در نوکلئوزوم را برآورد کرده و به کمک شبیه سازی مونته کارلو و با استفاده از الگوریتم گیلسپی، نرخ گذار بین حالت های مختلف سیستم را به دست می آوریم. چنین مطالعه ای می تواند به بررسی پویایی سیستم هیستون- dna کمک شایانی کند و دانش ما درباره ی جایگیری نوکلئوزوم در ژن را افزایش دهد.

در هنگام رونویسی، rna پلیمراز شروع به نسخه برداری کرده و رشته ی rna می سازد. در این پایان نامه، رونویسی rnap را در حضور نوکلئوزوم مدل کرده و برهم کنش پلیمراز و نوکلئوزوم را شبیه سازی می کنیم. حضور نوکلئوزوم در مقابل پلیمراز و یا افتادن پلیمراز در پس روی، به شدت سرعت رونویسی را کاهش می دهد و گاهی رونویسی را متوقف می کند. نتایج حاصل از شبیه سازیِ ما نشان می دهد هنگامی که افت و خیز نوکلئوزوم بر روی dna زیاد است، پلیمراز می تواند به رونویسی خود ادامه دهد و مکث های آنزیم بسیار کم است. در مقابل با کاهش آهنگ حرکت نوکلئوزوم، پلیمراز در پشت نوکلئوزوم متوقف شده و تا زمان برداشته شدن نوکلئوزوم توانایی حرکت ندارد.