使用分子可视化免费软件对酶活性位点进行建模
December 25th, 2021
生物分子建模的一项关键技能是显示和注释蛋白质中的活性位点。该技术使用四种流行的大分子可视化免费程序进行演示:iCn3D，Jmol，PyMOL和UCSF ChimeraX。
可视化生物大分子是生物科学学生和专业人士的关键技能。在该协议中，我们演示了如何使用四个免费提供的分子建模程序对葡萄糖激酶的活性位点进行建模。本教程重点介绍了每个程序方案的几个步骤，包括选择结合配体并使用配体显示五埃内的氨基酸和水分子。
本手稿的支持信息包含每个程序的专用视频，其中详细介绍了协议的所有步骤并进行了进一步的解释。该结构将对 PDBID 进行建模。3FGU代表葡萄糖激酶的催化复合物。
酶活性位点与其两个底物β-D-葡萄糖结合，其给出了标识符BGC和镁离子MG。此外，该底物类似物、磷酸氨基酸磷酸、腺苷酸酯、ANP与葡萄糖激酶活性位点结合。这种不可水解的三磷酸腺苷类似物ATP可防止磷酸化反应的发生，从而捕获活性位点复合物预催化。UCSF ChimeraX 建模程序的界面包含下拉菜单、工具栏、结构查看器和命令行。
我们将从步骤1.4开始实验方案，选择五埃内的残基来定义活性位点。要选择配体，请按控制移位，然后单击三个配体中每个配体中的任何原子或键。按向上箭头键，直到所有三个配体都亮起并发出绿色光芒。
通过单击下拉菜单中的选项来定义供将来使用，选择定义选择器，键入选择名称的配体，然后单击确定。同样，使用选择菜单选择区域。将其切换为残留物，并确保选中顶部框。
单击"确定"。请注意，这些配体的五埃以内的卡通部分被突出显示。要将侧链显示为棒并显示活动位点的水分子，请使用原子键菜单来显示它们。
或者在此处使用这些按钮打开它们。要清除所选内容，请单击空白区域中的任意位置。该协议的最终结果应该是一个模型，其蛋白质的活性位点和配体显示为以对比方式着色的棒状。
用虚线显示关键的极性结合相互作用，并标记一些使接触的残留物。iCn3D 界面包含下拉菜单、结构查看器和命令日志。此视图显示选择集以及序列和批注弹出菜单，这些菜单在用户执行需要它们的命令时显示。
我们将在步骤2.4开始实验方案，选择五埃内的残基来定义活动位点。要选择配体，请使用选择下拉菜单，然后单击3D上的选择，确保选中残留物。按住PC上的alt按钮或Mac上的选项按钮，单击第一个配体。
然后按 Control 并单击其余两个 ligan 以将它们添加到选择中。使用下拉菜单保存选择，单击选择，保存选择，输入名称，然后单击保存。现在将显示选择集弹出菜单，并选中三个配体。
现在选择配体五埃内的残基。使用下拉菜单按距离选择。在出现的弹出菜单中，通过键入块将半径为五埃的第二个项目矛更改为五埃，然后单击"显示"。
然后通过单击右上角的X关闭窗口。通过单击下拉菜单保存五埃活动站点，选择保存选择并使用键盘输入名称。然后单击保存。
现在创建一个组合两组的新选区。这些可以在选择集弹出式菜单中组合。在 PC 上，控制单击两组或 Mac 命令单击。
再次，单击下拉菜单，选择保存选择并键入新名称，然后单击保存。要显示氢键等相互作用，请使用分析菜单并选择相互作用。我们只对氢键和盐桥感兴趣。
因此，我们将取消选中其余部分。我们将选择三种配体。对于第二组，残基在五埃内。
单击 3D 显示交互并关闭窗口。这显示了一些相互作用的残基，但它没有显示整个五埃活动位点。要显示该选项，将再次使用"选择集"菜单。
单击满五埃，然后在下拉菜单中，单击样式侧链，棒。要应用 CPK 着色，请单击颜色下拉菜单，然后单击原子。该协议的最终结果应该是一个看起来像这样的模型，蛋白质的活性位点和配体显示为以对比方式着色的棒状。
重要的结合相互作用用虚线显示，并且在协议期间创建的一个选择中的所有残留物都被标记。Jmol 界面包含下拉菜单、工具栏、结构查看器、弹出菜单和包含命令行的 Jmol 控制台。我们从步骤3.4开始Jmol协议，选择五埃内的残基来定义活性位点。
Jmol 控制台是选择五埃内残留物的最佳方式。键入此命令以选择三个配体的五埃内的残基。选择了193个原子，但这些原子并不代表完整的氨基酸残基。
要选择这些，请使用键入的命令，选择in（group，selected）并按Enter键。请注意，出现了其他选择光晕。要将这些残留物显示为棍子，请右键单击以显示弹出菜单，将鼠标悬停在样式，方案上，然后单击棍子。
请注意，这里仍然有一些空的光晕。这些是活性位点中的水分子。要仅选择水分子，我们可以重新执行此命令，然后对其进行修改。
在控制台中单击，然后使用向上箭头键查找该命令，然后单击 Enter 以重新执行该命令。为了将水分子显示为原子，我们想要去除配体和蛋白质的选择。我们将键入两个命令来执行此操作。
我们的利甘人被认为是异质群体，但水也被认为是异质群体。因此，在这个命令中，我们需要定义我们不移除水。按 Enter 键，现在只选择水分子。
单击下拉显示菜单，将鼠标悬停在原子上，然后单击范德华半径的 20%。绿色镁离子仍然显示为棒状。更常见的是离子显示为球体。
在Jmol控制台中单击，然后键入选择MG，然后空间填充50%链内的配体颜色相同。为了将它们彼此区分开来，重新着色配体是很有用的。在控制台中，我将执行一个多行命令，该命令是从我在 Jmol 补充视频中详细阐述的备忘单中复制粘贴的。
该协议的结果应该是一个看起来像这样的模型，蛋白质的活性位点显示为棒状。向我们展示的配体以更柔和的配色方案粘附。黄线表示结合相互作用，并根据需要标记单个残基。
PyMOL 界面包含下拉菜单、结构查看器、名称对象面板和鼠标控制菜单。主命令行也在此图中标有标签。我们从步骤4.4开始原始协议，选择五埃内的残基来定义活性位点。
要选择配体，请单击其中每个配体。将弹出一个新选择，可以通过单击"A"按钮重命名。使用键盘，删除字母 sele 并键入 ligans 代替它们。
按回车键。我们可以使用此选择来定义其周围的区域。首先单击"A"按钮，然后选择重复的菜单项。
在此新选择 sel01 中，单击 A 并选择重命名菜单项。使用键盘删除现有字母并键入 active。这仍在选择我们的三个配体，因此我们必须使用A操作按钮再次修改它。
单击该按钮，选择修改并将所选内容展开五埃。现在我们已经捕获了五埃内的配体和残基。S 按钮上的 S 代表显示。
单击此按钮可以不同的方式显示蛋白质。我们将把这种甘草作为棍子展示。在空白处单击以清除所选内容。
这捕获了五埃内的氨基酸，但没有捕获水。我们可以再次复制选择，现在对其进行修改以仅选择水。在"操作 A 按钮"中，复制。
将出现选择 2。让我们将其重命名为活性水。这一次，我们将使用A按钮进行修改，以选择我们选择周围的原子。
四埃内的原子。这既选择了水，也选择了侧链的一些原子。要进一步修改此参数，请使用 A 按钮修改并限制为溶剂。
现在我们可以看到只有水分子被点亮了。同样在A按钮中，我们可以应用预设。选择预设，球和棍，现在水分子显示为球体。
该协议的最终结果是一个看起来像这样的模型，配体中的活性位点显示为以对比方式着色的棒状。黄色虚线显示极性绑定交互作用，并使用在名称对象面板中创建的选择来标记单个残留物。协议执行中的错误可能导致次优结果。
例如，整个蛋白质显示为棒状。要进行故障排除，用户首先需要隐藏整个结构的粘滞表示形式。然后，仅使用 S 按钮重新显示称为"活动"的对象的摇杆表示形式。
在这里，使用每个程序生成的模型并排显示。尽管酶的显示存在差异，但在四种模型中的每一种中都可以看到相同的关键特征和相互作用。有兴趣掌握包含命令行的程序之一的用户希望学习应用和修改类型化命令。
正如我在Jmol协议中提到的，一个有用的工具是命令备忘单。包含要引用的常用代码的纯文本文件。要成为高级用户，了解协议的哪些部分可以进行调整和修改是很有用的。
通过实践，这些方案可以应用于模拟任何感兴趣的酶活性位点。
概览
本文通过使用四个免费程序：iCn3D、Jmol、PyMOL和UCSF ChimeraX来可视化葡萄糖激酶酶的活性位点来展示生物分子建模的技能。本教程提供了建模和注释有结合配体的活性位点的分步说明。
主要研究组成部分
科学领域
- 生物分子建模
- 蛋白质可视化
- 酶活性位点分析
背景
- 理解蛋白质结构在生物科学中至关重要。
- 活性位点对于酶的功能和与底物的相互作用至关重要。
- 有各种软件工具可用于可视化大分子。
- 本研究聚焦于葡萄糖激酶，一种参与葡萄糖代谢的酶。
研究目的
- 教导研究人员如何有效地建模酶活性位点。
- 比较不同的分子可视化工具。
- 提供选择和显示配体和残基的全面指南。
使用的方法
- 使用iCn3D、Jmol、PyMOL和UCSF ChimeraX进行建模。
- 选择距离配体五埃内残基的分步协议。
- 可视化邻近配体的氨基酸和水分子。
- 注释关键的相互作用和结构特征。
主要结果
- 成功建模了有结合配体的葡萄糖激酶的活性位点。
- 清晰地可视化了酶与底物之间的相互作用。
- 展示了每个软件工具的功能。
- 为每个程序创建了详细的教学视频。
结论
- 该研究为生物分子建模技术提供了宝贵的见解。
- 它强调了软件工具在结构生物学中的重要性。
- 研究人员可以有效地可视化和分析酶活性位点。
常见问题
Executive Industry Relevance
Biomolecular visualization enables target validation by revealing structural determinants of ligand binding and enzyme function. Modeling active sites supports mechanistic de-risking in early discovery by clarifying structure-function relationships. This skill enhances predictive confidence in lead identification and assay development workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through visualization of ligand-binding interactions in the glucokinase active site.
- Operational Value: Supports biological de-risking by identifying key amino acid residues and water molecules involved in substrate recognition.
- Predictive Value: Facilitates portfolio triage by providing structural insights that inform target confidence and druggability assessments.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological models for downstream screening by defining active site residues within five angstroms of bound ligands.
- Operational Value: Promotes assay standardization and reproducibility through consistent visualization of binding interactions across iCn3D, Jmol, PyMOL, and UCSF ChimeraX.
- Scalability: Enables platform reuse for screening campaigns by providing transferable protocols for modeling any enzyme active site of interest.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery-stage structural insights to preclinical validation by maintaining consistency in active site modeling across workflows.
- Mechanistic De-risking: Highlights polar binding interactions and residue labeling to support structure-based design and lead optimization.
- Disease Relevance: Models human glucokinase, a key enzyme in glucose metabolism, relevant to diabetes and metabolic disorder target programs.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification by enabling structural analysis of enzyme-ligand complexes.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by visualizing how ligands bind to the glucokinase active site.
- Screening: Ensures assay readiness through standardized selection and display of residues and water molecules in proximity to ligands.
- Analytics: Generates quantitative structural outputs such as hydrogen bond visualization and residue labeling that aid in comparing ligand-binding modes.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by providing a reusable framework for modeling enzyme active sites in disease-relevant systems.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable capability for modeling any enzyme active site, reducing redundant training and increasing cross-team consistency.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation, reduction of mechanistic ambiguity in enzyme-ligand interactions.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and cross-platform consistency in biomolecular visualization.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions, capital efficiency in early discovery, and reduced biological risk in lead optimization.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of targets based on structural confidence and binding site accessibility.
Implementation Considerations
- Requires foundational knowledge in structural biology and protein-ligand interactions.
- Needs access to computational infrastructure capable of running iCn3D, Jmol, PyMOL, or UCSF ChimeraX.
- Demands cross-team standardization of visualization protocols to ensure consistent interpretation of active site models.
- Involves adaptation considerations when applying the protocol to different enzyme systems or ligand types.
- Limited by user proficiency in command-line interfaces and selection tools across the four software platforms.
