分子对接PyRasetta--Protein Geometry

原创

追风少年i

发布于 2025-09-22 10:46:37

16600

代码可运行

运行总次数：0

代码可运行

作者，Evil Genius

今天我们继续分子对接，有几个问题大家自己要学习一下，首先要认识Cα原子。

简单补充一下chi1，phi, psi。

chi1（chi-one）、phi 和 psi 是用于描述蛋白质分子中氨基酸残基构象的二面角。

主链二面角：phi 和 psi

phi 和 psi 专门用来描述蛋白质主链（或骨架）的构象。蛋白质的主链是由重复的 -N-Cα-C- 单元组成的。

phi角（φ）:

定义：围绕 N-Cα 键的旋转角。

涉及的四个原子： C'(i-1) - N(i) - Cα(i) - C'(i)

(i) 代表第 i 个氨基酸残基。

作用：主要决定了主链在氨基酸氨基（N-H）一侧的走向。

psi角（ψ）:

定义：围绕 Cα-C 键的旋转角。

涉及的四个原子： N(i) - Cα(i) - C'(i) - N(i+1)

作用：主要决定了主链在氨基酸羧基（C=O）一侧的走向。

为什么 phi 和 psi 如此重要？

这两个角度的组合直接决定了蛋白质主链的二级结构，例如：

α-螺旋：有一套特征性的、重复的 phi 和 psi 值（大约为 -60°， -45°）。

β-折叠：有另一套特征性的 phi 和 psi 值（大约为 -120°， 120°）。

通过绘制所有氨基酸残基的 phi 和 psi 值，可以生成著名的拉氏图，用于评估蛋白质模型的构象是否合理。

侧链二面角：chi1

chi1 是用于描述氨基酸侧链构象的二面角。蛋白质的20种常见氨基酸有不同数量的侧链二面角，用 chi1, chi2, chi3... 表示。chi1 是第一个，也是最关键的一个。

定义：围绕 N-Cα 键的旋转角。

涉及的四个原子：对于大多数氨基酸（除甘氨酸、丙氨酸等侧链简单的以外），chi1 定义为：

N(i) - Cα(i) - Cβ(i) - X(i)

X 是侧链上的下一个原子。对于缬氨酸、半胱氨酸等是 Cγ，对于丝氨酸是 Oγ，等等。

作用： chi1 决定了侧链从主链上“伸出去”的方向，是朝向分子内部还是朝向溶剂。它对于侧链的堆积、形成疏水核心以及与其他分子相互作用至关重要。

然后我们继续，蛋白几何结构

Keywords: pose_from_sequence(), bond_angle(), set_phi(), set_psi(), xyz()

!pip install pyrosettacolabsetup
import pyrosettacolabsetup; pyrosettacolabsetup.install_pyrosetta()
import pyrosetta; pyrosetta.init()

from pyrosetta import *
from pyrosetta.teaching import *
init()

pose = pose_from_pdb("inputs/5tj3.pdb")
resid = pose.pdb_info().pdb2pose('A', 28)
res_28 = pose.residue(resid)
N28 = AtomID(res_28.atom_index("N"), resid)
CA28 = AtomID(res_28.atom_index("CA"), resid)
C28 = AtomID(res_28.atom_index("C"), resid)

查看一下Rosetta为该氨基酸键长设定的理想值，并比较这些数值。

from IPython.display import Image
Image('./Media/init-path.png',width='700')

通过 ICOOR_INTERNAL 数据行可以获取该残基中相邻原子间的二面角、键角以及键长信息。由此应能推断出 Rosetta 中设定的 N-Cα 和 Cα-C 键理想键长值。

one_res_seq = "V"
pose_one_res = pose_from_sequence(one_res_seq)
print(pose_one_res.sequence())

N_xyz = pose_one_res.residue(1).xyz("N")
CA_xyz = pose_one_res.residue(1).xyz("CA")
C_xyz = pose_one_res.residue(1).xyz("C")
print((CA_xyz - N_xyz).norm())
print((CA_xyz - C_xyz).norm())

1.458004
1.52326

如何获取蛋白质中的键角信息。如果Conformation类中包含我们所需的键角数据，可以使用之前已经创建的AtomID对象来实现：

angle = pose.conformation().bond_angle(N28, CA28, C28)
print(angle)

1.913188766577386

import math
angle*180/math.pi

109.61764173672383

该数值与基于Cα碳原子四面体几何结构所预期角度的对比结果。

Exercise 5: Calculating psi angle（我们做一下这个练习，大家自己也动手做一下）。

Try to calculate this angle using the xyz atom positions for N, CA, and C of residue A:28 in the protein. You can use the Vector function v3 = v1.dot(v2) along with v1.norm(). The vector angle between two vectors BA and BC is cos−1(BA⋅BC|BA||BC|)

# 导入PyRosetta
import pyrosetta
from pyrosetta import rosetta
import math

# 确保已经初始化
pyrosetta.init()

# 假设pose已经包含你的蛋白质结构
# pose = pyrosetta.pose_from_pdb("your_protein.pdb")

# 定义要计算psi角的残基序号
resid = 28  # 残基A:28

# 获取指定残基的N, CA, C原子的xyz坐标
# 注意：Rosetta中原子索引是固定的，N=1, CA=2, C=3
N = pose.residue(resid).xyz("N")
CA = pose.residue(resid).xyz("CA")
C = pose.residue(resid).xyz("C")

# 获取下一个残基的N原子坐标（对于psi角计算需要）
N_next = pose.residue(resid + 1).xyz("N")

# 计算三个关键向量
# 向量1: CA -> N
vector_CA_to_N = N - CA

# 向量2: CA -> C
vector_CA_to_C = C - CA

# 向量3: C -> N_next (下一个残基的N)
vector_C_to_N_next = N_next - C

# 计算二面角psi所需的四个平面
# psi角定义为: N(i)-CA(i)-C(i)-N(i+1) 的二面角

# 计算两个法向量
# 平面1的法向量 (N-CA-C)
vector1 = vector_CA_to_N
vector2 = vector_CA_to_C
normal1 = vector1.cross(vector2)

# 平面2的法向量 (CA-C-N_next)
vector3 = -vector_CA_to_C  # C->CA 的反向向量
vector4 = vector_C_to_N_next
normal2 = vector3.cross(vector4)

# 计算psi角
# 使用点积公式计算二面角
cos_psi = normal1.dot(normal2) / (normal1.norm() * normal2.norm())
psi_rad = math.acos(cos_psi)

# 确定二面角符号（使用右手法则）
if normal1.dot(vector4) < 0:
    psi_rad = -psi_rad

# 转换为角度
psi_deg = math.degrees(psi_rad)

print(f"Residue A:{resid} 的psi角: {psi_deg:.2f}°")

# 更简单的方法：使用PyRosetta内置函数验证
# Rosetta可以直接计算任何二面角
calculated_psi = pose.psi(resid)
print(f"使用PyRosetta内置函数验证: {calculated_psi:.2f}°")

操纵蛋白质几何结构

同样可以改变蛋白质的几何构型，特别关注于操纵蛋白质主链和χ二面角。

更改phi/psi角

# three alanines
tripeptide = pose_from_sequence("AAA")

orig_phi = tripeptide.phi(2)
orig_psi = tripeptide.psi(2)
print("original phi:", orig_phi)
print("original psi:", orig_psi)

# print the xyz coordinates of the CB atom of residue 2 here BEFORE setting
### BEGIN SOLUTION
print("xyz coordinates:", tripeptide.residue(2).xyz("CB"))
### END SOLUTION

original phi: 180.0
original psi: 180.0
xyz coordinates:       3.535270304899897       3.659035776744378       1.199094204197625

# set the phi and psi here
### BEGIN SOLUTION
tripeptide.set_phi(2, -60)
tripeptide.set_psi(2, -43)

print("new phi:", tripeptide.phi(2))
print("new psi:", tripeptide.psi(2))
### END SOLUTION

# print the xyz coordinates of the CB atom of residue 2 here AFTER setting
### BEGIN SOLUTION
print("xyz coordinates:", tripeptide.residue(2).xyz("CB"))
### END SOLUTION
# did changing the phi and psi angle change the xyz coordinates of the CB atom of alanine 2?

xyz coordinates:       5.498535447297188       2.671616235800968     0.06968570437453583

FOLD_TREE（折叠树）控制着残基几何结构的改变如何沿着蛋白质传递（沿FoldTree链从左向右传播）。

print(pose)

PDB file name: 5tj3.pdb
Total residues:524
Sequence: NAVPRPKLVVGLVVDQMRWDYLYRYYSKYGEGGFKRMLNTGYSLNNVHIDYVPTVTAIGHTSIFTGSVPSIHGIAGNDWYDKELGKSVYCTSDETVQPVGTTSNSVGQHSPRNLWSTTVTDQLGLATNFTSKVVGVSLKDRASILPAGHNPTGAFWFDDTTGKFITSTYYTKELPKWVNDFNNKNVPAQLVANGWNTLLPINQYTESSEDNVEWEGLLGSKKTPTFPYTDLAKDYEAKKGLIRTTPFGNTLTLQMADAAIDGNQMGVDDITDFLTVNLASTDYVGHNFGPNSIEVEDTYLRLDRDLADFFNNLDKKVGKGNYLVFLSADHGAAHSVGFMQAHKMPTGFFDMKKEMNAKLKQKFGADNIIAAAMNYQVYFDRKVLADSKLELDDVRDYVMTELKKEPSVLYVLSTDEIWESSIPEPIKSRVINGYNWKRSGDIQIISKDGYLSAYSKKGTTHSVWNSYDSHIPLLFMGWGIKQGESNQPYHMTDIAPTVSSLLKIQFPSGAVGKPITEVIGZZZZ
Fold tree:
FOLD_TREE  EDGE 1 520 -1  EDGE 1 521 1  EDGE 1 522 2  EDGE 1 523 3  EDGE 1 524 4

今天我们就到这里，生活很好，有你更好

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

数据分析

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

登录后参与评论

0 条评论

热度

分子对接PyRasetta--Protein Geometry

分子对接PyRasetta--Protein Geometry

作者，Evil Genius

今天我们继续分子对接，有几个问题大家自己要学习一下，首先要认识Cα原子。

简单补充一下chi1，phi, psi。

chi1（chi-one）、phi 和 psi 是用于描述蛋白质分子中氨基酸残基构象的二面角。

主链二面角：phi 和 psi

phi 和 psi 专门用来描述蛋白质主链（或骨架） 的构象。蛋白质的主链是由重复的 -N-Cα-C- 单元组成的。

phi角 （φ）:

定义：围绕 N-Cα 键 的旋转角。

涉及的四个原子： C'(i-1) - N(i) - Cα(i) - C'(i)

(i) 代表第 i 个氨基酸残基。

作用： 主要决定了主链在氨基酸氨基（N-H）一侧的走向。

psi角 （ψ）:

定义：围绕 Cα-C 键 的旋转角。

涉及的四个原子： N(i) - Cα(i) - C'(i) - N(i+1)

作用： 主要决定了主链在氨基酸羧基（C=O）一侧的走向。

为什么 phi 和 psi 如此重要？

这两个角度的组合直接决定了蛋白质主链的二级结构，例如：

α-螺旋： 有一套特征性的、重复的 phi 和 psi 值（大约为 -60°， -45°）。

β-折叠： 有另一套特征性的 phi 和 psi 值（大约为 -120°， 120°）。

通过绘制所有氨基酸残基的 phi 和 psi 值，可以生成著名的 拉氏图，用于评估蛋白质模型的构象是否合理。

侧链二面角：chi1

chi1 是用于描述氨基酸侧链构象的二面角。蛋白质的20种常见氨基酸有不同数量的侧链二面角，用 chi1, chi2, chi3... 表示。chi1 是第一个，也是最关键的一个。

定义：围绕 N-Cα 键 的旋转角。

涉及的四个原子：对于大多数氨基酸（除甘氨酸、丙氨酸等侧链简单的以外），chi1 定义为：

N(i) - Cα(i) - Cβ(i) - X(i)

X 是侧链上的下一个原子。对于缬氨酸、半胱氨酸等是 Cγ，对于丝氨酸是 Oγ，等等。

作用： chi1 决定了侧链从主链上“伸出去”的方向，是朝向分子内部还是朝向溶剂。它对于侧链的堆积、形成疏水核心以及与其他分子相互作用至关重要。

然后我们继续，蛋白几何结构

Keywords: pose_from_sequence(), bond_angle(), set_phi(), set_psi(), xyz()

查看一下Rosetta为该氨基酸键长设定的理想值，并比较这些数值。

通过 ICOOR_INTERNAL 数据行可以获取该残基中相邻原子间的二面角、键角以及键长信息。由此应能推断出 Rosetta 中设定的 N-Cα 和 Cα-C 键理想键长值。

如何获取蛋白质中的键角信息。如果Conformation类中包含我们所需的键角数据，可以使用之前已经创建的AtomID对象来实现：

该数值与基于Cα碳原子四面体几何结构所预期角度的对比结果。

Exercise 5: Calculating psi angle（我们做一下这个练习，大家自己也动手做一下）。

Try to calculate this angle using the xyz atom positions for N, CA, and C of residue A:28 in the protein. You can use the Vector function v3 = v1.dot(v2) along with v1.norm(). The vector angle between two vectors BA and BC is cos−1(BA⋅BC|BA||BC|)

操纵蛋白质几何结构

同样可以改变蛋白质的几何构型，特别关注于操纵蛋白质主链和χ二面角。

更改phi/psi角

FOLD_TREE（折叠树）控制着残基几何结构的改变如何沿着蛋白质传递（沿FoldTree链从左向右传播）。

今天我们就到这里，生活很好，有你更好

社区

活动

圈层

关于

腾讯云开发者

热门产品

热门推荐

更多推荐

phi 和 psi 专门用来描述蛋白质主链（或骨架）的构象。蛋白质的主链是由重复的 -N-Cα-C- 单元组成的。

phi角（φ）:

定义：围绕 N-Cα 键的旋转角。

作用：主要决定了主链在氨基酸氨基（N-H）一侧的走向。

psi角（ψ）:

定义：围绕 Cα-C 键的旋转角。

作用：主要决定了主链在氨基酸羧基（C=O）一侧的走向。

α-螺旋：有一套特征性的、重复的 phi 和 psi 值（大约为 -60°， -45°）。

β-折叠：有另一套特征性的 phi 和 psi 值（大约为 -120°， 120°）。

通过绘制所有氨基酸残基的 phi 和 psi 值，可以生成著名的拉氏图，用于评估蛋白质模型的构象是否合理。

定义：围绕 N-Cα 键的旋转角。