使用分子可视化免费软件模拟酶活性位点

可视化生物大分子是生物科学领域学生和专业人员的一项关键技能。在本实验方案中，我们演示了如何利用四种免费的分子建模程序来构建葡萄糖激酶酶活性位点的模型。本教程重点介绍了每个程序操作流程中的多个步骤，包括选择结合配体，并利用这些配体显示五埃范围内的氨基酸残基和水分子。

本论文的补充信息中为每个程序提供了专门的视频，详细展示了方案的各个步骤并加以进一步说明。该结构对应 PDBID. 3FGU，代表葡萄糖激酶的催化复合物。

酶的活性位点结合了两个底物：β-D-葡萄糖（标识符为BGC）和一个镁离子（MG）。此外，该底物类似物——磷酸氨基磷酸腺苷酯（ANP）——也结合在葡萄糖激酶的活性位点上。这种不可水解的三磷酸腺苷（ATP）类似物ANP可阻止磷酸化反应的发生，从而捕获催化前的活性位点复合物。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。

我们从第1.4步开始本实验方案，选择距离在五个埃以内的残基以定义活性位点。要选择配体，请按住Control键和Shift键，然后依次点击三个配体中的任意原子或化学键。按下方向键“上”直至三个配体均被绿色光晕高亮显示。

通过点击下拉菜单定义该选择以供将来使用，选择“定义选择器”，在选择器名称中输入“ligands”，然后点击确定。再次使用选择菜单，选择“区域”。将其切换为残基，并确保顶部的复选框已被选中。

单击“确定”。注意，这些配体五埃范围内的卡通图部分将被高亮显示。要将侧链以棍状形式显示并展示活性位点的水分子，请使用“操作-原子-键”菜单来显示它们。

或使用此处的按钮将其打开。要清除选择，请在空白区域任意位置点击。本实验方案的最终结果应是一个模型，其中蛋白质的活性位点和配体以棍状形式显示，并用对比色标注。

关键的极性结合相互作用用虚线表示，并标注了部分参与接触的残基。iCn3D 界面包含下拉菜单、结构查看器和命令日志。此视图展示了选择集、序列以及注释的弹出菜单，这些菜单会在用户执行需要它们的命令时出现。

我们从第2.4步开始本实验方案，选择距离在五个埃以内的残基以定义活性位点。要选择配体，请使用选择下拉菜单，点击3D中的“select”，并确保已勾选残基选项。在PC上按住alt键，或在Mac上按住option键，然后点击第一个配体。

然后按住 Control 键并单击其余两个配体，将其添加到选中状态。使用下拉菜单保存选区：单击“选择”→“保存选区”，输入名称后点击“保存”。此时，“选择集”弹出菜单中将显示已选中的三个配体。

现在选择配体五埃范围内的残基。使用下拉菜单按距离选择。在出现的弹出菜单中，通过在输入框中键入数值，将第二项“spear”更改为半径五埃，然后单击显示。

然后通过点击右上角的 X 关闭窗口。点击下拉菜单，选择保存选区，以保存五埃的活性位点，并使用键盘输入名称，然后点击保存。

现在创建一个将两个选集合并的新选择。这些选集可以在“选集”弹出菜单中进行合并。在 PC 上，按住 Ctrl 键并单击这两个选集；在 Mac 上，按住 Command 键并单击。

再次点击下拉菜单，选择“保存选区”，输入新名称，然后点击保存。要显示相互作用（如氢键），请使用分析菜单并选择“相互作用”。此处我们仅关注氢键和盐桥。

因此，我们将取消选中其余选项，选择三个配体，并针对第二组选择五埃范围内的残基。

单击3D显示相互作用并关闭窗口。这会显示部分发生相互作用的残基，但不会显示完整的五埃活性位点。为了显示该区域，将再次使用“选择集合”菜单。

单击五埃全模型，然后在下拉菜单中单击“样式”→“侧链”→“棍状”。要应用CPK着色，单击颜色下拉菜单并选择“原子”。本实验方案的最终结果应得到一个如下所示的模型，其中蛋白质的活性位点和配体以棍状显示，并采用对比色进行着色。

重要的结合相互作用以虚线表示，且在实验步骤中创建的某个选择范围内所有残基均被标注。Jmol 界面包含下拉菜单、工具栏、结构查看器、弹出菜单以及包含命令行的 Jmol 控制台。我们从步骤 3.4 开始 Jmol 操作流程，选择距离在五个埃以内的残基以定义活性位点。

Jmol 控制台是选择五个埃范围内残基的最佳方法。输入此命令以选择距离三种配体五个埃范围内的残基。共选中了 193 个原子，但这些原子并不代表完整的氨基酸残基。

选择这些时，请使用输入的命令，在 group 和 selected 范围内选择，然后按 Enter 键。注意会出现额外的选择光环。要将这些残基显示为棍状模型，可右键单击以打开弹出菜单，将鼠标悬停在 style 上，再悬停在 scheme 上，然后单击 sticks。

注意，此处仍有一些空白的晕圈，它们是活性位点中的水分子。为了仅选择这些水分子，我们可以重新执行此命令，然后对其进行修改。

在控制台内单击，然后使用向上箭头键找到该命令，再按回车键重新执行。为了将水分子显示为原子形式，我们需要取消对配体和蛋白质的选择。我们将输入两条命令来完成此操作。

我们的配体被视为杂合基团，但水也被视为其中之一。因此在此命令中，我们需要定义不移除水分子。按回车键，现在仅有水分子被选中。

单击下拉显示菜单，将鼠标悬停在“atom”上，然后单击“20% of van der Waals radius”。绿色的镁离子仍以棍状形式显示。离子更常见的显示方式是球体。

单击 Jmol 控制台，然后输入 select MG，接着输入 space fill 50%。链内的配体以相同颜色显示。为了区分彼此，重新着色配体是很有帮助的。在控制台中，我将执行一个多行命令，该命令是我从一份备忘单中复制粘贴的，相关内容在 Jmol 补充视频中有详细说明。

本实验方案的结果应得到一个如下所示的模型，其中蛋白质的活性位点以棍状形式显示，配体以较柔和的颜色以棍状形式显示。黄色线条表示结合相互作用，各个残基可根据需要进行标注。

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。该图中还标注了主命令行。我们从步骤 4.4 开始基本操作流程，选择距离在五个埃以内的残基以定义活性位点。

要选择配体，请依次点击每一个。此时会弹出一个新的选择项，可通过点击 A 按钮对其进行重命名。使用键盘删除字母“sele”，然后输入“ligans”作为新名称。

按回车键。我们可以使用此选区来定义其周围的区域。首先单击 A 按钮，然后选择菜单项“复制”。

在此新选区 sel01 中，单击 A 并选择重命名菜单项。使用键盘删除现有字母，然后输入 active。此时仍选中我们的三个配体，因此需要再次使用 A 操作按钮对其进行修改。

单击该按钮，选择“修改”并以五个埃为半径扩展选区。现在我们已捕获了五个埃范围内的配体和残基。“S”按钮中的“S”代表“显示”。

单击此处可以不同方式显示该蛋白质。我们将此球棍模型显示为棍状。单击空白区域可清除选择。

这已捕获了五埃范围内的氨基酸，但未包含水分子。我们可以再次复制该选择，然后将其修改为仅选择水分子。在操作 A 按钮中，选择复制。

出现选择2。让我们将其重命名为活性水。这次我们将使用A按钮进行修改，并选择当前选中区域周围的原子。

四个埃范围内的原子。此操作已选中水分子，但也包含了一些侧链原子。要进一步修改，请使用 A 按钮进行调整，并将选择范围限制为溶剂。

现在我们可以看到只有水分子被点亮了。再次点击 A 按钮，我们可以应用一个预设。选择预设中的“球棍模型”，现在水分子将以球体形式显示。

该实验方案的最终结果是一个模型，其配体中的活性位点以对比色的棒状形式显示。黄色虚线表示极性结合相互作用，各个残基则使用“名称对象”面板中创建的选择进行标注。若实验操作中出现错误，可能导致结果不理想。

例如，整个蛋白质以棍状形式显示。为解决此问题，用户首先需要隐藏整个结构的棍状表示形式，然后仅对名为 active 的对象使用 S 按钮重新显示其棍状表示。

此处并列展示了使用每种程序生成的模型。尽管酶的显示方式存在差异，但在四个模型中均可观察到相同的关键特征和相互作用。希望掌握包含命令行程序的用户需要学习如何应用和修改输入的命令。

正如我在 Jmol 方案中提到的，一个有用的工具是命令速查表。它是一个包含常用代码的纯文本文件，可供参考。要成为高级用户，了解方案中哪些部分可以调整和修改是非常有帮助的。

通过练习，这些方案可被应用于模拟任何感兴趣的酶活性位点。