【2.2】pdb文件格式

早在蛋白质结构序列数据库诞生之前的70年代,蛋白质结构数据库(Protein Data Bank,简称PDB)就已经问世了。PDB数据库由美国Brookhaven国家实验室负责维护和 管理。为适应结构基因组和生物信息学研究的需要,在1998年,由美国国家科学基金委员会、能源部和卫生研究院资助,成立了结构生物学合作研究协会Research Collaboratory for Structural Bioinformatics,简称RCSB。PDB数据库改由RCSB管理,目前主要成员为Rutger大学、圣地亚哥超级计算中心(San Diego Supercomputer Center,简称SDSC)和国家标准化研究所(National Institutes of Standards and Technology,简称NIST)。和核酸序列数据库一样,我们可以通过网络直接向PDB数据库提交数据。

PDB是当前最重要的蛋白质分子结构数据库。随着晶体衍射技术的不断改进,结构测定的速度和精度也逐步提高。90年代以来,多维核磁共振溶液构象测定方法的成熟,使那些难以结晶的蛋白质分子的结构测定成为可能,使得蛋白质分子结构数据库的数据量迅速上升。据2000年5月统计,PDB数据库中已经存放了1万2千多套原子坐标,其中大部分为蛋白质,包括多肽和病毒,共1万多套。此外,还有核酸、蛋白和核酸复合物以及少量多糖分子。近年来,核酸三维结构测定的进展飞速,PDB数据库中已经收集了800多套核酸结构数据。

PDB数据库以文本文件的方式存放数据,每个分子各用一个独立的文件。除了原子坐标外,还包括很多基本注释信息如物种来源、结构递交、化合物名称、以及有关文献等。此外,还给出分辨率、结构因子、温度系数、配体分子式、蛋白质主链数目、金属离子、二级结构信息、二硫键位置等和结构有关的数据。

PDB数据库以文本文件格式存放,可以用文字编辑软件来查看。用文字编辑软件查看注释信息不太方便,更无法直观地了解分子的空间结构。RCSB开发了基于Web的PDB数据库概要显示系统,只列出主要信息。用户如需进一步的了解详细信息,或查询其它蛋白质结构信息资源,可点击该页面左侧窗口中的按钮。英国伦敦大学开发 的PDBsum数据库是基于网络的PDB注释信息综合数据库,用于对PDB数据库的检索,使用十分方便。并将RasMol,CN3D等分子图形软件综合在一起,同时具备分析和图形显示功能。必须指出的是与EMBL和PIR等序列数据库一样,结构数据库PDB也属于一次数据库,其中包括许多冗余的数据,甚至存在错误。PDB Check合作研究组对PDB数据库进行了全面的检验,并把结果存放在PDB Report数据库中,用户在使用PDB数据库中的某个文件时,可先查阅该数据库。

PDB(Protein Data Bank)是一种标准文件格式, 其中包含原子的坐标等信息, 提交给 Protein Data Bank at the Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (RCSB) 的结构都使用这种标准格式. 这里整理网上已有的一些资料, 对PDB格式做个简短介绍. 对大多数用户而言, 了解这些内容就够了, 但对那些需要创建PDB文件的用户, 请参考PDB格式官方文档.

完整的PDB文件提供了非常多的信息, 包括作者, 参考文献以及结构说明, 如二硫键, 螺旋, 片层, 活性位点. 在使用PDB文件时请记住, 一些建模软件可能不支持那些错误的输入格式.

PDB格式以文本格式给出信息, 每一行信息称为一个 记录(record). 一个PDB文件通常包括很多不同类型的记录, 它们以特定的顺序排列, 用以描述结构.

一、PDB文件中的记录类型

1. 标题部分

  • HEADER: 分子类, 公布日期, ID号
  • OBSLTE: 注明此ID号已废弃, 改用新ID号
  • TITLE: 说明实验方法类型
  • CAVEAT: 可能的错误警告
  • COMPND: 化合物分子组成
  • SOURCE: 化合物来源
  • KEYWDS: 关键词
  • EXPDTA: 测定结构所用的实验方法
  • AUTHOR: 结构测定者
  • REVDAT: 修订日期及相关内容
  • SPRSDE: 已撤销或更改的相关记录
  • JRNL: 发表坐标的期刊
  • REMARK REMARK 1: 有关文献 REMARK 2: 最大分辨率 REMARK 3: 用到的程序和统计方法. 记述结构优化的方法和相关统计数据. REMARK 4-999: 其他信息

2. 一级结构

  • DBREF: 其他序列库的有关记录
  • SEQADV: PDB与其他记录的出入
  • SEQRES: 残基序列
  • MODRES: 对标准残基的修饰

3. 杂因子

  • HET: 非标准残基
  • HETATM: 非标准残基的名称
  • HETSNY: 非标准残基的同义字
  • FORMOL: 非标准残基的化学式

4. 二级结构

  • HELIX: 螺旋. 标识螺旋的位置和类型(右手α螺旋等), 每个螺旋一条记录.
  • SHEET: 片层. 标识每个片层的位置, 类型(sense, 如反平行等), 相对于模型中每个束的片层(如果存在的话)中前一束的说明, 每个片层一条记录.
  • TURN: 转角

5. 连接注释

  • SSBOND: 二硫键. 定义半胱氨酸CYS残基之间的二硫键
  • LINK: 残基间化学键
  • HYDBND: 氢键
  • SLTBRG: 盐桥
  • CISPEP: 顺式残基

6. 晶胞特征及坐标变换

  • CRYST1: 晶胞参数(NMR除外). 记述晶胞结构参数(a, b, c, α, β, γ, 空间群)以及Z值(单位结构中的聚合链数).
  • ORIGXn: 直角-PDB坐标
  • SCALEn: 直角-晶体分数坐标(n=1, 2, 3, NMR除外). 说明数据中直角坐标向晶体分数坐标的变换因子.
  • MTRIXn: 非晶相对称
  • TVECT: 平移矢量

7. 坐标部分

  • MODEL: 多亚基时显示亚基号 当一个PDB文件中包含多个结构时(例: NMR结构解析), 该记录出现在各个模型的第一行. MODEL记录行的第11-14列上记入模型序号. 序号从1开始顺序记入, 在11-14列中从右起写. 比如说有30个模型, 则第1至9号模型, 该行的7-13列空白, 在14列上记入1-9的数字; 第10-30号模型, 该行的7-12列空白, 13-14列上记入10-30的数字.
  • ATOM: 标准残基的原子. 记述标准残基(氨基酸以及核酸)中各原子的原子名称, 残基名称, 直角坐标(单位埃), 占有率, 温度因子等信息.
  • SIGATM: 标准差
  • ANISOU: 各向异性
  • SIGUIJ: 各种温度因素导致的标准差
  • TER: 残基链的末端. 表示残基链的结束. 在每个聚合链的末端都必须有TER记录, 但因序列无序造成的链中断处不需要该记录. 例如, 一个血红蛋白分子包含四个亚链. 彼此之间并不相连. TER标识了每条链的结束, 以防显示时这条链与下一条相连.
  • HETATM: 非标准残基的原子. 记述非标准残基(标准氨基酸以及核酸以外的化合物, 包括抑制剂, 辅因子, 离子, 溶剂)中各原子的原子名称, 残基名称, 直角坐标(单位埃), 占有率, 温度因子等信息. 与ATOM记录的唯一区别在于HETATM残基默认情况下不会与其他残基相连. 注意, 水分子也应放在此记录中.
  • ENDMDL: 亚基结束. 与MODEL记录成对出现, 记述在各模型的链末端的TER记录之后.

8. 连接信息部分

  • CONECT: 原子间的连接信息

9. 簿记

  • MASTER: 版权拥有者
  • END: 文件结束. 标志PDB文件的结束, 必需记录.

二、一些记录类型的说明

PDB文件里面的每个记录都有着严格的格式. 每个记录中的字段, 如标识, 原子名称, 原子序号, 残基名称, 残基序号等, 不仅要按照严格的顺序书写, 而且每个字段所占的字符串长度, 及其所处的位置都是严格规定好的. 这些记录中, 通常最关心的是原子记录, 其详细说明可参考PDB原子记录官方文档.

一些老的PDB文件可能不完全遵循新格式. 对大多数用户而言, 最值得注意的区别在于ATOM和HETATM记录中的温度因子字段. 下文的例子中没有使用这些字段. 此外, 有些字段常常留空, 例如, 如当原子没有可替换位置时, 可替位置标识符就会留空.

2.1 ATOM记录

PDB文件 ATOM 记录

第一次看这个表的时候,第一列的数字没看懂,其实每一个空格就代表一列,比如1-4,就代表1-4个空格这个位置。

数据 格式, 对齐 说明
1-4 ATOM 字符, 左 Record Type 记录类型
7-11 serial 整数, 右 Atom serial number 原子序号.PDB文件对分子结构处理为segment, chain, residue, atom四个层次(一般并不用到chain),因此此数位限定了一个残基中的最大原子数为为99999
13-16 name 字符, 左 Atom name 原子名称.原子的元素符号在13-14列中右对齐,一般从14列开始写, 占四个字符的原子名称才会从13列开始写.如, 铁原子FE写在13-14列, 而碳原子C只写在14列.
17 altLoc 字符 Alternate location indicator 可替位置标示符
18-20 resName 字符 Residue name 残基名称
22 chainID 字符 Chain identifier 链标识符
23-26 resSeq 整数, 右 Residue sequence number 残基序列号
27 iCode 字符 Code for insertion of residues 残基插入码
28-30 留空
31-38 x 浮点, 右 Orthogonal coordinates for X in Angstroms 直角x坐标(埃)
39-46 y 浮点, 右 Orthogonal coordinates for Y in Angstroms 直角y坐标(埃)
47-54 z 浮点, 右 Orthogonal coordinates for Z in Angstroms 直角z坐标(埃)
55-60 occupancy 浮点, 右 Occupancy 占有率
61-66 tempFactor 浮点, 右 Temperature factor 温度因子
67-72 留空
73-76 segID 字符, 左 Segment identifier(optional) 可选的片段标识符,VMD会使用此数据
77-78 element 字符, 右 Element symbol 元素符号
79-80 charge 字符 Charge on the atom(optional) 可选的原子电荷.实际分子模拟中往往重新定义电荷, 故此列往往不用.VMD写出的PDB文件中无此列.

2.2 HETATM记录

PDB文件 HETATM 记录

数据
1-6 HETATM
7-80 与ATOM记录相同

2.3 TER记录

数据 格式, 对齐 说明
1-3 TER 字符  
7-11 Serial number 整数, 右 序号
18-20 Residue name 字符, 右 残基名称
22 Chain identifier 字符 链标识符
23-26 Residue sequence number 整数, 右 残基序列号
27 Code for insertions of residues 字符 残基插入码

2.4 SSBOND记录

数据 格式, 对齐 说明
1-6 SSBOND 字符  
8-10 Serial number 整数, 右 序号
12-14 Residue name (CYS) 字符, 右 残基名称(CYS)
16 Chain identifier 字符 链标识符
18-21 Residue sequence number 整数, 右 残基序列号
22 Code for insertions of residues 字符 残基插入码
26-28 Residue name (CYS) 字符, 右 残基名称(CYS)
30 Chain identifier 字符 链标识符
32-35 Residue sequence number 整数, 右 残基序列号
36 Code for insertions of residues 字符 残基插入码
60-65 Symmetry operator for first residue 整数, 右 第一个残基的对称操作
67-72 Symmetry operator for second residue 整数, 右 第二个残基的对称操作

2.5 HELIX记录

数据 格式, 对齐 说明
1-5 HELIX 字符, 左  
8-10 Helix serial number 整数, 右 螺旋序号
12-14 Helix identifier 字符, 右 螺旋标识符
16-18 Initial residue name 字符, 右 起始残基名称
20 Chain identifier 字符 链标识符
22-25 Residue sequence number 整数, 右 残基序列号
26 Code for insertions of residues 字符 残基插入码
28-30 Terminal residue name 字符, 右 终止残基名称
32 Chain identifier 字符 链标识符
34-37 Residue sequence number 整数, 右 残基序列号
38 Code for insertions of residues 字符 残基插入码
39-40 Type of helix 整数, 右 螺旋类型注1
41-70 Comment 字符, 左 注释
72-76 Length of helix 整数, 右 螺旋长度

注1: 螺旋类型有如下几种:

  1. Right-handed alpha (default) 右手α螺旋(默认)
  2. Right-handed omega 右手ω螺旋
  3. Right-handed pi 右手π螺旋
  4. Right-handed gamma 右手γ螺旋
  5. Right-handed 310 右手3/10螺旋
  6. Left-handed omega 右手ω螺旋
  7. Left-handed alpha 右手α螺旋
  8. Left-handed gamma 右手γ螺旋
  9. 27 ribbon/helix 2/7带状螺旋
  10. Polyproline 聚脯氨酸

2.6 SHEET记录

数据 格式, 对齐 说明
1-5 SHEET 字符  
8-10 Strand number (in current sheet) 整数, 右 束编号(当前片层中)
12-14 Sheet identifier 字符, 右 片层标识符
15-16 Number of strands (in current sheet) 整数, 右 束数目(当前片层中)
18-20 Initial residue name 字符, 右 起始残基名称
22 Chain identifier 字符 链标识符
23-26 Residue sequence number 整数, 右 残基序列号
27 Code for insertions of residues 字符 残基插入码
29-31 Terminal residue name 字符, 右 终止残基名称
33 Chain identifier 字符 链标识符
34-37 Residue sequence number 整数, 右 残基序列号
38 Code for insertions of residues 字符 残基插入码
39-40 Strand sense with respect to previous 整数, 右 相对于前一个片层的类型注2

以下字段标识两个原子,第一个位于当前片层, 第二个位于前一片层,它们彼此之间以氢键相连.对束1这些字段应留空.

42-45 Atom name (as per ATOM record) 字符, 左 原子名称(每个ATOM记录一个)
46-48 Residue name 字符, 右 残基名称
50 Chain identifier 字符 链标识符
51-54 Residue sequence number 整数, 右 残基序列号
55 Code for insertions of residues 字符 残基插入码
57-60 Atom name (as per ATOM record) 字符, 左 原子名称(每个ATOM记录一个)
61-63 Residue name 字符, 右 残基名称
65 Chain identifier 字符 链标识符
66-69 Residue sequence number 整数, 右 残基序列号
70 Code for insertions of residues 字符 残基插入码

注2: 类型标识:

  • 1: 平行
  • -1 反平行
  • 0: 用于束1

格式说明:

对于熟悉FORTRAN程序语言的用户, 下面是格式说明

ATOM或HETATM: Format ( A6,I5,1X,A4,A1,A3,1X,A1,I4,A1,3X,3F8.3,2F6.2,6X,A4,A2,A2 )
SSBOND: Format ( A6,1X,I3,1X,A3,1X,A1,1X,I4,A1,3X,A3,1X,A1,1X,I4,A1,23X,2I3,1X,2I3 )
HELIX: Format ( A6,1X,I3,1X,A3,2(1X,A3,1X,A1,1X,I4,A1),I2,A30,1X,I5 )
SHEET: Format ( A6,1X,I3,1X,A3,I2,2(1X,A3,1X,A1,I4,A1),I2,2(1X,A4,A3,1X,A1,I4,A1) )
在FORTRAN语言的输入/输出格式中, X表示输入/输出空格; An表示输入/输的字符串占n位, 左对齐; In表示输入/输的整数占n位, 左对齐; Fm.n表示输入/输的浮点数占m位, 其中小数点后的数字占n位. 这些格式前面的整数则表示重复次数, 如23X表示23个空格, 3F8.3表示F8,3格式重复三次.

如果你使用其他程序语言, 可根据上面的格式说明转换为相应的形式.

三、PDB文件示例

3.1 单链蛋白

胰升血糖素(Glucagon)是一个小蛋白, 29个残基处于单条链中. 第一个残基是终端为氨的氨基酸HIS, 接着的是SER和GLU残基. 坐标部分开头如下:

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
ATOM      1  N   HIS     1      49.668  24.248  10.436  1.00 25.00
ATOM      2  CA  HIS     1      50.197  25.578  10.784  1.00 16.00
ATOM      3  C   HIS     1      49.169  26.701  10.917  1.00 16.00
ATOM      4  O   HIS     1      48.241  26.524  11.749  1.00 16.00
ATOM      5  CB  HIS     1      51.312  26.048   9.843  1.00 16.00
ATOM      6  CG  HIS     1      50.958  26.068   8.340  1.00 16.00
ATOM      7  ND1 HIS     1      49.636  26.144   7.860  1.00 16.00
ATOM      8  CD2 HIS     1      51.797  26.043   7.286  1.00 16.00
ATOM      9  CE1 HIS     1      49.691  26.152   6.454  1.00 17.00
ATOM     10  NE2 HIS     1      51.046  26.090   6.098  1.00 17.00
ATOM     11  N   SER     2      49.788  27.850  10.784  1.00 16.00
ATOM     12  CA  SER     2      49.138  29.147  10.620  1.00 15.00
ATOM     13  C   SER     2      47.713  29.006  10.110  1.00 15.00
ATOM     14  O   SER     2      46.740  29.251  10.864  1.00 15.00
ATOM     15  CB  SER     2      49.875  29.930   9.569  1.00 16.00
ATOM     16  OG  SER     2      49.145  31.057   9.176  1.00 19.00
ATOM     17  N   GLN     3      47.620  28.367   8.973  1.00 15.00
ATOM     18  CA  GLN     3      46.287  28.193   8.308  1.00 14.00
ATOM     19  C   GLN     3      45.406  27.172   8.963  1.00 14.00

注意到, 每一行(记录)都以记录类型ATOM开始, 记录中的下一项是原子序号.

原子名称是ATOM记录中的第三项, 它的前一或二个字符包含原子类型的元素符号. 所有以C开始的原子名称都代表碳原子, 同理, N代表氮原子, O代表氧原子. 原子名称的下一字符为远程标识符, 表示离氨基碳原子的远近, 含义如下

A: α
B: β
G: γ
D: δ
E: ε
Z: ζ
H: η

如果需要, 原子名称的最后一个字符可以代表分支标识符.

ATOM记录的下一数据字段为残基类型. 注意, 每一 记录都包含残基类型. 在上面的例子中, 链中的第一个残基为HIS, 第二个为SER.

ATOM记录的下一数据字段为残基的序列号. 注意到, 残基从HIS变为SER后, 残基序列号从1变为2. 两个相同的残基可能相邻, 因此残基编号对于区分它们非常重要.

ATOM记录的下三个数据字段分别为原子的X, Y, Z坐标. 后面接着的数据字段是占有率. 最后的数据字段是温度因子(也称B值).

胰升血糖素的PDB文件以这种方式继续下去, 直至最后一个残基

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
ATOM    239  N   THR    29       3.391  19.940  12.762  1.00 21.00
ATOM    240  CA  THR    29       2.014  19.761  13.283  1.00 21.00
ATOM    241  C   THR    29        .826  19.943  12.332  1.00 23.00
ATOM    242  O   THR    29        .932  19.600  11.133  1.00 30.00
ATOM    243  CB  THR    29       1.845  20.667  14.505  1.00 21.00
ATOM    244  OG1 THR    29       1.214  21.893  14.153  1.00 21.00
ATOM    245  CG2 THR    29       3.180  20.968  15.185  1.00 21.00
ATOM    246  OXT THR    29       -.317  20.109  12.824  1.00 25.00
TER     247      THR    29

注意, 这一残基包含额外的氧原子OXT, 它处于末端羰基上. TER记录终止了氨基酸链.

3.2双链蛋白

更复杂的一个蛋白, 胎血红蛋白(fetal hemoglobin), 包含两条残基酸链(α和γ), 以及两个血红素基团. 这个蛋白坐标部分的前10行内容如下:

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
ATOM      1  N   VAL A   1       6.280  17.225   4.929  1.00  0.00
ATOM      2  CA  VAL A   1       6.948  18.508   4.671  1.00  0.00
ATOM      3  C   VAL A   1       8.436  18.338   4.977  1.00  0.00
ATOM      4  O   VAL A   1       8.813  17.657   5.941  1.00  0.00
ATOM      5  CB  VAL A   1       6.317  19.598   5.527  1.00  0.00
ATOM      6  CG1 VAL A   1       6.959  20.999   5.376  1.00  0.00
ATOM      7  CG2 VAL A   1       4.819  19.636   5.383  1.00  0.00
ATOM      8  N   LEU A   2       9.259  18.958   4.152  1.00  0.00
ATOM      9  CA  LEU A   2      10.715  18.872   4.330  1.00  0.00
ATOM     10  C   LEU A   2      11.156  20.058   5.187  1.00  0.00

数据文件与上面胰升血糖素的基本一样, 除了第五个数据字段包含单个字符的链标识符A, 它标识血红蛋白分子的α链. 而在胰升血糖素的例子中, 这一字段为空. 在链A的终止处, 出现血红素基团的记录

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
ATOM   1058  N   ARG A 141      -6.576  12.834 -10.275  1.00  0.00
ATOM   1059  CA  ARG A 141      -8.044  12.831 -10.214  1.00  0.00
ATOM   1060  C   ARG A 141      -8.186  14.096  -9.365  1.00  0.00
ATOM   1061  O   ARG A 141      -7.591  15.139  -9.671  1.00  0.00
ATOM   1062  CB  ARG A 141      -8.579  11.531  -9.580  1.00  0.00
ATOM   1063  CG  ARG A 141      -8.386  11.441  -8.054  1.00  0.00
ATOM   1064  CD  ARG A 141      -8.727  10.045  -7.568  1.00  0.00
ATOM   1065  NE  ARG A 141      -9.095  10.056  -6.143  1.00  0.00
ATOM   1066  CZ  ARG A 141      -9.268   8.931  -5.414  1.00  0.00
ATOM   1067  NH1 ARG A 141      -8.602   8.795  -4.282  1.00  0.00
ATOM   1068  NH2 ARG A 141     -10.097   7.962  -5.830  1.00  0.00
ATOM   1069  OXT ARG A 141      -8.973  13.984  -8.310  1.00  0.00
TER    1070      ARG A 141
HETATM 1071 FE   HEM A   1       8.133   8.321 -15.014  1.00  0.00
HETATM 1072  CHA HEM A   1       8.863   8.752 -18.417  1.00  0.00
HETATM 1073  CHB HEM A   1      10.362  10.946 -14.389  1.00  0.00
HETATM 1074  CHC HEM A   1       8.482   7.374 -11.743  1.00  0.00
HETATM 1075  CHD HEM A   1       6.982   5.180 -15.773  1.00  0.00
HETATM 1076  N A HEM A   1       9.452   9.545 -16.178  1.00  0.00

α链中最后一个残基为ARG, 额外的氧原子OXT同样出现在末端羰基基团中. TER记录标识了多肽链的结束. 在多肽链的结束处使用TER记录非常重要, 这样, 才不至于将一条链的终结处与另一条链的起始处相连.

上面的例子中, TER记录是正确的, 并且应该存在. 但是, 即便没有TER记录标识, 分子链仍然应该在某处终止, 因为HETATM残基不会与其他残基相连, 或互相相连. 作为单个残基的血红素基团由HETATM记录组成.

在α链血红素基团的结束处, γ链开始出现:

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
HETATM 1109  CAD HEM A   1       7.582   6.731 -20.480  1.00  0.00
HETATM 1110  CBD HEM A   1       8.992   6.848 -20.968  1.00  0.00
HETATM 1111  CGD HEM A   1       8.998   6.529 -22.465  1.00  0.00
HETATM 1112  O1D HEM A   1       9.693   5.683 -22.895  1.00  0.00
HETATM 1113  O2D HEM A   1       8.276   7.153 -23.229  1.00  0.00
ATOM   1114  C   ACE G   0       7.896 -18.462  -1.908  1.00  0.00
ATOM   1115  O   ACE G   0       7.246 -18.839   -.922  1.00  0.00
ATOM   1116  CH3 ACE G   0       9.415 -18.301  -1.832  1.00  0.00
ATOM   1117  N   GLY G   1       7.354 -18.174  -3.077  1.00  0.00
ATOM   1118  CA  GLY G   1       5.904 -18.282  -3.283  1.00  0.00
ATOM   1119  C   GLY G   1       7.139 -19.112  -2.930  1.00  0.00
ATOM   1120  O   GLY G   1       7.026 -20.248  -2.448  1.00  0.00
ATOM   1121  N   HIS G   2       8.300 -18.533  -3.176  1.00  0.00
ATOM   1122  CA  HIS G   2       9.565 -19.224  -2.889  1.00  0.00

这里, 新链的开始隐含着TER记录存在. 新链的标识符为G. 整个文件以与前面相同的模式继续下去, 到整条γ链及其血红素结束.

数据字段中的空格非常关键. 如果没有提供数据, 相应的字段应该留空. 例如, 仅包含单条氨基酸链的蛋白没有链标识符, 因此, 22列应该留空.

对于上面的例子, 看起来PDB格式依赖于 残基 的概念. 残基的规则总结如下:

所有处于单个残基内的原子都必须具有唯一的名称. 例如, 残基VAL可能只有一个名称为CA的原子. 其他残基可能也含有CA原子, 但VAL中出现的CA不能超过一个.

残基名称最大长度为三个字符, 并且能唯一地标识残基类型. 因此, 文件中具有给定名称的所有残基都具有相同的残基类型, 相同的结构. 每个特定残基在PDB文件中出现时都应具有相同的原子和连接性.

四、PDB格式文件中的常见错误

如果一个PDB文件无法正常展示, 在其成百上千行数据中找到错误位置有时很困难. 这里给出PDB文件中一些最常见的错误.

4.1 程序创建的PDB文件

虚假的超长键

由程序创建的PDB文件中, 常见的一种错误会导致在本来不该相连的残基间显示出非常长的键. 这种错误来自于缺少了分子链结束处的TER记录. 根据PDB标准, TER记录标识了分子链的结束. 文件中如果缺失了TER记录, 应该插入它们. 或者, 作为替代方法, 对每条链使用不同的链标识符.

显示超长键的第二个常见原因是不正确地使用ATOM记录, 而不使用HETATM记录. HETATM记录应该用于那些不形成链的化合物, 如水或血红素. 许多程序创建的PDB文件没有正确地使用HETATM记录. 在这种情况下, ATOM记录的开头 6 列应改为HETATM, 这样, 其余列的排列仍然正确.

未正确排列的原子名称

PDB记录中未正确排列的原子名称可能导致问题. ATOM和HETATM记录中的原子名称由下列内容组成: 元素符号(如C), 右 对齐在13-14列中; 远程标识字符(如A), 左 对齐在15-16列中. 许多程序只是简单地从第13列开始将整个原子名称左对齐. 在下面血红蛋白的一部分文件中可以清楚地看到区别:

正确的

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
HETATM  976 FE   HEM     1      12.763  34.157   9.102  1.00  0.00
HETATM  977  CHA HEM     1      16.124  33.461  10.405  1.00  0.00
HETATM  978  CHB HEM     1      11.350  32.580  12.046  1.00  0.00
HETATM  979  CHC HEM     1       9.326  34.709   7.887  1.00  0.00
HETATM  980  CHD HEM     1      14.138  35.379   6.119  1.00  0.00

错误的

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
HETATM  976  FE  HEM     1      12.763  34.157   9.102  1.00  0.00
HETATM  977  CHA HEM     1      16.124  33.461  10.405  1.00  0.00
HETATM  978  CHB HEM     1      11.350  32.580  12.046  1.00  0.00
HETATM  979  CHC HEM     1       9.326  34.709   7.887  1.00  0.00
HETATM  980  CHD HEM     1      14.138  35.379   6.119  1.00  0.00

4.2 手动创建的PDB文件

重复的原子名称

在手动创建的PDB文件中, 一个可能的编辑错误是, 对于一个给定残基中的所有原子没有指定唯一的名称. 在下面的例子中, 残基VAL中有两个原子具有名称CA.

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
ATOM      1  N   VAL A   1       6.280  17.225   4.929  1.00  0.00
ATOM      2  CA  VAL A   1       6.948  18.508   4.671  1.00  0.00
ATOM      3  C   VAL A   1       8.436  18.338   4.977  1.00  0.00
ATOM      4  O   VAL A   1       8.813  17.657   5.941  1.00  0.00
ATOM      5  CA  VAL A   1       6.317  19.598   5.527  1.00  0.00
ATOM      6  CG1 VAL A   1       6.959  20.999   5.376  1.00  0.00
ATOM      7  CG2 VAL A   1       4.819  19.636   5.383  1.00  0.00
ATOM      8  N   LEU A   2       9.259  18.958   4.152  1.00  0.00
ATOM      9  CA  LEU A   2      10.715  18.872   4.330  1.00  0.00
ATOM     10  C   LEU A   2      11.156  20.058   5.187  1.00  0.00
取决于所用的可视化程序, 可能无法正确显示残基的连接, 或者只有当标记残基才会给出缺少CB原子的错误.

序列之外的残基

在下面的例子中, 出现于文件中的第二个残基(SER)被错误地编号为残基5. 许多可视化程序会显示残基5与残基1和3相连, 但只有当初确实需要这样时才正确. 如果残基5被假定出现在残基4和残基6之间, 它就应该出现在那里.

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
ATOM      1  C   HIS     1      49.169  26.701  10.917  1.00 16.00
ATOM      2  CA  HIS     1      50.197  25.578  10.784  1.00 16.00
ATOM      3  CB  HIS     1      51.312  26.048   9.843  1.00 16.00
ATOM      4  CD2 HIS     1      51.797  26.043   7.286  1.00 16.00
ATOM      5  CE1 HIS     1      49.691  26.152   6.454  1.00 17.00
ATOM      6  CG  HIS     1      50.958  26.068   8.340  1.00 16.00
ATOM      7  N   HIS     1      49.668  24.248  10.436  1.00 25.00
ATOM      8  ND1 HIS     1      49.636  26.144   7.860  1.00 16.00
ATOM      9  NE2 HIS     1      51.046  26.090   6.098  1.00 17.00
ATOM     10  O   HIS     1      48.241  26.524  11.749  1.00 16.00
ATOM     11  C   SER     5      47.713  29.006  10.110  1.00 15.00
ATOM     12  CA  SER     5      49.138  29.147  10.620  1.00 15.00
ATOM     13  CB  SER     5      49.875  29.930   9.569  1.00 16.00
ATOM     14  N   SER     5      49.788  27.850  10.784  1.00 16.00
ATOM     15  O   SER     5      46.740  29.251  10.864  1.00 15.00
ATOM     16  OG  SER     5      49.145  31.057   9.176  1.00 19.00
ATOM     17  C   GLN     3      45.406  27.172   8.963  1.00 14.00
ATOM     18  CA  GLN     3      46.287  28.193   8.308  1.00 14.00

输入错误

有时字母l和数字1被互相替换了. 取决于这种错误在文件中出现的位置, 导致的问题也不一样. 错误放置的原子可能预示着错误出现在坐标字段中. 确定这种错误的一种方式是, 使用大写字母表示文件中的数据, 然后使用文本编辑器查找所有的小写字母l.

五、讨论

5.1. 氢原子约定

PDB文件中的氢原子约定如下:

出现在ATOM记录中的氢原子, 处于特定残基所有其他原子的后面. 每个氢原子的名称根据与它相连原子的名称来确定: 名称的第一个位置(13列)为可选的数字, 当有两个或多个氢原子与同一个原子相连时才使用; 第二个位置(14列)为元素符号H; 接下来的两列包含与氢原子相连原子的远程和分支标识符(1或2个字符). 示例如下

12345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890
----+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----6----+----8
ATOM      1  N   VAL     1     -13.090   1.966   9.741  1.00  0.00
ATOM      2  CA  VAL     1     -12.852   3.121   8.892  1.00  0.00
ATOM      3  C   VAL     1     -13.047   4.399   9.711  1.00  0.00
ATOM      4  O   VAL     1     -12.143   5.228   9.800  1.00  0.00
ATOM      5  CB  VAL     1     -13.753   3.058   7.658  1.00  0.00
ATOM      6  CG1 VAL     1     -13.930   4.446   7.036  1.00  0.00
ATOM      7  CG2 VAL     1     -13.208   2.063   6.631  1.00  0.00
ATOM      8  H   VAL     1     -13.919   1.449   9.527  1.00  0.00
ATOM      9  HA  VAL     1     -11.816   3.075   8.557  1.00  0.00
ATOM     10  HB  VAL     1     -14.734   2.707   7.977  1.00  0.00
ATOM     11 1HG1 VAL     1     -13.951   4.357   5.950  1.00  0.00
ATOM     12 2HG1 VAL     1     -14.866   4.883   7.384  1.00  0.00
ATOM     13 3HG1 VAL     1     -13.098   5.085   7.333  1.00  0.00
ATOM     14 1HG2 VAL     1     -12.623   1.298   7.142  1.00  0.00
ATOM     15 2HG2 VAL     1     -14.039   1.594   6.104  1.00  0.00
ATOM     16 3HG2 VAL     1     -12.575   2.588   5.917  1.00  0.00

在上面的例子中

  • 所有氢原子都出现在残基的其他原子之后
  • 9号原子HA与2号原子CA相连. 这两个原子的远程标识符A相同.
  • 有三个氢原子与CG1相连. 它们具有相同的远程标识符, 分支标识符, 但13列中含有区分数字, 因此每个氢原子都具有唯一的名称.
  • 当只有一个氢原子与给定原子相连时, 不需要使用数字作为氢原子名称的前缀.

参考资料

个人公众号,比较懒,很少更新,可以在上面提问题,如果回复不及时,可发邮件给我: tiehan@sina.cn

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