开源版 PyMOL 如何绘制 新冠病毒 分子结构？

参阅：用生物知识解读“新冠病毒”，

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pip show pymol
简介: PyMOL是一个Python增强的分子图形工具。它擅长蛋白质、小分子、密度、表面和轨迹的3D可视化。它还包括分子编辑、射线追踪和动画。

先从 www.python.org 下载 python-3.11.9-amd64.exe
在 Win 10 上安装在 D:\Python311
cd D:\Python311
python.exe -m pip install --upgrade pip

pip install \pyMol\numpy-1.22.4+mkl-cp311-cp311-win_amd64.whl
pip install \pyMol\Pmw-2.0.1-py3-none-any.whl
pip install \pyMol\pymol-2.6.0a0-cp311-cp311-win_amd64.whl
pip install \pyMol\pymol_launcher-2.5-cp311-cp311-win_amd64.whl

D:\Python311> pip install pyqt5
Successfully installed PyQt5-Qt5-5.15.2 PyQt5-sip-12.17.0 pyqt5-5.15.11

安装成功之后 PyMOL.exe 在 D:\Python311\，右键点击发送到桌面快捷即可。

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我们使用开源版PyMOL（PyMOL Open Source）来绘制新冠病毒（SARS-CoV-2）的分子结构。

新冠病毒的结构数据可以从RCSB PDB数据库获取。例如，新冠病毒的主要蛋白酶（Mpro，也称为3CLpro）的结构已被解析，其PDB ID为6LU7（这是早期研究中的一个重要结构）。

步骤如下：

1. 从PDB数据库获取新冠病毒蛋白结构（例如6LU7）。

2. 在PyMOL中加载该结构。

3. 调整显示样式（如卡通图、表面图等）并突出显示重要区域（如活性位点）。

4. 可以添加小分子抑制剂（如该结构中包含的抑制剂N3）并显示其结合方式。

具体操作：

步骤1：打开PyMOL。

步骤2：在PyMOL命令行中输入以下命令加载结构：

fetch 6LU7

步骤3：调整显示样式：

# 显示为卡通图，并按链着色
show cartoon
util.cbc

# 显示小分子配体（抑制剂）
select ligand, organic
show sticks, ligand
color yellow, ligand

# 显示活性位点附近的残基（例如配体周围5A内的残基）
select active_site, byres ligand around 5
show sticks, active_site
color magenta, active_site

# 添加背景（白色）
bg white

# 可选：显示表面，但可能会比较慢
# show surface
# set surface_color, white, 6LU7
# set transparency, 0.5, surface

步骤4：调整视角并渲染图像：

# 将视角调整到配体附近
zoom ligand

# 渲染高质量图像
ray 1200,1200
png sars_cov_2_6LU7.png

如果您想展示整个病毒颗粒（例如刺突蛋白），可以使用PDB ID 6VSB（刺突蛋白三聚体）或6VXX（整个病毒颗粒的低分辨率结构，但注意：整个病毒颗粒非常大，可能难以在PyMOL中流畅操作）。

例如，加载刺突蛋白：

fetch 6VSB

show cartoon
util.cbc

bg white

ray 1200,1200
png sars_cov_2_spike.png

注意：整个病毒颗粒的结构非常大（包含数百万个原子），通常我们只关注其关键蛋白的结构。

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在开源版 PyMOL 中绘制新冠病毒 (SARS-CoV-2) 分子结构可以通过以下步骤完成，我将提供详细指导和示例代码：

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1. 获取新冠病毒结构数据

新冠病毒的关键蛋白结构可从 PDB 数据库获取：

• 刺突蛋白 (Spike Protein)：PDB ID 6VSB (三聚体结构)
• 主要蛋白酶 (Mpro)：PDB ID 6LU7 (药物靶点)
• 核衣壳蛋白 (N Protein)：PDB ID 7ACT

# 加载刺突蛋白结构
fetch 6vsb, async=0

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2. 基础可视化 - 刺突蛋白三聚体

# 重命名对象
create spike, 6vsb

# 显示设置
hide everything
show cartoon, spike
util.cbc  # 按链着色

# 调整样式
set cartoon_flat_sheets, 0
set cartoon_smooth_loops, 1
set cartoon_transparency, 0.5

# 添加受体结合域标签
label chain A and resi 319-541, "RBD"
color red, chain A and resi 319-541

# 视角调整
zoom chain A and resi 319-541
orient

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3. 展示刺突蛋白与 ACE2 受体结合

# 加载复合物结构 (PDB: 6M0J)
fetch 6m0j, async=0

# 分离对象
create ace2, chain E
create spike_complex, chain A+B+C

# 显示设置
show surface, ace2
color blue, ace2
set surface_transparency, 0.7

show cartoon, spike_complex
color green, spike_complex

# 高亮结合界面
select interface, (spike_complex within 5 of ace2) or (ace2 within 5 of spike_complex)
show sticks, interface
color magenta, interface

# 测量关键距离
distance his34, ace2/34/NE2, spike_complex/417/OD1
distance gln42, ace2/42/OE1, spike_complex/455/N

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4. 可视化主要蛋白酶 (Mpro) 与抑制剂

# 加载蛋白酶-抑制剂复合物 (PDB: 6LU7)
fetch 6lu7, async=0

# 分离抑制剂
create protease, chain A
create inhibitor, organic

# 显示设置
show cartoon, protease
util.cbag protease  # 按元素着色

show sticks, inhibitor
color yellow, inhibitor

# 显示催化位点
select catalytic_site, resi 41+145+163+164
show sticks, catalytic_site
color red, catalytic_site

# 显示氢键相互作用
distance //protease/145/ND1, //inhibitor/1/N1
distance //protease/41/O, //inhibitor/1/N2
set dash_gap, 0.2
set dash_color, blue

# 添加标签
label //inhibitor, "Inhibitor N3"
set label_size, 15

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5. 创建病毒颗粒示意图

对于完整病毒颗粒，使用低分辨率结构 (EMDB-30210)：

# 下载EMD-30210地图文件
fetch emd_30210, type=map

# 创建等值面
isosurface viron, emd_30210, 0.5

# 美化显示
color palecyan, viron
set surface_quality, 1
set surface_solvent, 0
set surface_smooth, 2

# 添加刺突蛋白示意
pseudoatom spike1, pos=[100,100,100]
pseudoatom spike2, pos=[-100,100,100]
pseudoatom spike3, pos=[100,-100,100]
group spikes, spike1 spike2 spike3

show spheres, spikes
set sphere_scale, 20, spikes
color red, spikes

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6. 高质量渲染输出

# 设置渲染参数
set ray_trace_mode, 1
set ray_shadows, 0
set antialias, 2
set specular, 0.3
set ambient, 0.5
set direct, 0.8

# 设置背景
bg white

# 渲染图像
ray 2400,1800
png covid_visualization.png

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7. 完整示例脚本 (新冠病毒刺突蛋白)

# 初始化
reinitialize
set orthoscopic, 1

# 加载刺突蛋白
fetch 6vsb, async=0
create spike, 6vsb

# 基本显示
hide everything
show cartoon, spike
util.cbc

# 美化设置
set cartoon_flat_sheets, 0
set cartoon_transparency, 0.4
set cartoon_smooth_loops, 1
set cartoon_ring_mode, 3

# 高亮RBD
select rbd, chain A and resi 319-541
show surface, rbd
color red, rbd
set surface_transparency, 0.6

# 添加糖基化位点
select glycosites, resn NAG
show spheres, glycosites
color yellow, glycosites
set sphere_scale, 0.8

# 视角调整
zoom rbd
orient

# 最终渲染
set ray_trace_mode, 1
bg white
ray 2400,1800
png sars_cov_2_spike.png

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解决常见问题

1. 结构加载失败：

   # 尝试不同PDB ID
   fetch 7a98  # 替代刺突蛋白结构
   

2. 大文件处理：

   set defer_builds_mode, 3  # 延迟构建
   set cache_frames, 0       # 禁用帧缓存
   

3. 电子密度图显示：

   fetch 7kr2, type=2fofc  # 加载电子密度
   isosurface density, 7kr2, 1.0
   color blue, density
   set surface_transparency, 0.7
   

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资源推荐

1. 新冠病毒结构数据库：

   • RCSB COVID-19资源中心：https://www.rcsb.org/news?year=2020&article=5e74d55d2d410731e9944f52
   • EMDB病毒颗粒：https://www.ebi.ac.uk/emdb/emnav/#/search/virus/sars-cov-2

2. PyMOL插件增强功能：

   • APBS：静电势计算
   • Pymol-script-repo：扩展脚本库

通过以上方法，您可以在开源版 PyMOL 中创建专业级的新冠病毒分子可视化，适用于科研展示、教学或科普用途。