一种模块化组装肽链空间结构的装置

1、一种模块化组装肽链空间结构的装置摘要：参照蛋白质结构理论参数，设计了一种肽平面教具，可以模块化组装肽链空间结构，为教师及 学生提供直观、可操作性强而且可以展示肽平面旋转角度的模型。关键词：肽平面；肽键；氨基酸残基；肽链空间结构A modular device for assembling the spatial structure ofpolypeptide chainAbstract: Based on the theoretical data of protein structure, a peptidyl plane teaching aid is designed to provide

2、 teachers and students with an intuitive model with strong operability and easy measurement of the rotation angles of peptidyl units by modular assembly of polypeptide chain.Key Words: peptidyl plane; peptide bond; amino acid residue; polypeptide chain spatial structure普遍存在于生物界中的蛋白质具有的特定空 间构象都与其发挥特殊

3、的生理功能密切相关，因 此，研究蛋白质的结构对研究其功能至关重要。 蛋白质的基本组成结构单位是氨基残基，相邻两 个氨基酸残基由肽键相连1。1肽平面简介由于肽键中酰胺氮和羧基氧之间共振作用致 使肽键具有部分双键性质，不能自由转动，因 此，参与肽键形成的六个原子cal、C、O、N、 H、Ca2在一个平面内，称为肽平面或酰胺平面。 蛋白质的二级结构是蛋白质主链骨架原子的相对 空间位置，是蛋白质分子某一段肽段的局部空间 结构，a螺旋、6折叠是蛋白质二级结构最为常见 的基本结构模型，肽平面是蛋白质二级结构的基 本单位1。2肽平面教具研究现状目前，常规球棍模型所示意单一的肽平面， 均靠我们想象并非将其真正

4、设计在同一平面实体 物上，因此在教学上同学们难以理解与掌握，教 师很难将这一重点内容讲解透彻。现有专利技术 “一种模块化组装蛋白质的结构模型”公开了肽 平面的球棍结构及用于组装蛋白质空间结构的方 法2，其构成缺乏平面感，使肽平面涉及的难理解 知识点如角和v角更为抽象，缺乏直观性。教师在讲述蛋白质二级结构时，也只靠课本 图形及简单的二维图形来帮助同学理解，同学们 难以掌握。在现有的蛋白质结构功能教学过程中 尚无一种能简单、直观展示肽链空间结构的基本 模型。基于此，我们设计一种可以真正模拟肽平 面，并可组装成蛋白质二级结构，特别是a螺旋、6折叠的基本结构的模具方法，为蛋白质结构科学 的教学提供模型

5、基础。3肽平面教具模型基本数据确定根据Berkholz等3给出的肽平面的六个原子所 在位置及相应的键角、键长的基本理论数据（图1）制 作肽平面教具模型，模块尺寸及数据参数见图2。4肽平面教具方案设计肽平面教具模块由小型整体肽平面和可拆分 肽平面组成。4.1小型整体肽平面模块小型整体肽平面模块由基本模块1和模块2组 成，该模块用于展示寡肽空间结构，如a螺旋、p 折叠等二级结构。4.1.1模块11、型整体肽平面模块模块1为小型整体肽平面模块，该模块的相应 数据参数如图2所示。根据基础数据设计小型肽平 面模块图3。图中中线表示肽平面各个原子中心连 线。该模块基本为平面结构，厚度为3 mm，其中 沿着

6、Ca-C。和Ca-NH键设计有外径18 mm，内径16 mm的贯穿性长孔，用于连接Ca模块。4.1.2模块2-Ca原子模块模块2为Ca原子模块，该模块如图4所示，主 体为四个由中心发出，并互为109度28分的管，外 径16 mm，内径14 mm。其中三个管长为68 mm，图1肽平面理论数据注：上为俯视图，下为前视图 图3模块1-小型肽平面模块另一个为短管，长50 mm，并且连接一个球体，直 径32 mm。三个长管中有两个在距离中心35 mm处 有垂直于管长方向的薄圆盘，直径为45 mm，厚度 为3 mm，圆盘外贴360度刻度量角器，用于测量。 和V角，其0线位于这两个长管中心线相交所成平 面。

7、一个管标注-NH,另一个管标注-CO。由于构成蛋白质的20种氨基酸除了甘氨酸， 均为L-氨基酸，所以四个管取向为：当-NH管向 下，-C。管向右侧偏上时，位于上方的为第三个长 管，标注-R,位于下方的为短管，所连的球标注 H。-NH, -CO, -R分别表示要连接氨基酸的a氨基 N，a羧基C和R侧链。4.2可拆分肽平面模块图2肽平面教具参数图4模块2-Ca模块的俯视图及前视图可拆分肽平面模块是由基本模块3、模块4和 模块5组成。该教具模型是为了清晰展示氨基酸残 基如何彼此连接成键，形成肽平面，以及更清晰 地展示相邻肽平面的相对位置，设计了长度比小型 整体肽平面大一倍的可拆分肽平面模块。其中模块

8、 3为羰基端模块、模块4为亚氨基端模块（图5）。二 者相接的部分设计了插接结构，模块3有两个插孔，内径4 mm,与之相配合的模块4有两个插头， 外径4 mm。可拆分肽平面配套的Ca模块，命名为 模块5,该模块设计方案同模块2,与模块图2肽平面教具参数图4模块2-Ca模块的俯视图及前视图5肽平面教具模块的实际应用5.1利用可拆分模块可以展示肽键肽键是一个氨基酸的a氨基与另一个氨基酸的 a羧基脱水缩合而成，故利用模块3（羰基端模块）和 模块4（亚氨基端模块）通过中间的插孔展示和组装 （图6）。5.2利用可拆分模块可以展示氨基酸残基及寡肽利用可拆分模块可以组装和展示氨基酸残 基，还可以展示二肽、三肽

9、等寡肽。由于肽链氨 基酸以残基的形式存在，故可以用模块4（亚氨基端模块3-羰基端模块（左）模块4-亚氨基端模块（右）图5模块3和模块4示意图模块），模块5（Ca模块），模块3（羰基端模块）按照从 左到右的顺序组装成氨基酸残基（图7）。寡肽的展 示：模块4-模块5-模块3-模块4-模块5-模块3-模块4- 模块5-模块3，进而展示蛋白质的一级结构。5.3利用小型整体肽平面模块1和模块2展示肽平 面旋转角相邻肽平面的角和V角4如图8所示，可利用 肽平面模型中所配备圆盘量角器，展示相邻肽平 面的角和V角。将两个相邻的肽单位从氨基（N）末 端到羧基（C）末端，从第一个a-碳原子开始将肽链 上的原子编为

10、N1-Ca1-C1-N2-Ca2-C2-N3-，这些原 子属于肽链的主链骨架原子。当Ca2-C2键与 C1-N2键呈顺式结构时，0 = 0，反式结构时 。=180。；沿N2-Ca2键轴从Ca2端观察，键以顺时 针旋转0增大，逆时针0减小。当N1-Ca1键与 C1-N2键呈顺式时v=0，反式时v=180 ；沿 Cal-Cl键轴从Cal端观察，键以顺时针旋转V增 大，逆时针旋转V减小。5.4利用小型整体肽平面模块1和模块2展示a螺 旋和P折叠利用多个基本模块1、多个基本模块2和多个 氢键组装及展示蛋白质的二级结构a螺旋的方法： 将一个基本模块2中标注-NH的长管插入一个基 本模块1的右上角孔中；将

11、一个基本模块2中标图8图8肽平面的角和V角图6模块3和模块4拼接展示肽键图7模块4-模块5-模块3组成氨基酸残基注-CO的长管插入另一个基本模块1的左下角孔 中；调整0角为-47, V角为-57同；重复步骤 至，继续延伸；在每个基本模块1中H原子 标记上的圆形插孔和从其开始数第四个基本模块1 中O原子标记上的圆形插孔之间插入氢键模块，以 稳固a螺旋结构。利用多个基本模块1、多个基本模块2和多个 氢键模块组装及展示蛋白质的二级结构反平行6折 叠的方法：将一个基本模块2中标注-NH的长管 插入一个基本模块1的右上角孔中；将一个基本 模块2中标注-CO的长管插入另一个基本模块1的左 下角孔中；调整角为-139，v角为135可； 重复步骤(1)至(3),继续延伸；在每个基本模块1 中H原子标记上的圆形插孔和相邻基本模块1中H 原子标记上的圆形插孔之间插入氢键模块，用以 展示氢键对稳定6折叠结构起的作用。6肽平面教具在生物化学教学中的意义肽平面教具基于蛋白质结构学的理论数据支 持，克服了现有技术中缺乏直观性及可操作性的 缺点，通过肽平面三维模型的重建，提供一种模 块化组装肽链空间结构的方法，用于蛋白质结构 的教学中，为教师及学生提供肽平面的教具模 型，将会使蛋白质的基本结构教学工作更具有直 观