一种模块化组装的蛋白质结构模型的制作方法

一种模块化组装的蛋白质结构模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于教学、科研用具技术领域，具体设及一种模块化组装的蛋白质结构模 型。
【背景技术】
[0002] 蛋白质是具有空间立体结构的生物大分子，在生命活动中发挥非常重要的功能。 蛋白质的结构有一级结构、二级结构、S级结构和四级结构等多种层次，对蛋白质空间结 构的理解与研究是研究生物分子间相互关系、利用生物大分子进行生产实践活动的重要一 环。常规的球棍模型可W很好地示意化学小分子的结构，然而蛋白质分子量大，原子种类和 数目多，空间结构变化复杂，依靠球和棍逐一拼接然只能做一些氨基酸或者简单多肤的模 型，并且不易大众化推广，因而具有很大的局限性。
[0003] 蛋白质的一级结构是由氨基酸组成的肤链。专利201130086280.X发表了一种氨 基酸分子的结构模型，由表示侧链基团的袋形气球、表示氨基的正六面体、表示駿基的球 体、表示氨原子的楠球体、表示化学键的铁棍连接在表示碳原子的正四面体上构成。该模型 可W直观形象地展示20种氨基酸的分子结构，但用多个该样的模型难W拼接多肤模型及 蛋白质S维结构，且显然是不能批量制造和推广的。李卫东（生物学教学，2006, 31(3) ;37) 用不同颜色的纸条作为不同类型的氨基酸，并利用回形针相互挂钩将许多"氨基酸"连接成 "多肤链"，继续通过回形针钩挂形成"蛋白质"的二、S级结构，最后折叠成具有一定空间 结构的蛋白质。该方法不能准确展示肤键和肤平面的形成，也难W展示二面角，利用回形针 挂钩形成的空间结构不准确且有随意性和误导性，难W在科研领域获得应用。
[0004] 在现有的蛋白质结构功能教学、科研过程中，尚无一种能简单、直观展示蛋白质从 一级结构到空间立体结构的模型，给从业者和学生造成一定的困惑。

【发明内容】

[0005] 蛋白质虽然是由氨基酸组成，然而其空间结构的最大特征是具有肤平面和二面 角。W肤平面和二面角为基础的模型最能符合蛋白质空间结构特性。除脯氨酸外的其他19 个蛋白质氨基酸形成的肤平面具有相同的结构，适合于模块化标准化制作，称为通用模块。 二面角的本质是a碳原子与N原子和駿基碳原子连接键的自由旋转，当把a碳原子上连 接的侧链简化后，除甘氨酸外的所有蛋白质氨基酸结构都是相同的，因而可W把a碳原子 及其上连接的侧链、氨原子组合模块化称为氨基酸特征模块，该对普通的教学、研究用途已 经足够；需要氨基酸的进一步详细结构时，则可W把简化后的侧链更换为完整的侧链。
[0006] 本发明具体通过W下技术方案实现：
[0007] 一种模块化组装的蛋白质结构模型，由通用模块（肤平面模块）和氨基酸特征模 块（a碳原子和侧链模块）依次重复连接而来，并分别在两端连接氨基模块和駿基模块， 良P;氨基模块-氨基酸特征模块1-通用模块1-氨基酸特征模块2-通用模块2……氨基酸 特征模块n-駿基模块。
[000引所述的通用模块是代表肤平面中幾基与氨基形成的酷胺平面结构组合模型，其结 构如式I所示：
[0009]
[0010] 其中；L1、L2、L3、L4、L5表示与相应原子相连的键。0、C、N、H原子及键L1、L2、L3、 L4、L5可W用四方形平面上的图示方法表示，也可W用代表原子和键的立体模型表示。L4、 L5是可选结构。"0"仅示意连接的原子，不代表该原子模型的形状，在本发明中可W是球 形、四面体形、楠球形及其他形状。
[0011] 所述的通用模块优选含有L4、L5的立体模型，模型参数L1 ;L2、L1 ;L3、L1 ;L4、L1 ; L5 的长度比例优选为 1. 23:0. 8 ~2. 0、1. 23:0. 6 ~2. 0、1. 23:0. 9 ~2. 5、1. 23:0. 9 ~2. 5， 更优选为 1. 23:1. 32、1. 23:1. 09、1. 23:1. 53、1. 23:1. 47。
[0012] 所述的氨基酸特征模块是指氨基酸a碳原子及其上连接的氨原子、侧链组合形 成的结构。其结构如式II所示：
[001 引
[0014]
[00巧]其中；
[0016]aa表示侧链组合；与C原子连接的键L6、L7、L8、L9呈四面体结构；虚线L8、L9表 示备选结构。
[0017] 当通用模块中具有L4、L5时，特征模块可W没有L8、L9 ;
[001引当通用模块没有L4、L5时，特征模块具有L8、L9 ;
[0019] 当通用模块具有L4、L5时，同时特征模块具有L8、L9,则L4、L5分别与L8、L9可W 重叠组装成一个键。
[0020] 不同的氨基酸侧链可W在aa上标记出该氨基酸的名称，或者采用具体的该氨基 酸侧链结构模型（侧链模块）。
[0021] 当氨基酸为甘氨酸时，特征模块可选用但不仅限于：
[0022]
[0023] 所述的特征模块优选无L8、L9的立体模型，模型参数L5 ;L6、L5 ;L7的长度比例优 选为 1. 23:0. 5 ~2. 5、1. 23:0. 6 ~2. 5,更优选为 1. 23:1. 01、1. 23:1. 53。
[0024] 所述的氨基模块表示畑2-基团的结构模型，该模块可W是N原子、H原子及化学 键模型组成的固定结构或组装结构。
[0025] 所述的駿基模块表示一COOH基团的结构模型，该模块可W是C原子、0原子、H原 子及化学键模型组成的固定结构或组装结构。
[0026] 本发明各模块之间的连接采用可旋转的连接方式。
[0027]所述的通用模块与特征模块连接后，L4与L6、L7的夹角优选为60-150°，更优选 为100-120° ;L5与16、L7的夹角优选为60-150。，更优选为100-120°。
[002引本发明的有益效果为：本发明根据蛋白质的结构特点，W肤平面和a碳原子为基 本结构模块，构筑可W准确展示蛋白质一级结构、二级结构、=级结构和四级结构等空间构 型的模型，利于模型的标准化生产制造和有利于学生的理解、及在科研上的应用。
【附图说明】
[0029] 图1是膜岛素氨基酸序列结构示图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合实施例对本发明做进一步的说明，W下所述，仅是对本发明的较佳实施 例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示 的技术内容加W变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明 的技术实质对W下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。
[0031] 本发明组装蛋白质空间结构模型的方法为：
[0032] 1、一级结构的组装
[0033] 各模块按照下列次序连接；氨基模块---氨基酸特征模块1-通用模块1-氨基酸 特征模块2-通用模块2……氨基酸特征模块n-駿基模块。
[0034] 2、二级、S级结构
[0035] 转动氨基酸特征模块与通用模块之间的连接键，得到螺旋、折叠、无规卷曲等结 构，继续转动合适角度，得到=级结构。
[0036] 3、四级结构
[0037] 多个S级结构组合，得到四级结构。
[003引其中；
[0039] 1)通用模块
[0040] 本发明所指的通用模块是代表肤平面中幾基与氨基形成的酷胺平面结构组合模 型，不包括肤平面的两个碳原子，通用模块具有w下结构要素：
[0041]
[0042]L1、L2、L3、L4、L5表示与相应原子相连的键。0、C、N、H原子及键L1、L2、L3、L4、 L5可W用四边形平面上的图示方法表示，也可W用代表原子和键的立体模 型表示。L4、L5 是可选结构。
[0043] 通用模块优选含有L4、L5的立体模型，模型参数L1 ;L2、L1 ;L3、L1 ;L4、L1 ;L5的 比例优选为 1. 23:0. 8 ~2. 0、1. 23:0. 6 ~2. 0、1. 23:0. 9 ~2. 5、1. 23:0. 9 ~2. 5,更优选为 1. 23:1. 32、1. 23:1. 09、1. 23:1. 53、1. 23:1. 47。
[0044] 2)氨基酸特征模块
[0045] 氨基酸特征模块是指氨基酸a碳原子及其上连接的氨原子（H)、侧链（aa)组合 形成的结构。
[0046]
[0047] 式II中aa表示侧链组合；与C原子连接的键L6、L7、L8、L9呈四面体结构。虚线 L8、L9表不备选结构。
[0048] 当通用模块中具有L4、L5时，特征模块可W没有L8、L9 ;当通用模块没有L4、L5 时，特征模块具有L8、L9 ;通用模块具有L4、L5,同时特征模块具有L8、L9,则L4、L5分别与 18、L9可W重叠组装成一个键。
[0049] 不同的氨基酸侧链可W在aa上标记出该氨基酸的名称，或者在aa上继续连接该 氨基酸侧链其余部分的结构模型。
[0化日]特征模块优选无L8、L9的立体模型，模型参数L5 ;L6、L5 ;L7的比例优选为 1. 23:0. 5 ~2. 5、1. 23:0. 6 ~2. 5,更优选为 1. 23:1. 01、1. 23:1. 53。
[0化1] 当氨基酸为甘氨酸时，特征模块可选用亚甲基模块：
[0化2]
[005引如氨基、駿基模块
[0化4] 氨基模块表示N肥-基团的结构模型，该模块可W是N原子、H原子及化学键模型 组成的固定结构或组装结构
[0化日]駿基模块表示-COOH基团的结构模型，该模块可W是C原子、0原子、H原子及化学 键模型组成的固定结构或组装结构 [0056] 4)侧链模块
[0化7] 侧链模块根据具体的氨基酸侧链制造。
[005引如半脱氨酸的侧链模块为：
[0059]
[0060] 半脱氨酸侧链模块中键与原子间为活动连接，W供形成二硫键时重新组装。
[0061] 脯氨酸的侧链模块为：
[0062]
[0063] 脯氨酸选用侧链模块时，其通用模块调整为：
[0064]
[0065] 实施例1蛋白质结构模型初级教具
[0066] 每套教具包括3个氨基模块、3个駿基模块、60个通用模块、60个氨基酸特征模块。
[0067]
[0068] 上述模块除駿基模块外，其余模块中各原子及键都在一个平面内。模块内部原子 与键之间固定，模块之间依靠连接键连接，连接处可W旋转。
[0069] 实施例2膜岛素结构模型的组装
[0070] 如图1所示，膜岛素由A、B两条链组成。
[0071] 1)采用实施例1成套教具，及6个半脱氨酸侧链模块，分别按照A、B链的氨基酸 顺序组装各模块，模块组装次序为；氨基模块---氨基酸特征模块1-通用模块1-氨基酸特 征模块2-通用模块2……氨基酸特征模块n-駿基模块。在各氨基酸特征模块的aa上标记 对应氨基酸的名称。在半脱氨酸特征模块aa上连接半光氨酸侧链模块。
[0072] 2)按照膜岛素二面角数据转动相应氨基酸通用模块与特征模块的连接键，得到膜 岛素分子的二级结构、S级结构。
[0073] 3)按照膜岛素分子二硫键位置连接相应半脱氨酸的琉基称为二硫键，得到膜岛素 分子的空间模型。
【主权项】
1. 一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于：由通用模块和氨基酸特征模块依 次重复连接而来，并分别在两端连接氨基模块和羧基模块，即：氨基模块-氨基酸特征模块 1-通用模块1-氨基酸特征模块2-通用模块2……氨基酸特征模块η-羧基模块； 所述的通用模块是代表肽平面中羰基与氨基形成的酰胺平面结构组合模型，其结构如 式I所示：其中LU L2、L3、L4、L5表示与相应原子相连的键，0、C、N、H原子及键LU L2、L3、L4、 L5用四方形平面上的图示方法或代表原子和键的立体模型表示，L4、L5是可选结构； 所述的氨基酸特征模块是指氨基酸α碳原子及其上连接的氢原子、侧链组合形成的 结构，其结构如式Π所示：其中aa表示侧链组合；与C原于连接的键L6、L7、L8、L9呈四_体结构；虚线L8、L9表 示备选结构； 所述的氨基模块表示NH2-基团的结构模型，该模块是N原子、H原子及化学键模型组成 的固定结构或组装结构； 所述的羧基模块表示-COOH基团的结构模型，该模块是C原子、0原子、H原子及化学键 模型组成的固定结构或组装结构。2. 根据权利要去1所述的一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于：所述的蛋 白质结构模中原子的形状为球形、四面体形或椭球形。3. 根据权利要去1所述的一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于：所述的通 用模块为含有L4、L5的立体模型，模型参数LI :L2、LI :L3、LI :L4、LI :L5的长度比例为 I. 23:0. 8 ~2· 0、1· 23:0. 6 ~2· 0、1· 23:0. 9 ~2· 5、1· 23:0. 9 ~2· 5〇4. 根据权利要去1所述的一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于： 当通用模块中具有L4、L5时，特征模块可以没有L8、L9 ; 当通用模块没有L4、L5时，特征模块具有L8、L9 ; 当通用模块具有L4、L5时，同时特征模块具有L8、L9,则L4、L5分别与L8、L9重叠组装 成一个键。5. 根据权利要去1所述的一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于：当氨基酸 为甘氨酸时，特征模块可选用但不仅限于：6. 根据权利要去1所述的一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于：所述的特 征模块为无L8、L9的立体模型，模型参数L5 :L6、L5 :L7的长度比例为1. 23:0. 5~2. 5、 L 23:0· 6 ~2. 5〇7. 根据权利要去1所述的一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于：所述的氨 基模块表示NH2-基团的结构模型，该模块是N原子、H原子及化学键模型组成的固定结构或 组装结构。8. 根据权利要去1所述的一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于：所述的羧 基模块表示-COOH基团的结构模型，该模块是C原子、O原子、H原子及化学键模型组成的固 定结构或组装结构。9. 根据权利要去1所述的一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于：所述的通 用模块与特征模块连接后，L4与L6、L7的夹角为60-150° ;L5与L6、L7的夹角为60-150°。10. 根据权利要去1所述的一种模块化组装的蛋白质结构模型，其特征在于：所述的蛋 白质结构模型各模块之间的连接采用可旋转的连接方式。
【专利摘要】本发明公开了一种模块化组装的蛋白质结构模型，由通用模块(肽平面模块)和氨基酸特征模块(α碳原子和侧链模块)依次重复连接而来，并分别在两端连接氨基模块和羧基模块，即：氨基模块-氨基酸特征模块1-通用模块1-氨基酸特征模块2-通用模块2……氨基酸特征模块n-羧基模块。本发明模块以肽平面和α碳原子为基本结构模块，构筑可以准确展示蛋白质一级结构、二级结构、三级结构和四级结构等空间构型的模型，利于模型的标准化生产制造和有利于学生的理解、及在科研上的应用。
【IPC分类】G09B23/26
【公开号】CN104882056
【申请号】CN201510262260
【发明人】杨仲毅
【申请人】台州学院
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月20日