VMD教程(0617000105).pdf
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1、. . 简介: 这个教程为新用户介绍了VMD的用法。老用户也可以用本教程进一步熟悉程序的应 用,以更好地利用VMD 。本教程是针对VMD 1.8.3 设计的,需要约3 个小时来完成。 本教程新增的内容可用三个独立的单元讲解。第一个单元主要内容是分子图形表现方法 基础,还会介绍制作形象逼真的图像要了解的知识。另外的两个单元是针对高级用户,介 绍了 VMD 的脚本。 尽管非技术性用户可以略去脚本的阅读,但是我们鼓励每个人都去试一 试着读一下, 因为它会提供一些有力而易用的工具,这些工具是简单的图形用户界面所无法 提供的。 本教程以一种有趣的小蛋白质泛素的研究为例来说明VMD 的应用。 在本文中,
2、一些资 料是在小框中出现的。这些小框中包括教程的补充内容,例如泛素扮演的生物学角色,使用 VMD 的一些提示和捷径等等。 如果你有对本教程的评论和问题,请发邮件至tutorial-lks.uiuc.edu 。邮件列表可以在 http:/www.ks.uiuc.edu/Training/Tutorials/mailing list/tutorial-l/.中找到。 泛素本教程会用 VMD 来显示泛素。 泛素是一个由76个氨基酸组成 的小蛋白质, 在所有的真核生物中普遍存在。在所有真核生物蛋白 质中,泛素是最为保守的蛋白质之一(在昆虫,鱼,牛和人中,前 74个氨基酸是完全一样的)。它已被证明存在于
3、细胞核、细胞质和 细胞表面。 它首要的功能是介导蛋白质降解,在降解过程中, 作为 细胞内蛋白水解酶识别的标志。 需要的程序: 以下是本教程中需要的程序 VMD: 可以从 http:/www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/ 下载(在所有平台上均可使用)。 绘图程序:要观看从VMD 输出的图像,需要专门的程序。VMD 有一个内置的绘图程序, 也可以应用外部程序。应用什么程序是由你的操作系统决定的。例如: Unix/Linux: xmgrace, http:/plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/ Windows: Excel, http:/ (需要购
4、买 ) Mac/Multiple Platforms: Mathematica, http:/ (需要购买 ); gnuplot, http:/www.gnuplot.info/(免费下载 ) 现在开始学习VMD 你可以在VMD-tutorial-files目录里找到本教程的文件。如图1 所示的 VMD-tutorial-files的 文件和目录 . . 图 1:VMD-tutorial-files的目录结构 运行 VMD , 可以在 Unix 终端窗口中键入vmd, 在Mac OS X 的应用文件夹中双击VMD 应用 程序图标或者在windows 中单击开始程序VMD 。 1 VMD 基础
5、在本单元中你会通过构建一个泛素的较美观的图形来熟悉VMD 的基本命令。另外,你 可以学习怎样用VMD 来寻找蛋白质结构上的有趣的特点。 11导入分子 第一个步骤是导入分子。在教程中提 供了一个 pdb文件 1UBQ.pdb,文件中包含 了泛素的原子坐标。 1在VMD 主窗口的菜单栏中选择File New Molecule ,如图 2(a),屏幕上会显 示另外一个窗口, 即Molecule File Browser (b)。 2应用 Browse.(c)按钮在 vmd-tutorial-files 中找到文件 1UBQ.pdb ,注意到当你选择这个文 件的时候,就会回到Molecule File
6、 Browser窗口。为了精确地导入你要 导入的文件一定不要忘了按下Load(d)按钮。 现在,泛素在你的OpenGL Display 窗口中显示出来。你可以随时选择Molecule File Browser 窗口。 图 2 导入分子 . . Webpdb. 如果网络连接可用,VMD 可以从蛋白质数据库中下载pdb文件。只 要在 Molecule File Browse 窗口的 File Name中键入四个字母的蛋白质号,再点 一下 load就可以了。 VMD 会自动下载该pdb文件。 坐标文件。文件1UBQ.pdb 与泛素的 X射线衍射 1.8埃分辨率侧的结果 香对应( Senadhi Vi
7、jay-Kumar, Charles E. Bugg and William J. Cook, J. Mol. Biol. (1987) 194, 531)。注意蛋白质被58个水分子包围,结果中不包含氢 原子。 12 显示蛋白质 为了观察蛋白质的三维结构, 我们要用到多种鼠标模式。 1 在 OpenGL Display 中 ,按下 鼠标左键同时移动鼠标。进一 步观察有什么现象。这是鼠标 的旋转模式,通过这种模式, 你可以让这个分子绕一个与 屏幕平行的轴旋转。图3( a) 2 如果你按下鼠标右键,重复上一步骤, 分子会绕一个与屏幕垂直的轴旋转(b)(对于 Mac 用户来说,右键产生的效果与在按下
8、mouse菜单选项后点击命令按钮是一样的)。 3 在 VMD 主窗口中,看一下Mouse菜单 (图 4),这里,你可以把鼠标模式从 Rotation 更换到 Translation 或者 Scale modes。 4 Translation模式允许你按住鼠标左 键,在屏幕上移动分子。在Translation 模式下,你可以通过按下鼠标中键来改 变剪切板。 5在Scale模式下,你可以按住左键水 平移动鼠标来缩小或放大分子。 需要注意的是:鼠标运动不会改变分子中的原子坐标。 图 3 旋转模式 图 4 鼠标模式 . . 鼠标模式。 注意每一种鼠标模式都有独特的指针形状,也有独特的快捷键 ((r:
9、Rotate, t: Translate, s:Scale),可以代替菜单使用。(当用快捷键的时候,要 保证 OpenGL Display 窗口是活动的)。在VMD 用户手册中可以获得更多的 信息。 Mouse Center菜单项也很有用,它允许你确定分子绕之旋转的支点。 6选择 Center菜单项,在蛋白质一端选择一个原子,这时指针会显示成一个十字。 7现在,按下 r, 用鼠标旋转分子,看一看你的分子是怎么绕着你选择的支点运动的。 8 选择 Display Reset View菜单项 (=快捷键 ),回到默认界面。 13 学习应用不同的绘图模式 VMD 可以用很多种绘图模式来显示你的分子。这
10、里,我们要进一步学习那些可以帮助你确 定蛋白质中不同结构的绘图模式。 1 选择 GraphicsRepresentations 菜单项,一个叫做Graphical Representations的窗口会出现,见图5 (a)中黄色高亮。你可以看到目前显 示的分子的图形显示法。 2在Draw Style 标签中( b)我们可 以改变所表示的style (d) 和color (c)。在这一部分我们重点来看 drawing模式。 3每一种绘图方法都有自己的参数 控制。例如,改变线条的稠密度可 以用 Graphical Representations窗 口右侧底部的控制按钮(e)。 4现在,在 Draw
11、ing Method 中选择 VDW(van der Waals) , 每一个原子 现在都表示为球形。 用这种方式你 可以更容易地看出蛋白质的体积 分布是怎样的。 5要观察蛋白质内部的原子排布,用窗口右侧底部的控制按钮改变Sphere Scale到 0.5, 图5 Graphical Representations 窗口 . . Sphere Resolution 到13。注意分辨率越高,分子的显示速度越慢。 6 注意 Coloring Method Name菜单项 , 每一个原子都有其自己的颜色,比如, O是红 色的, N是蓝色的, C是青色的, S是黄色的。 7 按下 Default键,这
12、个操作允许你回到默认的绘图方式中。 . 前面的显示方式可以让你看到蛋白质大分子的细节。但是,更多的普遍结构属性可以用抽象 的绘图方式来观看。 8在Drawing Method 下选择 Tube style,观察蛋白骨架。Radius设为 0.8。 9在tube模式下观察你的蛋白质,你可以分辨出它有多少 螺旋、 折叠和无规则卷曲吗? 我们要了解的最后一个绘图模式是NewCartoon。它可以给出一个以二级结构为基础的简化 的蛋白质图像。 螺旋以卷曲的条带状表示, 折叠以固形箭头表示,所有其它的结构以管状 表示。这可能是观察蛋白质分子总体构造的最普遍的方法。 , 10 选择 Drawing Met
13、hod NewCartoon. 11 现在确定蛋白质分子中有多少 螺旋、 折叠和无规则卷曲。 泛素的结构。泛素有一个三圈半的 螺旋(残基 23到 34,其中有三 个是疏水的) ,一个 310-螺旋(残基 56到59),还有 5个 折叠(残基 1到7,10到17,40到45,48到 50,64到72),还有 7个反向转角。 VMD 用 STRIDE 程序,以一种探索性的法则计算出二级结构 更多显示方法。还有有趣的显示方法是CPK 和 Licorice 。在 CPK 中, 就像以前化学中的球棒模型,每个原子都用球形表示,每个键都用圆柱 棒表示(球和圆柱形棒的半径和分辨率都可以独立地调节)。Lico
14、rice 绘 图方法(广泛使用)也用球形表示原子,用圆柱形棒表示键,但是球的 半径不能被独立调节。 . . 14 学习不同的着色方法 1 现在,让我们来改变所显示图像的颜色。选择Coloring Method ResType图5( c),这 可以区别非极性基团(白色),碱性基团(蓝色)、酸性基团(红色)和极性基团(绿色)。 2 选择 Coloring Method Structure (c),确定 NewCartoon表示的图形与二级结构相一致。 15 学习不同选择 让我们来看一看分子中不同的独立的部分。 1 如图 5 (f),在Graphical Representations窗口的 Sel
15、ected Atoms文本输入框中删去“all” , 输 入helix ,然后按下 apply按钮或者按下键盘上的Enter或者 Return键(每当在文本框中输入后 都可执行同样的操作),VMD 会显示出分子中的 螺旋结构。 2 在 Graphical Representations窗口中选择 Selections标签, 如图 7(a)。在Singlewords (b) 这一 部分中你可以发现可以输入的选项表列。例如,要显示 折叠而不是 螺旋,就可以在 Selected Atoms的文本输入框中输入合适的词。 图6 泛素Licorice, Tube and NewCartoon 显示方法 .
16、 . 布尔操作组合也可以用于选择时的文本 输入。 3 为了看分子除了 螺旋和 折叠的部 分,可以在 Selected Atoms中输入: (not helix)and(not betasheet) : 4 Selections标签(b)的 Keyword (c) 栏 可根据蛋白质某些部分的特定值来进行 选择。看一看 Keyword resname (d) 中的 可能值。输入 (resname LYS) 或者 (resname GLY) 可以显示蛋白质中所有 的赖氨酸或者甘氨酸。赖氨酸在泛素的 构型中扮演重要的角色。 . 5 现在,把当前显示的Drawing Method 改变到 CPK模式,把
17、 Draw Style 中的 Coloring Method 改到 ResID。 在屏幕中可 以看到不同的赖氨酸和甘氨酸。每一种 有多少个你能数得清吗? 6 在 Selected Atoms的文本输入框中输 入water。选择 Coloring Method Name。你可以看到在整个系统中的58 个水分子(实际上只有氧被显示出来)。 7 为了看一看哪些水分子离蛋白质分子更近一些,可以用within 命令。 输入 waterwithin 3 of protein ,这就选择了距离蛋白质3埃之内的所有的水分子。 8 最后,在 Selected Atoms中键入下列内容: : Selection
18、Action protein resid 1 (resid 1 76) and (not water) (resid 23 to 34) and (protein) Shows the Protein The first residues The first and last residues The _ helix 前述的选项提供了研究蛋白质或其他分子的有力工具。 16 多重显示 图7 Graphical Representations 窗口和 Selection标签 . . 如图 8(a),在Graphical Representations 窗口中,用 Create Rep按钮可以创建多
19、重 显示图像。因此,你可以让分子的不同 部分显示不同的样式和颜色。 1 对当前显示, 把Drawing Method 设为 NewCartoon,把 Coloring Method 设为 Structure. 2 在 Selected Atoms 中键入protein. 3 按下 Create Rep键( a),现在,用 Draw Style 菜单项和 Selected Atoms文本 输入框来更改新的图形显示,可以把 Drawing Method 设为 VDW ,Coloring Method设为 ResType,并键入 resname LYS,使其成为当前选择。 4 重复前述步骤,产生下列
20、两种新的显 示方法: Drawing Style Coloring Method Selection CPK VDW Name ColorID1 Water Resid 1 76 and name CA , 5 再次按下 Create Rep按钮,创建最后一个图形显示法。选择Drawing Method Surf, Coloring Method Molecule,在Selected Atoms中键入 protein。在Material 部分 (c)中选择 Transparent菜单项。 6 用鼠标你可以选择已创建的不同的显示法,并可以独立地改变其中的任何一种。你也可以 用双击鼠标或者Dele
21、te Rep按钮打开或关闭它们。关闭第二个和最后一个图形表示法。在这 一部分的最后,Graphical Representations窗口的显示如图8 , 图 8 泛素的多重显示方法 . . 17 Sequence Viewer Extension 当第一次处理一个蛋白质分子的 时候, 快速找出和显示不同的氨基 酸是非常有用的。Sequence Viewer Extension 可以让你很容易 地选出和显示氨基酸残基。 1 选择 Extensions Analysis Sequence Viewer菜单项,一个 包含氨基酸 (图 9e)和它们属性的 列表( b)和( c)的窗口(图 9 a)
22、会出现在屏幕上。 2 用鼠标点击列表中不同的氨基 酸残基( e),观察它们是如何被 标记为高亮的。 另外,高亮的残基 还会在 OpenGL Display 窗口中以 黄色 bond drawing方式显示,因此 你可以很容易地观察它们。用鼠标 右键可以解除选择。 3 用 Zoom滑块控制窗口(f),使 其能够显示所有残基。 这在大的蛋 白质分子中比较有用。 4 按住 shift键时同时按下鼠标,就 可以同时选择多个残基。看一下图 中显示的残基 48, 63, 11 和29 (e)。. 5 观察 Graphical Representations窗口,用 SequenceViewer Exten
23、sion ,你应该能发现一种新的 显示所选残基的方法。就像你以前做过的那样,你可以修改、 隐藏、或者删除这种显示方法。 赖氨酸的相关性。 多个泛素链可以被C和N末端肽键连接, 也可以通 过lys48,63,11或者 29连接(就是你在sequence窗口中选择的)不 同连接形成的链有着与功能相关的不同的属性。 关于残基的信息用柱状彩色标记表示,它们是从STRIDE 中得到的。 B-value表示的是温度因 图 9 sequence窗口 . . 子的变化, struct表示二级结构,在图中,各种颜色所代表的意义都用字母作了标注。 . T E B H G I C Turn Extended con
24、formation (_ sheets) Isolated bridge Alpha helix 3-10 helix Pi helix Coil 18 保存结果 用VMD 创建的图形可以与创建的图形显示法,VMD 环境设置一起保存。这里提到的VMD 环境设置包括你开启一个新的VMD 环境所需要的所有信息,这就不会使你以前的工作成果 丢失。 1 在 VMD 主窗口,选择 File Save State菜单项,写上一个合适的文件名(例如: myfirststate.vmd) 保存。 File Load State菜单项允许你导入一个保存过VMD 环境设置,就像保存时一样,虽然 设置好的 VMD
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