VMD教程

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VMD1.8.3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，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[e-mail]。邮件列表可以在中找到。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,–Windows:Excel,(需要购买)–Mac/MultiplePlatforms:Mathematica,(需要购买);gnuplot,(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MacOSX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。1VMD基础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。1．1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——NewMolecule，如图2（a），屏幕上会显示另外一个窗口，即MoleculeFileBrowser(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MoleculeFileBrowser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OpenGLDisplay窗口中显示出来。你可以随时选择MoleculeFileBrowser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MoleculeFileBrowse窗口的FileName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（SenadhiVijay-Kumar,CharlesE.BuggandWilliamJ.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。1．2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OpenGLDisplay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Scalemodes。4Translation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:Rotate,t:Translate,s:Scale)，可以代替菜单使用。（当用快捷键的时候，要保证OpenGLDisplay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——ResetView菜单项(=快捷键)，回到默认界面。1．3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Graphics——Representations菜单项，一个叫做GraphicalRepresentations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DrawStyle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GraphicalRepresentations窗口右侧底部的控制按钮（e）。4现在，在DrawingMethod中选择VDW(vanderWaals)，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SphereScale到0.5，图5GraphicalRepresentations窗口SphereResolution到13。注意分辨率越高，分子的显示速度越慢。6注意ColoringMethod——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DrawingMethod下选择Tubestyle，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α螺旋、β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。α螺旋以卷曲的条带状表示，β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DrawingMethod——NewCartoon.11现在确定蛋白质分子中有多少α螺旋、β折叠和无规则卷曲。泛素的结构。泛素有一个三圈半的α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β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）。Licorice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。1．4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ColoringMethod——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ColoringMethod——Structure(c)，确定NewCartoon表示的图形与二级结构相一致。1．5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GraphicalRepresentations窗口的SelectedAtoms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α螺旋结构。2在GraphicalRepresentations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β折叠而不是α螺旋，就可以在SelectedAtoms的文本输入框中输入合适的词。图6泛素Licorice,TubeandNewCartoon显示方法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α螺旋和β折叠的部分，可以在SelectedAtoms中输入：(nothelix)and(notbetasheet):4Selections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Keywordresname(d)中的可能值。输入(resnameLYS)或者(resnameGLY)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DrawingMethod改变到CPK模式，把DrawStyle中的ColoringMethod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SelectedAtoms的文本输入框中输入water。选择ColoringMethod——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waterwithin3ofprotein，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SelectedAtoms中键入下列内容：:SelectionActionproteinresid1(resid176)and(notwater)(resid23to34)and(protein)ShowstheProteinThefirstresiduesThefirstandlastresiduesThe_helix前述的选项提供了研究蛋白质或其他分子的有力工具。1．6多重显示图7GraphicalRepresentations窗口和Selection标签如图8（a），在GraphicalRepresentations窗口中，用CreateRep按钮可以创建多重显示图像。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DrawingMe