簡介：這個教程為新用戶介紹了VMD的用法。老用戶也可以用本教程進一步熟悉程序的應用，以更好地利用VMD。本教程是針對VMD1.8.3設計的，需要約3個小時來完成。本教程新增的內容可用三個獨立的單元講解。第一個單元主要內容是分子圖形表現方法基礎，還會介紹制作形象逼真的圖像要了解的知識。另外的兩個單元是針對高級用戶，介紹了VMD的腳本。盡管非技術性用戶可以略去腳本的閱讀，但是我們鼓勵每個人都去試一試著讀一下，因為它會提供一些有力而易用的工具，這些工具是簡單的圖形用戶界面所無法提供的。本教程以一種有趣的小蛋白質泛素的研究為例來說明VMD的應用。在本文中，一些資料是在小框中出現的。這些小框中包括教程的補充內容，例如泛素扮演的生物學角色，使用VMD的一些提示和捷徑等等。如果你有對本教程的評論和問題，請發郵件至tutorial-l@。郵件列表可以在/Training/Tutorials/mailinglist/tutorial-l/.中找到。泛素本教程會用VMD來顯示泛素。泛素是一個由76個氨基酸組成的小蛋白質，在所有的真核生物中普遍存在。在所有真核生物蛋白質中，泛素是最為保守的蛋白質之一（在昆蟲，魚，牛和人中，前74個氨基酸是完全一樣的）。它已被證明存在于細胞核、細胞質和細胞表面。它首要的功能是介導蛋白質降解，在降解過程中，作為細胞內蛋白水解酶識別的標志。需要的程序：以下是本教程中需要的程序VMD:可以從/Research/vmd/下載（在所有平臺上均可使用）。繪圖程序：要觀看從VMD輸出的圖像，需要專門的程序。VMD有一個內置的繪圖程序，也可以應用外部程序。應用什么程序是由你的操作系統決定的。例如：–Unix/Linux:xmgrace,http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/–Windows:Excel,/en-us/FX010858001033.aspx(需要購買)–Mac/MultiplePlatforms:Mathematica,/(需要購買);gnuplot,/(免費下載)現在開始學習VMD你可以在VMD-tutorial-files目錄里找到本教程的文件。如圖1所示的VMD-tutorial-files的文件和目錄 圖1：VMD-tutorial-files的目錄結構運行VMD，可以在Unix終端窗口中鍵入vmd,在MacOSX的應用文件夾中雙擊VMD應用程序圖標或者在windows中單擊開始——程序——VMD。1VMD基礎在本單元中你會通過構建一個泛素的較美觀的圖形來熟悉VMD的基本命令。另外，你可以學習怎樣用VMD來尋找蛋白質結構上的有趣的特點。導入分子第一個步驟是導入分子。在教程中提供了一個pdb文件1UBQ.pdb，文件中包含了泛素的原子坐標。1在VMD主窗口的菜單欄中選擇File——NewMolecule，如圖2（a），屏幕上會顯示另外一個窗口，即MoleculeFileBrowser(b)。圖2導入分子應用Browse.（c）按鈕在vmd-tutorial-files中找到文件1UBQ.pdb，注意到當你選擇這個文件的時候，就會回到MoleculeFileBrowser窗口。為了精確地導入你要導入的文件一定不要忘了按下Load（d）按鈕。圖2導入分子現在，泛素在你的OpenGLDisplay窗口中顯示出來。你可以隨時選擇MoleculeFileBrowser窗口。Webpdb.如果網絡連接可用，VMD可以從蛋白質數據庫中下載pdb文件。只要在MoleculeFileBrowse窗口的FileName中鍵入四個字母的蛋白質號，再點一下load就可以了。VMD會自動下載該pdb文件。坐標文件。文件1UBQ.pdb與泛素的X射線衍射1.8埃分辨率側的結果香對應（SenadhiVijay-Kumar,CharlesE.BuggandWilliamJ.Cook,J.Mol.Biol.(1987)194,531）。注意蛋白質被58個水分子包圍，結果中不包含氫原子。1．2顯示蛋白質為了觀察蛋白質的三維結構，我們要用到多種鼠標模式。圖3旋轉模式1在OpenGLDisplay中,按下鼠標左鍵同時移動鼠標。進一步觀察有什么現象。這是鼠標的旋轉模式，通過這種模式，你可以讓這個分子繞一個與屏幕平行的軸旋轉。圖3（a）圖3旋轉模式2如果你按下鼠標右鍵，重復上一步驟，分子會繞一個與屏幕垂直的軸旋轉（b）（對于Mac用戶來說，右鍵產生的效果與在按下mouse菜單選項后點擊命令按鈕是一樣的）。3在VMD主窗口中，看一下Mouse菜單（圖4），這里，你可以把鼠標模式從Rotation更換到Translation或者Scalemodes。4Translation模式允許你按住鼠標左鍵，在屏幕上移動分子。在Translation模式下，你可以通過按下鼠標中鍵來改變剪切板。圖4鼠標模式在Scale模式下，你可以按住左鍵水平移動鼠標來縮小或放大分子。圖4鼠標模式需要注意的是：鼠標運動不會改變分子中的原子坐標。鼠標模式。注意每一種鼠標模式都有獨特的指針形狀，也有獨特的快捷鍵（(r:Rotate,t:Translate,s:Scale)，可以代替菜單使用。（當用快捷鍵的時候，要保證OpenGLDisplay窗口是活動的）。在VMD用戶手冊中可以獲得更多的信息。Mouse——Center菜單項也很有用，它允許你確定分子繞之旋轉的支點。選擇Center菜單項，在蛋白質一端選擇一個原子，這時指針會顯示成一個十字。現在，按下r,用鼠標旋轉分子，看一看你的分子是怎么繞著你選擇的支點運動的。8選擇Display——ResetView菜單項(=快捷鍵)，回到默認界面。1．3學習應用不同的繪圖模式VMD可以用很多種繪圖模式來顯示你的分子。這里，我們要進一步學習那些可以幫助你確定蛋白質中不同結構的繪圖模式。1選擇Graphics——Representations菜單項，一個叫做GraphicalRepresentations的窗口會出現，見圖5（a）中黃色高亮。你可以看到目前顯示的分子的圖形顯示法。在DrawStyle標簽中（b）我們可以改變所表示的style(d)和color(c)。在這一部分我們重點來看drawing模式。每一種繪圖方法都有自己的參數控制。例如，改變線條的稠密度可以用GraphicalRepresentations窗口右側底部的控制按鈕（e）。圖5GraphicalRepresentations窗口現在，在DrawingMethod中選擇VDW(vanderWaals)，每一個原子現在都表示為球形。用這種方式你可以更容易地看出蛋白質的體積分布圖5GraphicalRepresentations窗口要觀察蛋白質內部的原子排布，用窗口右側底部的控制按鈕改變SphereScale到0.5，SphereResolution到13。注意分辨率越高，分子的顯示速度越慢。6注意ColoringMethod——Name菜單項,每一個原子都有其自己的顏色，比如，O是紅色的，N是藍色的，C是青色的，S是黃色的。7按下Default鍵，這個操作允許你回到默認的繪圖方式中。更多顯示方法。還有有趣的顯示方法是CPK和Licorice。在CPK中，就像以前化學中的球棒模型，每個原子都用球形表示，每個鍵都用圓柱棒表示（球和圓柱形棒的半徑和分辨率都可以獨立地調節）。Licorice繪圖方法（廣泛使用）也用球形表示原子，用圓柱形棒表示鍵，但是球的半徑不能被獨立調節。.前面的顯示方式可以讓你看到蛋白質大分子的細節。但是，更多的普遍結構屬性可以用抽象的繪圖方式來觀看。在DrawingMethod下選擇Tubestyle，觀察蛋白骨架。Radius設為0.8。在tube模式下觀察你的蛋白質，你可以分辨出它有多少α螺旋、β折疊和無規則卷曲嗎？我們要了解的最后一個繪圖模式是NewCartoon。它可以給出一個以二級結構為基礎的簡化的蛋白質圖像。α螺旋以卷曲的條帶狀表示，β折疊以固形箭頭表示，所有其它的結構以管狀表示。這可能是觀察蛋白質分子總體構造的最普遍的方法。,10選擇DrawingMethod——NewCartoon.11現在確定蛋白質分子中有多少α螺旋、β折疊和無規則卷曲。泛素的結構。泛素有一個三圈半的α螺旋（殘基23到34，其中有三個是疏水的），一個310-螺旋（殘基56到59），還有5個β折疊（殘基1到7，10到17，40到45，48到50，64到72），還有7個反向轉角。VMD用STRIDE程序，以一種探索性的法則計算出二級結構圖6泛素Licorice,TubeandNewCartoon圖6泛素Licorice,TubeandNewCartoon顯示方法1．4學習不同的著色方法1現在，讓我們來改變所顯示圖像的顏色。選擇ColoringMethod——ResType圖5（c），這可以區別非極性基團（白色），堿性基團（藍色）、酸性基團（紅色）和極性基團（綠色）。2選擇ColoringMethod——Structure(c)，確定NewCartoon表示的圖形與二級結構相一致。1．5學習不同選擇讓我們來看一看分子中不同的獨立的部分。1如圖5（f），在GraphicalRepresentations窗口的SelectedAtoms文本輸入框中刪去“all”,輸入helix，然后按下apply按鈕或者按下鍵盤上的Enter或者Return鍵（每當在文本框中輸入后都可執行同樣的操作），VMD會顯示出分子中的α螺旋結構。2在GraphicalRepresentations窗口中選擇Selections標簽，如圖7（a）。在Singlewords(b)這一部分中你可以發現可以輸入的選項表列。例如，要顯示β折疊而不是α螺旋，就可以在SelectedAtoms的文本輸入框中輸入合適的詞。布爾操作組合也可以用于選擇時的文本輸入。3為了看分子除了α螺旋和β折疊的部分，可以在SelectedAtoms中輸入：(nothelix)and(notbetasheet):4Selections標簽（b）的Keyword(c)欄可根據蛋白質某些部分的特定值來進行選擇。看一看Keywordresname(d)中的可能值。輸入(resnameLYS)或者(resnameGLY)可以顯示蛋白質中所有的賴氨酸或者甘氨酸。賴氨酸在泛素的構型中扮演重要的角色。.5現在，把當前顯示的DrawingMethod改變到CPK模式，把DrawStyle中的ColoringMethod改到ResID。在屏幕中可以看到不同的賴氨酸和甘氨酸。每一種有多少個你能數得清嗎？圖7GraphicalRepresentations窗口和Selection標簽6在SelectedAtoms的文本輸入框中輸入water。選擇ColoringMethod——Name。你可以看到在整個圖7GraphicalRepresentations窗口和Selection標簽7為了看一看哪些水分子離蛋白質分子更近一些，可以用within命令。輸入waterwithin3ofprotein，這就選擇了距離蛋白質3埃之內的所有的水分子。8最后，在SelectedAtoms中鍵入下列內容：:SelectionActionproteinresid1(resid176)and(notwater)(resid23to34)and(protein)ShowstheProteinThefirstresiduesThefirstandlastresiduesThe_helix前述的選項提供了研究蛋白質或其他分子的有力工具。1．6多重顯示如圖8（a），在GraphicalRepresentations窗口中，用CreateRep按鈕可以創建多重顯示圖像。因此，你可以讓分子的不同部分顯示不同的樣式和顏色。1對當前顯示，把DrawingMethod設為NewCartoon，把ColoringMethod設為Structure.2在SelectedAtoms中鍵入protein.3按下CreateRep鍵（a），現在，用DrawStyle菜單項和SelectedAtoms文本輸入框來更改新的圖形顯示，可以把DrawingMethod設為VDW，ColoringMethod設為ResType，并鍵入resnameLYS，使其成為當前選擇。圖8泛素的多重顯示方法4重復前述步驟，產生下列兩種新的顯示方法：：圖8泛素的多重顯示方法DrawingStyleColoringMethodSelectionCPKVDWNameColorID1WaterResid176andnameCA，5再次按下CreateRep按鈕，創建最后一個圖形顯示法。選擇DrawingMethod——Surf,ColoringMethod——Molecule，在SelectedAtoms中鍵入protein。在Material部分(c)中選擇Transparent菜單項。6用鼠標你可以選擇已創建的不同的顯示法，并可以獨立地改變其中的任何一種。你也可以用雙擊鼠標或者DeleteRep按鈕打開或關閉它們。關閉第二個和最后一個圖形表示法。在這一部分的最后，GraphicalRepresentations窗口的顯示如圖8，1．7SequenceViewerExtension當第一次處理一個蛋白質分子的時候，快速找出和顯示不同的氨基酸是非常有用的。SequenceViewerExtension可以讓你很容易地選出和顯示氨基酸殘基。1選擇Extensions——Analysis——SequenceViewer菜單項，一個包含氨基酸（圖9e）和它們屬性的列表（b）和（c）的窗口（圖9a）會出現在屏幕上。2用鼠標點擊列表中不同的氨基酸殘基（e），觀察它們是如何被標記為高亮的。另外，高亮的殘基還會在OpenGLDisplay窗口中以黃色bonddrawing方式顯示，因此你可以很容易地觀察它們。用鼠標右鍵可以解除選擇。3用Zoom滑塊控制窗口（f），使其能夠顯示所有殘基。這在大的蛋白質分子中比較有用。圖9sequence窗口4按住shift鍵時同時按下鼠標，就可以同時選擇多個殘基。看一下圖中顯示的殘基48,63,11圖9sequence窗口和29(e)。.5觀察GraphicalRepresentations窗口，用SequenceViewerExtension，你應該能發現一種新的顯示所選殘基的方法。就像你以前做過的那樣，你可以修改、隱藏、或者刪除這種顯示方法。賴氨酸的相關性。多個泛素鏈可以被C和N末端肽鍵連接，也可以通過lys48，63，11或者29連接（就是你在sequence窗口中選擇的）不同連接形成的鏈有著與功能相關的不同的屬性。關于殘基的信息用柱狀彩色標記表示，它們是從STRIDE中得到的。B-value表示的是溫度因子的變化，struct表示二級結構，在圖中，各種顏色所代表的意義都用字母作了標注。.TEBHGICTurnExtendedconformation(_sheets)IsolatedbridgeAlphahelix3-10helixPihelixCoil1．8保存結果用VMD創建的圖形可以與創建的圖形顯示法，VMD環境設置一起保存。這里提到的VMD環境設置包括你開啟一個新的VMD環境所需要的所有信息，這就不會使你以前的工作成果丟失。1在VMD主窗口，選擇File——SaveState菜單項，寫上一個合適的文件名（例如：myfirststate.vmd)保存。File——LoadState菜單項允許你導入一個保存過VMD環境設置，就像保存時一樣，雖然設置好的VMD環境允許你用VMD來處理蛋白質的圖像，探索它的性質，但是你通常需要得到能用于論文和其他各種文件的圖像。VMD可以潤色圖像，產生一個可作它用的圖像文件。如下所述：2用你已經學過的所有關于VMD的知識，用縮放、旋轉和改變分子位置的方法找到蛋白質分子的合適的視野。打開和關閉不同的顯示方法，提高選擇的分辨率，調整其他屬性。如果你想得到一個質量很高的分子，注意每一個顯示方法的分辨率。3注意你用SequenceViewerextension創建的新顯示法。如果需要的話，隱藏或者刪除它們。4在潤色圖像之前，選擇Graphics——Colors菜單項，改變背景顏色。選擇Displaycategory,Backgroundname和8whitecolor.。這樣背景就變成白色的了。5選擇File——Render菜單項(渲染)，一個叫做FileRenderControls的窗口會在屏幕上出現。6可以用不同的文件包來潤色分子。如果你用的操作系統是Unix或者MacOSX，就在Renderusing菜單中選擇TachyonInternal，否則選擇Tachyon。7在Filename文本輸入框中鍵入圖像要保存的文件名，例如：picture.tga或者picture.dat(默認文件名是plot.tga或者plot.dat，依據不同的操作平臺)8按下StartRendering按鈕，包含有你的圖像的文件就會創建。注意到這需要一些時間。你可以以一個圖像文件名，如picture.tga(MacOSX或者Unix)或者picture.dat.bmp(Windows).結束工作，9關閉打開圖形文件的程序，這樣就可以繼續使用VMD（在windows中，這條可以忽略）。現在學完了本教程的第一單元。我們希望你學會了VMD的基本命令。你也可以做兩個文件，第一個是VMD環境設置文件，讓你重啟一個VMD環境，在其中應用或者修改你在本單元學到的東西。第二個文件是一個關于蛋白質的圖像文件，這個文件可以應用于其他文件中。2多分子處理和腳本在本單元，你會學到如何同時處理多個分子。同時，你也會學到Tcl腳本的基礎，用它來編輯原子數據，排列整合兩個分子，并用計算出的分子特性給分子上色。1從一個新的VMD環境開始。如果你剛剛完成第一單元的學習，你應該退出VMD,然后重新啟動。導入多個分子首先，導入你要用到的分子。1用File——NewMolecule.菜單項打開MoleculeFileBrowser你需要載入泛素的X射線三維結構圖，可以用第一單元中學到的操作，也可直接用命令導入。2確定你正在vmd-tutorial-files下。在VMD終端，輸入molnew1UBQ.pdb。.泛素在水盒中的溶解平衡模擬已經在1ns的時間范圍內實現。你的文件包含了這個平衡的最末幀的坐標。以現在可以比較泛素在平衡末狀態的構像和初始態的晶體構象。坐標文件和結構文件。為了節省空間，模擬輸出文件通常只包含原子坐標，而不儲存像原子類型、電荷、各部分的名字和鍵等不變的信息。這一部分信息另存于一個“結構”文件當中（例如一個PSF文件）。要觀察一個模擬結果，你需要把同一個分子的結構和坐標文件融合。3現在，導入另一個分子的模擬結果。在MoleculeFileBrowser窗口頂端的菜單中選擇NewMolecule。在vmd-tutorial-files中找到文件ubiquitin.psf，然后按下Load按鈕，建立了一個有結構而沒有坐標的新分子。4注意到,窗口最頂端的菜單上顯示：1:ubiquitin.psf.這保證了載入的下一個文件會增加到那個分子(moleculeID1)。因為你在用PSF文件合并數據，所以你不需要把菜單切換到NewMolecule。現在，在vmd-tutorial-files中找到文件ubiquitin-equilibrated.coor，單擊Load，這就可以導入新的坐標，并把新坐標與先前載入的結構信息合并。你現在可以看到兩個有層次的沒有相互重疊的分子，一個是原始的晶體泛素結構，另外一個是一個由水盒包圍的分子。，2．2主窗口的應用現在需要為你的分子命名，這樣就可以區別它們。1在Main窗口的分子列表中雙擊第一個分子的名字，RenameMolecule對話框彈出。鍵入crystal。以同樣的操作為第二個分子命名為simulation。這時，Main窗口如圖10。在分子的名字之前，有四個字母，你可以用它們來實現一些操作。圖10初始和最后坐標導入兩個分子的主窗口顯示圖10初始和最后坐標導入兩個分子的主窗口顯示F的意義是“Fixed”，意思是當你移動屏幕時，分子不會隨之移動。當F顯示黑色時，分子是固定的；當顯示灰色時，分子可以自由移動。2在主窗口，雙擊分子名左邊的F，當一個分子被固定時，試著用鼠標調動屏幕。然后試一試兩個分子都被固定時的情況。3完成操作后，把兩個分子都解固定，選擇Display——ResetView，讓其顯示兩個分子之間原來的相對位置。4然后，雙擊一個分子的D，D表示的是“Display”。當D灰化的時候，分子是隱藏的。你可以通過雙擊D來顯示或者隱藏分子。5當操作完時，確保只有晶體結構分子顯示，兩個分子都未固定。6最后，雙擊晶體分子左邊的T，T會在前面顯示。這使它成為了頂層分子。一個分子置于頂層，它就成為腳本命令操作的目標。２．３Tcl腳本基礎和Tk控制臺VMD支持Tcl/Tk腳本語言。這一部分會提供運行一些有用功能必需掌握的腳本語言。Tcl/Tk語言。Tcl是一種豐富的語言，除了典型的條件和循環結構語句之外，還包括許多特征和命令。Tk是Tcl的拓展，允許寫程序用戶與窗口和按鈕接觸。關于Tcl/Tk語言更多的信息在http://www.tcl.tk/doc上有提供。執行Tcl命令，需要應用一種很方便的文本控制臺，即Tk控制臺。1選擇Extensions——TkConsole。一個控制臺窗口出現（圖11）。這就可以在其中輸入Tcl/Tk命令。圖11Tk控制臺圖11Tk控制臺你首先接觸到的是Tcl/Tk最基本的部分。這里是Tcl的設置和輸出命令。setvariablevalue–setsthevalueofvariableputs$variable–printsoutthevalueofvariable2試一試以下命令：setx10puts"thevalueofxis:$x"settext"sometext"puts"thevalueoftextis:$text."$variable指的是variable的值。.下面是一個數學操作命令：exprexpression–evaluatesamathematicalexpression3試一試應用expr命令expr3-8setx10expr-3*$xTcl最重要的方面之一是可以用方括號把Tcl命令嵌入其他命令。方括號括起來的表達式會自動被方括號內表達式的值替換[expr.]–representstheresultoftheexpressioninsidethebrackets4新建一些命令，然后用方括號測試它們。例如：setresult[expr-3*$x]puts$result2．4atomselect命令你可以用VMD的atomselect命令來編輯原子屬性。下面的例子會告訴你怎樣操作。1當確定晶體分子是頂層的分子后（如果不是，雙擊T）。用Graphics——Representations.菜單打開GraphicalRepresentations窗口。PDBB-因子范圍。PDB文件中“B”的范圍通常儲存晶體結構的“溫度因子”，在VMD中讀入“Beta”范圍。由于我們目前的重點不在此，我們可以利用這個范圍來存儲我們自己的數字值。VMD有一個“Beta”上色方法，它可以根據原子的B因子給它們上色。當用不同的原子來替換B值，你就可以控制不同原子的顏色了。當你想要展示通過計算得出來的系統屬性時，這種方法就很有用了。但是這種方法在VMD之外是不能應用的。2在窗口頂部的SelectedMolecule下拉菜單中選擇“crystal”的分子，在atomselection中鍵入protein。把ColoringMethod設為Beta，把DrawingMethod設為VDW.。分子大部分會顯示出紅色和綠色小球的集合。現在你將學到VMD中一個非常重要的Tcl命令：atomselectmolidselection–createsanewatomselection對于atomselect，首先要講的是moleculeID（主窗口的最左邊），其次是文本原子選擇，就像你在第一單元所學的用來描述圖形顯示方法的文本原子選擇。你要學習的Atomselect，返回的選擇是一個命令。3在Tk控制臺窗口鍵入crystal[atomselecttop"all"]，這個選擇包括了分子中所有原子，并把所選賦予變量crystal。我們用“top”來指代頂層分子，不用moleculeID（是個數字，不好記）。Atomselect得出的結果是一個功能。因此，$crystal是一個針對“all”所指代內容執行的功能。4鍵入$crystalnum.把num賦給所選一個原子，返回的是原子在這個選擇中的序號。檢查一下這個序號是不是與分子中原子的序號相同（可以從main窗口中讀取）。5鍵入$crystalsetbeta0.。這樣就把所有原子的“beta”域設為0。當你這樣做的時候，你會觀察到屏幕上原子的顏色會突然變成一樣的（因為它們此時具有相同的beta值）。原子選擇中的原子指的是原始分子中的原子。當你通過選擇改變一些原子的屬性（如beta值），這些變化會反映在所有其它包括這些原子的選擇中。6現在，輸入setsel[atomselecttop"hydrophobic"]。這新建了一個包括所有疏水殘基的選擇。7讓我們把所有的疏水原子的beta值設為1來標記它們。你現在應該明白如何操作了：$selsetbeta1。如果OpenGLDisplay中的顏色沒有更新，單擊GraphicalRepresentations底部的Apply按鈕。原子屬性的例子。你可以通過應用原子選擇，包括不同部分、殘基、原子名、位置（x，y和z），電荷、質量、體積、半徑等等來獲得或者設置許多原子的屬性8現在要通過改變原子的物理性質來進一步說明疏水基團的分布。輸入$crystalsetradius1.0，以使所有的原子變得小一點，更易觀察。輸入$selsetradius1.5，讓疏水基團大一點。半徑的大小范圍會影響圖形的顯示方式（如VDW,CPK）。現在已經新建了一個圖像，可以清楚地區別蛋白質的疏水部分和親水部分。如果你完全按照教程的要求來做，你得到的蛋白質圖像就會如圖12所示。圖12在VMD顯示模式下的泛素分子，上色的依據是殘基的疏水性圖12在VMD顯示模式下的泛素分子，上色的依據是殘基的疏水性疏水殘基。就像你在渲染泛素分子的過程中可能注意到的那樣，疏水殘基絕大部分都處于蛋白質的核心區。這在小的可溶性蛋白質中是很典型的。當蛋白質折疊的時候，疏水殘基就有停留在界面的趨勢。這樣疏水基團匯集在一起，扮演著結構上的角色。這可以幫助蛋白質正確折疊，并提高穩定性。原子選擇不止在設置原子數據方面有用，而且可以用來獲取信息。如果你想得到疏水基團，你要做的只是新建一個疏水選擇，這里應該用get，而不是set。9在你選擇的疏水原子上應用get$selgetresname但這里有個問題。每個殘基都包含了很多原子，這樣導致的結果是有很多重復輸入。你能想到一個辦法來克服這個問題嗎？我們知道，每個氨基酸都有同樣的骨架原子。如果你在每個殘基中只選擇一個這樣的原子，每個殘基就只會在你的選擇中出現一次。10讓我們試試這種解決辦法。每一個原子有且只有一個α-碳(命名CA=alpha):setsel[atomselecttop"hydrophobicandalpha"]$selgetresname哈，成功了！11你也可以同時得到多種屬性。試試下面的命令：$selgetresid$selget{resnameresid}$selget{xyz}12一旦你完成了一個選擇，可以很方便地用下面的命令來刪除它們以節省內存開支：$seldelete2.5AligningTwoMolecules要正確地觀察泛素在模擬中是怎么變化的，你必須首先確保兩個分子在空間上盡量重合。VMD提供了很多方便的命令可以完成這個功能。現在要給兩個分子上不同的顏色以區別它們。1確保兩個分子都處于顯示狀態（可以通過雙擊VMD主窗口中的D來實現）。2在GraphicalRepresentations窗口，改變晶體分子的圖像顯示（記得要從窗口頂部的菜單中選擇它）。把ColoringMethod設為ColorID,color設為0blue，DrawingMethod設為Tube.3可以在GraphicalRepresentations窗口最頂部的SelectedMolecule菜單中選擇目標分子，在不同的分子上應用不同的顯示方法。對分子simulation選擇同樣的顯示法(ColorIDandTube),而把顏色設為1red。4在Tk控制臺窗口中鍵入下面的命令，為每個分子新建一個包括蛋白質骨架中α碳的原子選擇：setatomsel1[atomselect0"alpha"]setatomsel2[atomselect1"alpha"]這里我們選擇α碳是因為它們比蛋白質松散的側鏈更穩定，而且它們給出了蛋白質空間構象方面有用的信息。即使這兩個分子非常不同（晶體結構中沒有氫），你所建立的選擇也包括了完全相同的原子。VMD提供了一個命令measurefit可以用于找出兩個選擇中相同原子的最佳吻合度。measurefitatomsel1atomsel2–calculatesthebestfitmatrix注意atomsel1和atomsel2必須具有相同數目的原子。可以用$atomsel1num命令來檢查原子的個數。5用下面的命令可以找出能夠使兩個選擇以最佳方式配對的轉換矩陣MsetM[measurefit$atomsel1$atomsel2]6通過輸入命令$crystalmove$M你可以把剛剛得到的矩陣應用于第一個分子所有部分（即你以前定義的叫做crystal的原子選擇）在OpenGL窗口，兩個分子以α碳的位置為基礎排列。注意到分子的一部分吻合得很好，但另一些擺動的尾部和loop區看起來比較松散（它們在平衡中的運動性更強）。用了α螺旋后，再用β折疊重新排列分子，得到一個如圖13的圖像圖13泛素最初和最后狀態三維結構擬合圖13泛素最初和最后狀態三維結構擬合2．6用顏色來顯示偏離值一旦兩個分子被排列在一起，你可以比較兩個原子的位置。你可以用一個預寫的腳本（因為直接寫比較麻煩）來完成。如果你喜歡刺激的話，那就看一下這個腳本。如果你已經對此很熟練，寫這樣一個腳本就是小菜一碟了。從文件中運行一個腳本，可以用Tcl源命令：sourcefile–runsascriptfromatextfile1腳本在vmd-tutorial-files的文件coloring.tcl中。在VMDTkCon窗口中應用cd命令找到這個目錄。它會改變晶體分子的beta值，反映在平衡后分子中原子的位置改變。我們輸入以下命令，運行這個腳本：sourcecoloring.tcl2要看到新的beta值，需設置分子crystal的ColoringMethod為Beta，隱藏分子simulation（通過雙擊VMD主窗口中的D實現）。晶體分子現在依據模擬中的總改變程度上色。為了進一步的工作，我們來調整一下顏色的范圍。3在GraphicalRepresentations窗口中，選擇Trajectory標簽。在ColorScaleRange標簽下，你可以設置beta值顏色范圍的最大和最小值。確保晶體分子右邊的顯示法被選定，然后輸入0和5，單擊set。這就把顏色的范圍設置為0到5埃之間。圖14Representation窗口中的顏色范圍控制圖14Representation窗口中的顏色范圍控制4現在，從VMD主窗口中選擇Graphics——Colors，打開ColorControls窗口（如圖15），選擇ColorScale標簽。圖15顯示ColorScale標簽的ColorControls窗口圖15顯示ColorScale標簽的ColorControls窗口5在colorscale的Method菜單中，選擇BWR。這樣就可以把位置變動小的原子（0埃）染上藍色，把位置變動大的原子（5埃）染上紅色，在兩者之間的染上白色。6你現在也可以調整colorscale的Midpoint來改變被染成白色的原子位置變動的水平。試試把中點設為0.1。你現在應該明白怎么對一般數據進行連續的上色操作。看一看你的分子，它如圖16所示。你現在應該可以確定泛素的那一部分是穩定的（藍色），哪一部分是松散的（紅色）。總起來說，末端和loop是靈活的，容易動的，而α螺旋和β折疊相比之下是不容易活動的。圖16根據1ns平衡后泛素分子著色圖16根據1ns平衡后泛素分子著色3Trajectories,MacrosandLabels在第三單元，你將要學習怎樣載入運動軌跡，創建macros，在原子和鍵上標注標簽，用簡單的tcl腳本計算一個運動軌跡的RMSD值。在最后，你應該通過看RMSD點分布來確定泛素系統是否達到平衡。3.1導入運動軌跡你現在要學習導入與時間相關的坐標系統，叫做運動軌跡（Trajectory）。你可以用你的系統來看一場電影了。Trajectory文件通常是二元文件，包含了系統的多套坐標。每一套坐標對應者時間中的一幀。DCD文件可以作為Trajectory文件的例子。Trajectory文件不包括PSF文件中的內容。因此，我們需要首先導入結構文件，再在結構文件的基礎上導入Trajectory文件，導入方法如第二單元中所介紹。1啟動一個新的VMD窗口2導入PSF文件ubiquitin.psf，方法如第二單元所述。3在MoleculeFileBrowser窗口，單擊Browse按鈕，確保ubiquitin.psf在菜單上已被選中。在vmd-tutorial-files中找到文件pulling.dcd，單擊OK，然后單擊Load按鈕。在它們導入分子的時候，你可以看到這些幀。4在Trajectory文件被導入之后，你會看到Trajectory的最后一幀。想要回到第一幀，你會用到AnimationTools，它的用法會在后文詳細解釋。在主菜單的左下側，單擊。5選擇Graphics——Representations，在DrawingMethod中，選擇NewCartoon，在SelectedAtoms窗口，鍵入protein6在同一個菜單中，雙擊CreateRep按鈕，新建另外一個圖形顯示方法,在DrawingMethod中，選擇Lines，在SelectedAtoms窗口，鍵入water，然后，雙擊關閉這個顯示方法。泛素的彈性。泛素在細胞中有許多功能。目前的觀點證明，這些功能依賴于泛素的彈性。只有一部分蛋白質表現彈性，比如說肌聯蛋白，它是肌肉的彈性源泉。這些分子的彈性依靠的是β折疊中殘基之間的氫鍵，像泛素中的一樣。你剛載入的trajectory是一個泛素分子的AFM（原子力顯微鏡）實驗的模擬。我們要看的是當它被從一端牽拉時是怎么伸展開來的。在分子動力學模擬中，在開始模擬之前，像在AFM實驗中顯示的那樣，首先需要實現蛋白質的平衡。你將有機會在本教程的后面看到這樣的平衡軌跡在下一部分，你會學到怎樣用一個有用的叫做macros的特征來創建顯示方法。一旦你創建了與trajectory有關的顯示法，下一部分就會告訴你如何用AnimationTools來看trajectories。3.2Macros你現在可以做出與你在第一單元做出的相似的圖形顯示方法。當你創建這些輸入法時，你會學到macros。Macro表示一種選擇的文本。當你常用一些顯示方法的時候，macro就很有用了。Macro可用你在第二單元學到的atomselect命令創建。atomselectmacronameselection–createsamacroforselection泛素由5個β折疊和1個α螺旋構成。β折疊在蛋白質的伸展態中扮演重要的角色。要為這些結構創建macro：需要1通過選擇Main——Extensions——TkConsole.打開TkConsole窗口。2在TkConsole窗口中，鍵入atomselectmacrobstrand1{proteinandresid2to6}這就為第一個β折疊創建了一個macro，包括殘基2——6。對于其它的結構，你可以用第一單元介紹過的sequenceviewer找出哪些殘基是屬于這些結構的，然后創建相似的macros。3確保你現在處于trajectory的第一幀，STRIDE（在VMD中計算二級結構的程序）會確定這一幀的結構4選擇Extensions——Analysis——SequenceViewer菜單就像你在第一單元中學到的，第二個顏色欄表示的是蛋白質的結構特色，呈現黃色的部分指的是β折疊。5用鼠標點擊并且拖動第二個β折疊，使它高亮顯示。這步操作會在GraphicalRepresentations窗口產生一種新的顯示方法。圖17macros列在GraphicalRepresentation菜單的Selection標簽中6在GraphicalRepresentations窗口中，點擊新的顯示法，與選擇相對應的文本會出現在SelectedAtoms窗口。你會得到（鏈U和殘基1213141516)圖17macros列在GraphicalRepresentation菜單的Selection標簽中7在Tk控制臺中鍵入atomselectmacrobstrand2{chainUandresid12to16}用此文本來建立一個新的macro。這個macro叫做bstrand2，包括蛋白質鏈U的12到16殘基。8注意到sequenceviewerextension定位了5個β折疊。你已經為前兩個新建了macros；用bstrand2中用到的sequenceextension為剩下的三個建立macros。一旦macro被建立，你可以在Tk控制臺中用它，也可以在Representationsselections中用它。.你建立的macros和VMD自帶的macros可以在GraphicalRepresentations的Selections標簽中看到。在Singlewords窗口中有macros的列表。單擊一個macro會在MacroDefinition中顯示它的定義。雙擊會選定它，同時會在SelectedAtoms中輸出它的定義9刪除用sequenceviewer創建的圖形顯示法。你現在用第三和第五個β折疊新建一個顯示法。10在Graphics——Representations菜單中，單擊CreateRep按鈕。11在SelectedAtoms窗口中，刪除其中的文本。12點擊Selections標簽，在Singlewords的列表中尋找，直到找到你新創建的macros。13雙擊bstrand3,點擊按鈕or，然后雙擊bstrand5（圖17），再點擊Apply按鈕。14在DrawStyle標簽中，選擇NewCartoon表示法，染成黃色。你現在應該可以看到β折疊。15現在，用其它3個β折疊創建一個相似的表示法。單擊CreateRep鍵，現在，在SelectedAtoms中輸入bstrand1orbstrand2orbstrand4.。鍵入后立刻就可以看到效果。就像你看見的一樣，macro非常有用。當你保存已存的文件時，macros會被包含在已存文件內。Macros。你可以創建一些macros，在根目錄下把它們存成一個VMD參數選擇文件.vmdrc（Windows用文件vmd.rc)。在啟動VMD的時候，VMD會自動尋找并且讀出所有macros。要想了解VMD開始文件的更多內容，參考VMD用戶手冊。要完成這一部分的學習，你將學習一個非常有趣的顯示法，它展現了我們看到的trajectory的關鍵特征。這種表示法就是氫鍵顯示法。氫鍵。氫鍵可以以多種方式來穩定蛋白質，在β折疊骨架原子之間的氫鍵是蛋白質彈性的標志；它們使蛋白質穩定，而且，它們在機械力作用下的形成與斷裂賦予蛋白質彈性。16通過選擇betasheet和backbone來創建一個新的顯示法。選擇DrawingMethod——Hbonds,把它染成紅色，選擇ColoringMethod——ColorID，在選項內，把DistanceCutoff設為3.2,AngleCutoff設為30，LineThickness設為5..你現在可以從這個伸展狀態的trajectory中看出泛素最重要的特征，你的蛋白質現在看起來應該與圖18相似。17保存VMD環境，這樣如果你想回來繼續研究此部分教程，你就不用再重新設定那些顯示法。保存時用到你在第一單元學習的File——SaveState菜單選項。.重新應用保存狀態。當你已經保存了一個系統，你可以用它觀察不同的坐標（PDB或者另外的trajectory）。如果它們具有相同的PSF文件，你可以用以下的步驟實現操作。導入你保存狀態文件：File——LoadState選擇你以前保存的文件（比如nice-ubiquitin.vmd）打開Molecule——DeleteFrames菜單，你需要刪除目前導入的所有幀。默認選擇會執行這樣的操作。點擊Delete按鈕。導入新文件yournewtrajectory.dcd到PSF，執行菜單為File——LoadDataIntoMolecule.圖18高亮顯示泛素關鍵的二級結構圖18高亮顯示泛素關鍵的二級結構3.3主菜單動畫工具既然現在你已經有了非常好的顯示法，你就可以觀察trajectory的特點。AnimationTools可以幫助你。在主菜單中包含了研究trajectory的所有的動畫工具。它們位于菜單的底部（圖19）。1試著應用跳到trajectory的末尾，用回到開頭。你可以看到，trajectory的最后和初始狀態分別對應蛋白質的伸展和折疊狀態。圖19動畫工具圖19動畫工具2再次打開waterrepresentation.，回到VMD主窗口，選擇Graphics——Representations菜單，雙擊標有文本water的顯示法，將其打開。你可以通過點擊滑塊并來回拖動以實現對你的trajectory的操縱。你可以在任何時候停下，或者以你想要的速度拖動。鐺你想看一看一個trajectory，想測量一個有趣現象發生時間時，這個功能是很有用的3用滑塊觀察tragectory起始蛋白質周圍的水分子的運動。自由能最小化。注意到水盒的形狀從管狀變成球形。要實現能量最小化，暴露在真空中的水分子要盡可能少，所以水盒要采取球狀構型。檢測一下水形成此種構型有多快（每一幀的步長與10ps相當）。4現在，雙擊WaterRepresentation，從GraphicalRepresentations窗口刪除它。這樣做可以更近地觀察蛋白質。滑動滑塊，觀察蛋白質是怎樣伸展開的。你觀察到什么特點了嗎？打斷氫鍵。看一看中間黃色的兩個β折疊。它們靠氫鍵連接在一起。注意β折疊是如何先分離的，這意味著氫鍵首先斷裂。我們在后面會進一步研究這種相關性。在Animationtools的下部分，你能找到需要播放一個動畫所有的必需工具，這些工具不需要滑塊。它是由Play按鈕來控制的，它可以播放或者倒放。5把trajectory倒放，你認為這樣做，蛋白質又會回到自然折疊態嗎？改變你的動畫播放速度的方式有兩種。你可以用SpeedSlider來調節，你也可以用StepWindow.調節步長，如果步長值設為3，動畫會每3幀播放，這樣它就可以讓播放速度快一些。6把步長值設為5，然后播放，可以看到它播放速度快了，但是看起來不如以前平滑了。然而，當你看一個很長的trajectory的時候，這種播放方式就比較方便了。循環方式。當播放動畫的時候，你可以在StyleChooser中選擇3種循環方式，它們是Once，Loop和Rock。一個控制竅門：回到trajectory的開始（第0幀）把步長數設為在trajectory中的總幀數（100）把style設為Rock把速度設為最低播放你現在可以比較trajectory中的第一和最后一幀。這個訣竅用起來比點擊Start和End按鈕方便。在AnimationTools左邊的窗口中輸入幀的序號，可以跳到trajectory中的任意一幀。重新計算二級結構。你可以讓VMD用STRIDE一個新的幀的二級結構。圖18是在第28幀，通過在Tk控制臺中鍵入命令molssrecalctop實現的。注意：AnimationTools在頂層分子的幀中循環，但是它可以應用到所有活動分子中。3.4標簽在VMD中，你可以在選定的內容上標注標簽。我們現在就來感受應用標簽的樂趣。標簽用鼠標選擇。在這個例子當中，我們會涉及到標注原子和鍵的標簽，角和二面角也可以標注標簽。1選擇Mouse——Labels——Atoms菜單項。鼠標設為“DisplayLabelforAtom”模式。現在你可以點擊你的分子中的任何一個原子，為它標注標簽。再點擊一次會刪除標簽。我們現在來試一試鍵。2選擇Mouse——Label——Bonds菜單，鼠標模式選擇為“DisplayLabelforBond”你可以為lysine48和C末端的α碳建立一個VMDRepresentation。在pullingsimulation中，前者是固定的，后者被500pN的恒力牽拉。K48殘基。在第一單元中提到，多泛素鏈可以通過一個泛素分子的碳末端和另一個泛素分子的K48殘基連接而形成。這個模擬模仿的是在這種連接中C末端的牽拉力。要想找到這些原子的索引，3在Tk控制臺中鍵入以下命令，建立一個包括這兩個原子的選擇setsel[atomselecttop"resid4876andnameCA"]4獲得索引$selgetindex命令返回的索引值為7701242。PDB和VMD原子編號。注意在pdb文件中這些原子的編號是771和1243。VMD從0開始計數索引，因此VMD可以讀取Representation中的文本數字。由于VMD并不從PDB文件中讀取索引，這是唯一的例子。其他的關鍵字，就像殘基，與PDB文件中的一致。5用選擇的索引值7701242新建一個VDWRepresentation6現在，先后點擊兩個原子，你應該得到連接兩個原子的一條線，在線的附近顯示的值是兩個原子之間的距離，單位是埃（圖20）。得到的距離值是本幀中兩個原子之間的距離值標簽。標簽的快捷鍵有：1Atoms，2Bonds。你可以用它們來代替Mousemenu。當用這些快捷鍵時，確保OpenGLdisplay窗口是活動的。圖20模擬中固定和被拉動的原子的鍵的選擇。兩個被選擇原子都已用黑色標簽標注。鍵用藍色表示，藍色數字表示的是兩個原子之間的距離（埃）圖20模擬中固定和被拉動的原子的鍵的選擇。兩個被選擇原子都已用黑色標簽標注。鍵用藍色表示，藍色數字表示的是兩個原子之間的距離（埃）7通過Graphics——Labels菜單項，你還可以行使另外一些功能。在窗口的左側（圖21），有一個下拉菜單，你可以在其中選擇標簽的類型（Atoms，Bonds，Angles，Dihedrals）。現在，設為Atoms。你可以看到你標注的原子的列表。8單擊其中的一個原子，這個原子的信息就會顯示出來。你可以通過單擊按鈕來刪除，隱藏或顯示這些標簽。圖21標簽窗口注意到這些信息對于選擇是很有用的。原子信息對應著當前幀，當幀發生改變時，信息也隨之發生改變。圖21標簽窗口9現在，在Label窗口，選擇labeltype為Bonds，然后選擇你要標記的鍵。注意到信息只與鍵中的第一個原子對應，但是Valuefield數與鍵的長度對應，單位是埃。單擊Graph標簽，選擇你標記的原子770和1242之間的鍵。單擊Graph按鈕。這會創建兩個原子之間的距離圖。你也可以把這個數據保存到文件里，操作方法為：單擊Save按鈕，然后用一個標圖程序來觀察數據。xmgrace。VMD用的是二維標圖程序xmgrace。這個程序可以從http://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/.下載。在MacOSX中，xmgrace在X11環境中運行。運行xmgrace之前要保證X11正在運行。10你現在可以關閉xmgrace或者相應的標圖程序。泛素去折疊。圖形展示了鍵長隨時間的長度變化。你可以想象為當分子被一個恒力牽拉時，分子“長度”的變化圖。注意到曲線的起始部分是平的，就像拉力沒有影響分子結構一樣。突然，距離有了較大的增長。看一看這發生在什么時候：當兩個黃色的β折疊分離的時候。這意味著把β折疊結合起來的氫鍵是蛋白質去折疊的第一個阻力，一旦氫鍵斷裂了，蛋白質以更有規律的方式去折疊。試著確定在第二次突變中發生了什么。你會發現泛素去折疊的關鍵