如何在 Pymol 中显示蛋白表面电荷?

一、 蛋白质表面电荷的重要性

蛋白质是生命活动的主要承担者，其结构与其功能息息相关。蛋白质的表面电荷分布对其折叠、稳定性以及与其他分子（例如其他蛋白质、配体、底物等）的相互作用起着至关重要的作用。

通过可视化蛋白质表面电荷，研究人员可以直观地了解蛋白质的静电特性，从而更深入地理解其功能机制。例如，带有相反电荷的区域可能暗示着蛋白质相互作用的位点，而电荷分布的不均匀性可能影响蛋白质的溶解性或聚集倾向。

二、 Pymol 与 APBS

Pymol

PyMOL 是一款广泛使用的分子可视化软件，支持高质量的分子结构展示和分析。它允许用户通过直观的界面或 Python 脚本对分子进行旋转、缩放、添加标记等操作，并可执行结构比对和电荷分布分析等功能。PyMOL 的强大之处在于其能够与多种插件结合使用，其中包括 APBS（Adaptive Poisson-Boltzmann Solver）插件，使得用户可以在 PyMOL 中直接进行电静力学计算并可视化结果。

APBS ：基于泊松-玻尔兹曼方程的静电计算软件

APBS 是一款基于泊松-玻尔兹曼方程的静电计算软件，主要用于计算大分子的电静力学特性。它可以通过对分子表面的电势进行计算，帮助研究人员理解分子的电荷分布和相互作用。APBS 可以与 PyMOL 结合使用，用户可以在 PyMOL 中运行 APBS 计算，并将结果以色彩编码的电静力学表面形式展示。

pdb2pqr ：用于准备 APBS 计算所需文件的程序

pdb2pqr 是一个用于准备 APBS 计算所需文件的工具，它能够将 PDB 文件转换为 PQR 格式，PQR 格式包含了必要的电荷和半径信息。这一步骤对于确保 APBS 计算的准确性至关重要。用户可以在 PyMOL 中加载生成的 PQR 文件，并利用 APBS 进行后续的电势计算和可视化。

结合 Pymol、APBS 和 pdb2pqr，研究人员可以高效地进行分子结构的电静力学分析。这一工具组合不仅提升了分子可视化的质量，还增强了对电荷分布和相互作用的理解，为生物分子研究提供了强有力的支持。

三、 Debian 环境下安装 Pymol 和 APBS

在 Debian 环境下，可以使用 apt-get 命令安装 Pymol、APBS 和 pdb2pqr：

sudo apt-get install pymol apbs pdb2pqr

安装完成后，可以通过以下命令验证版本：

• 验证 Pymol 版本：

pymol -c | grep Version

• 验证 APBS 版本：

apbs --version | tail -1

• 验证 pdb2pqr 版本：

pdb2pqr --version

四、 表面电荷显示步骤

1. 加载蛋白质结构文件: 首先，将需要进行表面电荷分析的蛋白质结构文件加载到 Pymol 软件中。

2. 使用 APBS Tools 计算静电势: 调用 Pymol 的 APBS Tools 插件，进行静电势的计算。

• 点击Plugin > APBS Tools2... 打开 APBS Tools 插件窗口。
• 在插件窗口中，点击Set Grid按钮，启动静电势计算。

• 使用不同的颜色梯度来表示静电势的强弱。
• 调整图表的透明度，以便观察蛋白质结构的细节。

注意: 如果使用 Debian 系统，默认安装的 APBS Tools 插件可能存在问题。建议从Github^[1]上的Pymol-script-repo^[2] 下载最新版的apbsplugin.py^[3]文件，并通过Plugin > Install 手动安装 APBS Tools2.1 插件。

五、 报错之 Debian 预装插件问题

• 描述错误信息：UnboundLocalError: local variable 'retval' referenced before assignment
• 错误分析：apbs_tools.py 插件版本过旧
• 解决方案：从 Github 下载最新版 apbsplugin.py 并安装

在 Debian 中使用 apt-get 安装 Pymol、APBS 和 pdb2pqr 后，可能会遇到 "UnboundLocalError: local variable 'retval' referenced before assignment" 的错误信息。

此错误是由于 Debian 预装的 APBS Tools2 插件版本过旧导致的。解决方法是：

1. 从 Github 上的 Pymol-script-repo^[4] 下载最新版的 apbsplugin.py^[5] 文件。
2. 在 Pymol 中选择 "Plugin > Install" 安装下载的 apbsplugin.py 文件。
3. 使用新安装的 APBS Tools2.1 插件，并将旧的 APBS Tools2 插件删除。

apbs_tools.py 插件版本过旧导致 pdb2pqr 的读取位置错误，从而引发了上述错误信息。

六、 实例演示

以增强型绿色荧光蛋白为例，演示如何在 Pymol 中显示表面电荷。

• 下载绿色荧光蛋白的结构文件 (PDB ID: 1GFL)

• 按照以下步骤进行表面电荷显示:

1. 打开 Pymol 软件，加载绿色荧光蛋白的结构文件。
2. 点击菜单栏中的 "Plugin"，选择 "APBS Tools2.1"。
3. 在弹出的窗口中，点击 "Set Grid" 按钮。
4. 点击 "Run APBS" 按钮，计算表面电荷。
5. 计算完成后，点击 "Show Surface" 按钮，显示表面电荷。

总结

本文介绍了使用 Pymol 显示蛋白质表面电荷的方法。利用 APBS 和 pdb2pqr 软件可以计算蛋白质表面电荷，并使用 Pymol 的 APBS 插件进行可视化。

然而，Debian 系统自带的 APBS Tools2 插件可能存在错误。为解决此问题，推荐从 Github 上下载最新版的 APBS Tools2.1 (apbsplugin.py) 并安装，以替换旧版本插件。

除了 PyMOL 之外，还有其他可视化工具和技术可用于表面电荷分析，例如 VMD、Chimera。

表面电荷分析在生物医学研究中具有广泛的应用前景，例如：

预测蛋白质相互作用位点

表面电荷对蛋白质-蛋白质相互作用的影响显著。研究表明，蛋白质表面的电荷状态可以调节其相互作用的强度和特性。例如，正电荷的氨基酸残基通常更容易与负电荷的残基结合，这种电荷相互作用在预测和识别蛋白质相互作用位点中起着关键作用。通过分析蛋白质表面的电荷分布，研究人员可以更准确地预测潜在的相互作用位点，从而为理解生物过程和疾病机制提供线索。

研究蛋白质折叠和稳定性

表面电荷还在蛋白质的折叠和稳定性方面发挥重要作用。电荷相互作用不仅影响蛋白质的构象，还可能导致误折叠或不稳定，从而引发疾病。通过对蛋白质表面电荷的分析，研究人员能够识别出影响蛋白质稳定性的关键因素，并开发出提高蛋白质稳定性的策略。

设计新的药物靶点

在药物开发中，表面电荷的特性可以用于设计新的药物靶点。药物分子的表面电荷特性影响其与靶蛋白的结合能力及生物利用度。通过优化药物分子的电荷特性，可以提高其在细胞内的摄取率和靶向性，从而增强药物的疗效。例如，正电荷的纳米颗粒在细胞摄取中表现出更高的效率，这使得它们在癌症治疗和基因递送中具有潜在应用。

此外，表面电荷分析还可以应用于以下领域：

• 纳米医学：表面电荷影响纳米颗粒的稳定性、药物递送效率和细胞摄取能力。

• 生物材料设计：通过调节生物材料的表面电荷，可以改善其与细胞的相互作用，促进组织工程和再生医学的发展。

• 疫苗开发：表面电荷的调节可以增强疫苗的免疫原性，提高免疫反应。

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参考资料

[1]

Github: https://github.com/

[2]

Pymol-script-repo: https://github.com/Pymol-Scripts/Pymol-script-repo/

[3]

apbsplugin.py: https://raw.github.com/Pymol-Scripts/Pymol-script-repo/master/plugins/apbsplugin.py

[4]

Pymol-script-repo: https://github.com/Pymol-Scripts/Pymol-script-repo/

[5]

apbsplugin.py: https://raw.github.com/Pymol-Scripts/Pymol-script-repo/master/plugins/apbsplugin.py