【3.2.2】检测蛋白质构象是否合理--Ramachandran plot（拉氏图）

Ramachandran plot（拉氏图）是由G. N. Ramachandran等人[1]于1963年开发的，用来描述蛋白质结构中氨基酸残基二面角ψ和φ是否在合理区域的一种可视化方法。同时也可以反映出该蛋白质的构象是否合理。

在介绍Ramachandran plot前有必要简单说明一下二面角。

图1  蛋白质链上肽平面之间形成的二面角以及 两个残基脱水缩合后的 ψ，φ和W（图片来自swiss-model）

图一的左图中，Calpha  分别连接的两个肽平面是可以自由转动的，但是由于周围原子的影响，在转动过程有一定的障碍。 右图中phi（CNCalphaC）和psi（NNCalphaCN）较为自由，而omega（OCNH）由于肽平面是刚性的一般是180度（极少数是10度）。

一、拉氏图（Ramachandran plot）

其展示了在一个蛋白质结构中所有残基中的phi和psi， 一般是将gly和pro氨基酸的除去，另外处理。我们可以对单个氨基酸做拉氏图，也可以对一条蛋白质链做拉氏图，甚至是多个蛋白质链。分别如下：

图2. 甘氨酸的拉氏图， 蓝色、浅蓝色、白色分别为构象完全允许、允许、不允许区域

图3.  用散点做的gly的拉氏图，并且标注了alfa，beta，Lalfa二级结构 。而且点集中在完全允许区域，允许区域次之，不允许区域非常少。

拉氏图中关于不允许区域的点： 不允许区域可以理解为高能区域， 只有能量是无限高才会引起完全不允许。所以这些不是无限高的区域中是可以偶尔出现一些点的。换句话说，蛋白质可以花一些能量来驱动残基进入这一区域。

图4、脯氨酸（pro）的拉氏图

图5、出去gly、pro其他氨基酸的拉氏图

图6、2erl（40aa）蛋白质的拉氏图

图7. 1epw的拉氏图

三、可以做拉氏图的软件procheck

可以在线预测， 也可以下载单机版预测。

在线版本只需要http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/pdbsum/Generate.html

分别上传PDB格式的蛋白质文件和个人邮箱。等待结果回传到邮箱。 点击进入结果页面，点击右上角的procheck按钮可以进入如下图页面：

点击左图第一个main Ramachandran plot即可得到右图的拉氏图。下面对右图进行说明

其中，该图是pdb名为2erl的蛋白质结构中所有残基（除去gly，pro）拉氏图，其横纵坐标分别为phi和psi。其中深色区域（红色）代表的是core区域，残基较喜欢的构象区域。理想的，我们希望散点90%以上落到这些区域，这样这些残基具有较好的构象空间。这些区域分类来自Morris et al. (1992).

这些区域标记如下：

A   - Core alpha            L   - Core left-handed alpha
a   - Allowed alpha         l   - Allowed left-handed alpha
~a   - Generous alpha       ~l   - Generous left-handed alpha
B   - Core beta             p   - Allowed epsilon
b   - Allowed beta         ~p   - Generous epsilon
~b   - Generous beta

下载需要登录procheck网址后：

进入网址后下载5个文件，解压打开procomp.scr文件，将f77修改为相应的fortran的编译器名称，我所安装的为gfortran。保存后，在终端中键入：cshprocomp.scr，即开始安装。

参考资料

• https://blog.csdn.net/MCANDML/article/details/80672174
• Laskowski R A, MacArthur M W, Moss D S, Thornton J M (1993).PROCHECK - a program to check the stereochemical quality of protein structures.J. App. Cryst., 26, 283-291.
• Morris AL, MacArthur MW, Hutchinson EG, Thornton JM (1992). Stereochemical quality of protein structure coordinates. Proteins, 12, 345-364.