PyMOL教程：蛋白质结构叠加图文详解版

PyMOL教程

本文将会介绍如何利用PyMOL软件进行蛋白质结构叠加，这一技巧在对比未结合抑制剂的酶与结合了抑制剂的酶时尤为关键。

通过这种方法，我们可以细致地观察并分析结构上的变化。如果蛋白质经历了显著的构象变化，我们还可以利用叠加技术，精确测量并比较各组成部分的位置移动，从而深入理解这些变化对蛋白质功能的影响。

01 加载与查看NMR结构

NMR（核磁共振）结构因其能够展示蛋白质的多种动态构象而备受青睐。以PDB编号2k39的泛素NMR结构为例，我们可以通过在命令行输入fetch 2k39来加载这个结构。

泛素是一种在真核生物中参与多种过程的调节蛋白，它能够与其他蛋白质共价结合，导致它们发生构象变化，被标记为蛋白酶分解，以及其他多种作用。

02 NMR结构的动态展示

这个编号为2k39的NMR结构具有116种不同的状态，展现了泛素的多种构象。如果我们想一次查看一个构象，可以点击切换按钮来手动查看这些构象的变化，也可以通过在命令行中输入mplay来自动播放这些构象，让蛋白质在多种状态之间快速切换，以便更直观地体验蛋白质的动态性。

如果觉得播放速度太快的话，我们可以在菜单栏中选择“Movie”“Frame Rate”“5 FPS”，让它播放得更慢一些。这样，我们就可以更清楚地看到泛素的灵活性，以及α螺旋是如何移动的。

如果要停止播放，我们可以在命令行输入mstop或者按下停止按钮。

03 蛋白质结构叠加案例

比较未结合抑制剂的酶与结合了抑制剂的酶

3.1 加载结构

我们通过在命令行中输入fetch 1J74、fetch 1D3Z和fetch 2GMI，加载可以叠加的结构。

PDB编号为1J74的蛋白质是一种酶，它参与了将泛素共价连接到其他蛋白质的生物过程，这是泛素化过程的第二阶段。为了比较这些结构并找出任何可能的重大变化，我们可以使用super命令。

3.2 执行叠加命令

通过在命令行中输入super 1D3Z,2GMI和super 1J74,2GMI，我们可以看到所有结构都已经对齐。

为了确保2GMI始终作为参照点，我们两次使用super命令时都需要将其作为最后一个输入的PDB ID，这样其他所有结构都将相对于2GMI进行叠加。这样做可以让我们清晰地比较其他蛋白质结构与2GMI结合泛素的蛋白质结构之间的差异和变化。

3.3 隐藏非相关部分

首先按下Shift键选择整个A链，接着我们选择面板中新增栏目“sele”,点击“A”标签下的“rename selection”来重命名该栏目，直接删除“sele”并输入“unaligned”然后按回车键即可。

通过单击“unaligned”栏目“H”标签下的“everything”，我们就可以单独隐藏整个A链。

3.4 观察结构

如果我们想更详细地观察某个部分，可以单击“1D3Z”栏目“A”标签下的“zoom”来放大到与泛素结合的区域。

通过点击播放或者切换按钮，我们可以观察蛋白质的动态情况，看看哪一个构象与2GMI结构对齐得最好。综合观察后，我们发现状态5与2GMI的结构非常匹配。

在观察过程中，我注意到了一些细微的差异。例如，在某些部分，绿色结构的有序性比粉色结构更高。虽然环（loops）的灵活性较高且在不同结构中可能有所不同，但二级结构元素（如α螺旋和β折叠）是相当明确的，并且对于对齐来说更为重要。因为环非常灵活且在不同实验条件下可能呈现不同构象，所以在给定的NMR结构中，我们无法确定它们的确切位置。

04 去泛素化酶的结构叠加

在super命令不起作用时可以参考这个案例进行蛋白质结构叠加。

4.1 加载结构

我们在命令行中输入fetch 1D3Z、fetch 1NB8和fetch 1NBF，获取相同的泛素结构。1NB8和1NBF都是去泛素化酶，其中1NB8具有从其他蛋白质上去除泛素的功能，而1NBF则作为与1NB8进行对比的对象。

4.2 执行叠加命令

我们的目标是将1NB8与1NBF进行结构对齐。我们可以先放大视图，仔细观察泛素部分的对齐情况。通过观察，我们发现泛素部分的对齐效果很不错，这为我们接下来的叠加操作提供了良好的基础。

通过在命令行中输入super 1D3Z,1NBF和super 1NB8,1NBF，我们将未结合泛素的1NB8与结合了泛素的1NBF进行叠加。

4.3 观察结构并验证序列对齐

通过观察对齐结果，我们发现1NB8与1NBF的整体结构对齐效果非常好。然而，我们也注意到了一些细微的差异。例如，在1NB8中，存在一个α螺旋，而在1NBF中该位置并没有对应的α螺旋；同时，它们的β折叠结构也有些交织在一起。

这是一个好的迹象，说明我们可以继续检查序列，确保它们来自同一生物体并且序列相同。我们可以通过菜单栏中的“Display”“Sequence”选项来展示序列对齐。经过检查，我们发现大部分序列与参考序列的对齐结果非常吻合。

如果在尝试使用PyMOL对蛋白质结构进行叠加时遇到问题，可能是因为蛋白质之间存在较大的构象变化，这导致自动化对齐工具难以正确匹配结构。这种困难可能是因为软件在对齐过程中选择了蛋白质的不同部分作为参照点，尤其是当这些部分在结合和未结合抑制剂时变化显著。

例如，我们注意到1NBF的结构比1NB8的结构复杂得多，这可能是对齐困难的原因之一。1NBF较大的结构意味着有更多的原子和可能的空间结构变化，这增加了自动化对齐工具处理的复杂性。因此，在这种情况下，可能需要手动选择特定的蛋白质区域进行精确对齐。

4.4 再次执行叠加命令

为了解决蛋白质结构对齐中遇到的挑战，例如由于构象变化或残基缺失导致的问题，我们可以在PyMOL中创建特定的选择集来更精确地控制分析过程。

首先，我们按住Shift键选择链A，将视序列图滚动到那些在晶体结构中无法观察到的残基部分，这些残基虽然理论上应该存在，但由于各种原因在晶体结构的电子密度图中未能显示出来。

接下来我们可以看到面板中新增了栏目“sele”，点击该栏目“A”标签下的“rename selection”，将栏目重新命名为“1nb8sele”。同样的方法，我们再给1NBF创建一个选择集，并命名为“1nbfsele”。

通过这种方式，我们可以专注于结构中那些已知或被预测为重要的区域，并在对齐过程中排除或特别处理那些缺失残基的部分，从而提高对齐的准确性和可靠性。

现在，通过在命令行中输入super 1nb8sele,1nbfsele，我们可以看到，许多之前没有对齐的部分现在都已经对齐了，下一步就是处理那些没有对齐的部分。

4.5 隐藏非相关部分

我们可以点击未对齐结构中的一个残基，它会在序列中高亮显示，然后我们滚动查看序列，这样就可以确定正在查看的是哪条链。通过这种方式，我们可以精确地选择并隐藏整个链，或者选择并隐藏另一条链的特定部分。

按照上面的方法，我们按住Shift键，选择1NB8（蓝色）B链的起始残基到最后的水分子。这时在面板中新增一个名为“Sele”的栏目。单击“sele”栏目“H”标签下的“everything”可以隐藏所有非相关部分。

依据此步骤，我们把1NBF（红色）结构未对齐的E链、B链和C链也都隐藏了起来。完成了初步的步骤后，我们在命令行中输入hide nonbonded，隐藏水分子和非键合原子，以便更清晰地聚焦于这个蛋白质结构。

4.6 活性位点建模

根据文献，活性位点残基是组氨酸H464和H1622。因此，我们需要在1NB8的A链中定位这些残基，并在蛋白质A链中为它们分别创建选择集。

首先，我们回到1NB8的A链，找到H1622。接着，我们滚动序列找到H464。在这里，我们可以看到面板中新增了名为“Sele”的栏目，这两个残基被高亮标记出来，我们将这个栏目命名为“active1nb8”。接下来，我们对1NBF蛋白质重复相同的步骤。

接着，我们点击“active1nb8”栏目“A”标签下的“zoom”，来放大这些残基，以便更仔细地观察。为了更清晰地看到它们的结构，我们点击“active1nb8”和“active1nbf”栏目“S”标签下的“sticks”选项，以棒状形式展示每一个残基。

4.7 测量残基的位移量

当我们观察这些活性位点残基时，会发现它们在结合泛素后发生了显著的位移。测量单个残基的位移量对于了解催化残基之间的距离变化非常有用。在这个蛋白质中，我们可以看到在未结合泛素时，这些残基相隔很远，但一旦结合泛素，它们就被拉近了很多。

为了更具体地了解这种位移，我们可以单击菜单栏“Wizard”“Measurement”，来测量这些氮原子之间的距离。

通过这种方式，我们发现某个残基在结合泛素后发生了2.8Å的位移。