蛋白质立体化学

在计算获得map之后，就要搭建原子结构了。使用软件搭建结构之前，需要了解一下一些蛋白质化学的基础知识，这样遇到异常的氨基酸才能知道该怎么修正。

下面列了几种在搭建结构后进行评估时需要着重关注的几个点。

Peptide Bond Validation

很好理解，键长键角的参数。在蛋白质中，C-C键的键长约1.52Å左右，肽键的键长约1.33Å，C=O键的键长约1.23Å。

拉式图（Ramachandran Plot）是经典的评估蛋白质主链构象是否合理的方法。

众所周知，肽平面是由构成肽键的四个原子（C、H、O、N）以及相邻两个Cα这六个原子组成的。由于肽键有一定双键性质，因此肽平面是刚性的，它们一定在一个平面上。

围绕Cα和N键的旋转角叫做φ(phi)，围绕Cα和C键的旋转角叫做ψ(psi)。

虽然理论上的C-C单键可以任意旋转，但是由于空间位阻，ψ和φ并不是可以取任意值的。

生物物理学家Ramachandran等人构建了模型，计算得到了ψ对φ立体上允许的值，就是拉式图。

拉式图的不同区域表示了不同的二级结构。β是β折叠，α是α螺旋，310是310螺旋，Lα是左手螺旋。

随着不断有高分辨的蛋白质结构被解析，更加精确的拉式图也不断更新。

Ramachandran plot outlier一般表示，以高质量蛋白质结构为参考，构象存在可能性<0.5%的主链构象。在拉式图中展现出来就是在封闭轮廓外面。

一般来说搭建结构的时候，Favored的氨基酸至少要占蛋白质90%以上，Outlier越低越好。

多数氨基酸的拉式图是类似的，有一些氨基酸是特殊的。比如Glycine甘氨酸，它的侧链只有一个H原子，范德华半径更小，因此限制较小，在拉式图中Allowed的范围就更大。而Proline脯氨酸Cα和N成环，限制较大，在拉式图中Allowed范围就小。

下面就是一个真实的结构用Coot计算出的拉式图，三角形代表了Gly，正方形代表了Pro。

氨基酸侧链可以有多种不同的构象，但是每一类型的氨基酸都有几种比较稳定的构象。

Rotamer outlier一般表示，以高质量蛋白质结构为参考，可能性<0.5%的侧链构象。

Clashscore是描述原子间冲突的参数。一般而言，包含H原子的情况下，原子原子间overlap大于0.4A的被认为存在较严重的clash。Clashscore表示为每1000个原子中存在clash的原子数量。

搭建电镜结构最好把clashscore降低到10以下。

一般有严重clash的地方往往结构上也存在其它问题，最好确认问题出在哪里。

如果确认不是结构搭建的有问题，clashscore太高的话可能要考虑下pixel size是否有问题，用Calibrated pixel size重新计算map或者做个post processing。

C=C双键存在顺式（trans）和反式（cis），肽键有部分双键的性质，也类似有顺反式构象。顺式肽平面中两个Cα总是在两侧的，蛋白中的氨基酸大多数是trans构象，也就是omega角度为180°。但是也有少数cis构象的氨基酸，omega为0°。

尤其是有Proline的位置，cis-pro出现的概率相对别的氨基酸高一点。

至于Cis-nonPro，出现的概率大约1/3000，在分辨率足够好（<2.5Å）或者有同源结构参考的时候可以谨慎搭建。

同样，由于空间位阻和立体化学，一些大侧链本身内部也是存在一些限制的，比如Arginine的头部的胍基。

Reference:

Luigi Vitagliano. Protein structure validation and quality assessment (2019).

王镜岩，朱圣庚，徐长法。《生物化学》第三版。高等教育出版社（2002）。