科研人员如何快速分析蛋白质结构？PDB 平台权威数据资源使用指南

? 科研人员如何快速分析蛋白质结构？PDB 平台权威数据资源使用指南

对于科研人员来说，快速分析蛋白质结构是开展生物学研究的关键一步。PDB（蛋白质数据库）作为全球最权威的蛋白质结构数据资源库，为科研人员提供了丰富的结构数据和分析工具。今天就来详细聊聊如何利用 PDB 平台高效开展蛋白质结构分析。

PDB 由美国纽约 Brookhaven 国家实验室于 1971 年创建，如今由 RCSB 管理，收录了通过 X 射线单晶衍射、核磁共振、电子衍射等实验手段确定的蛋白质、核酸、病毒等生物大分子的三维结构数据。这里的数据量可不小，截至 2000 年 5 月，已经存放了 1 万 2 千多套原子坐标，其中大部分为蛋白质，还包括核酸、蛋白和核酸复合物等。

PDB 的检索功能很强大，用户可以用各种方式以及布尔逻辑组合（AND、OR 和 NOT）进行检索，可检索的字段包括功能类别、PDB 代码、名称、作者、分辨率、来源等项。检索到数据后，用户不仅能得到生物大分子的各种注释、坐标、三维图形等，还能从一系列指针连接到与 PDB 有关的数据库，像 SCOP、CATH、Medline 等。数据下载也很方便，可通过 FTP 下载，所有的 PDB 文件均有压缩和非压缩版以适应用户传输需要。

PDB 的文件格式是文本文件，每个分子各用一个独立的文件。除了原子坐标外，还包括物种来源、化合物名称、结构递交以及有关文献等基本注释信息，此外，还给出分辨率、结构因子、温度系数、蛋白质主链数目等和结构有关的数据。虽然可以用文字编辑软件查看，但显然不太方便，不过 RCSB 开发了基于 Web 的 PDB 数据库概要显示系统，英国伦敦大学开发的 PDBsum 数据库也能方便地进行检索和分析。

光有数据还不够，还得有好用的工具来进行分析。ChimeraX 就是一款很实用的工具，它可以对 Alphafold3 的预测结构进行互作分析。比如要分析复合物结构中各链之间的相互作用，ChimeraX 提供了 Clashes、Contacts 和 H-Bonds 三种作用力的分析方法。

以 Clashes 分析为例，在菜单栏中依次选择 Tools >> Structure Analysis >> Clashes，再设置参数和保存作用位点文件，就能找到模型内部不同链间的 clash 作用力。不过默认打开模型是用的 Cartoons 模型，可能只能看见部分键，在命令行中输入相应命令，就能显示结构的所有氨基酸残基和原子，原先没显示的 clash 作用力的键也就出来了。

PyMOL 也是常用的蛋白质结构可视化工具，它可以帮助科研人员直观地观察蛋白质的三维结构。通过 PyMOL，科研人员可以对蛋白质进行旋转、缩放、平移等操作，还能对特定的区域进行标记和分析。

除了上述工具，还有一些工具与 PDB 结合使用能大大提升分析效率。AlphaFold 是一款深度学习驱动的蛋白质结构预测工具，能以近实验精度预测单体蛋白结构。将 AlphaFold 预测的结构与 PDB 中的实验数据结合，可以更全面地了解蛋白质的结构和功能。

Rosetta 也是一款功能强大的工具，被广泛用于蛋白质设计、自由能优化和复合体预测，支持多种生物计算任务。它整合去势动力学和能量优化，为蛋白质工程提供支持，其开源特性也使得社区活跃且功能模块多样。

在使用 PDB 数据时，经常会遇到数据格式转换的问题。PDB 文件有多种记录类型，如 HEADER、TITLE、COMPND、SOURCE 等。有时需要将 PDB 格式转换为其他格式，如 mmCIF 格式，以便在不同的工具中使用。

可以使用一些在线工具或本地软件进行格式转换。例如，PDBsum 数据库就提供了将 PDB 文件转换为其他格式的功能。此外，一些分子图形软件如 PyMOL、ChimeraX 也支持导入和导出多种格式的文件。

以亚胺还原酶（IREDs）的结构设计为例，中国科学院微生物研究所高书山团队运用结构生物学的手段，解析了 IR-G36 的空间结构作为酶改造的依据，最终成功改造出催化效率大大提高的变体 M5。在这个过程中，PDB 平台提供了关键的结构数据，ChimeraX 等工具则帮助科研人员进行结构分析和设计。

另一个案例是膜蛋白的结构解析。膜蛋白结构解析的难点在于不易得到足量稳定有活性的蛋白，结晶更加困难。圣路易斯华盛顿大学栗卫凯课题组在 Science Advances 杂志上发表的研究论文，实现了对较小的膜蛋白晶体结构解析方法的研究突破，这其中也离不开 PDB 平台的数据支持和相关工具的应用。

PDB 平台为科研人员提供了丰富的蛋白质结构数据和强大的分析工具。通过合理利用 PDB 的检索功能、结合 ChimeraX、PyMOL、AlphaFold、Rosetta 等工具，以及掌握数据格式转换和处理的方法，科研人员可以快速高效地开展蛋白质结构分析工作。无论是基础研究还是药物研发，PDB 平台都能为科研人员提供有力的支持。

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