Jmol — программа визуализации пространственных структур макромолекул. Исходными данными служит, как правило, файл в PDB-формате (хотя некоторые другие форматы также поддерживаются).

Основные сведения о программе

• Удовлетворительная визуализация; достаточный для большинства потребностей спектр средств анализа.
• Несложен для освоения, обладает хорошей внутренней логикой.

• Доступен на сайте https://jmol.sourceforge.net/

• Требует установки Java

Что такое визуализация?

Исходные данные для визуализации — список атомов с координатами их центров (в некоторой системе координат). При визуализации белков в окне программы изображаются различные т.н. модели. Наиболее употребительные модели следующие:

• Проволочная модель — ковалентные связи между атомами изображаются линиями, соединяющими их центры. Jmol, как правило, определяет наличие ковалентных связей по расстоянию между центрами атомов.

• Шариковая модель — атомы изображаются шариками.

  • Наложение шариковой и проволочной моделей иногда называют шарнирной моделью.

• Остовная модель — изображаются условные линии, соединяющие Cα-атомы соседних остатков белка или атомы фосфора соседних нуклеотидов ДНК или РНК.

Основные принципы работы с Jmol

• Работа идёт в двух окнах: графическом и командном (если командное окно при запуске не открылось, надо щёлкнуть по графическому окну правой кнопкой мыши и выбрать в меню "Console")
• В каждый момент работы имеется некоторое выделенное множество атомов.
  • Все действия производятся с этим множеством.
• Каждому действию соответствует команда, набираемая в командном окне.
  • Команда набирается с клавиатуры при активном командном окне и завершается нажатием клавиши "Enter".

Как открыть структуру

Либо (в графическом окне) File → Open и выбрать файл.

Либо File → GetPDB и набрать четырёхсимвольный код (например 1crn). В этом случае структура будет скачана из банка PDB.

Некоторые команды

Как задавать множество

• Один атом:

  Ser15:A.OG — атом OG из серина 15 цепи A

• Все атомы заданного остатка:

  15:A

• Все атомы диапазона остатков:

  10-28:A

• Все атомы цепи A:

  *:A

• Все Cα-атомы:

  • *.CA

• Всё:

  all

• Ничего (пустое множество):

  none ("restrict none" очищает графическое окно)

• Все атомы белка:

  protein

• Все атомы воды:

  water

• Все остовные атомы (белка, ДНК и РНК):

  backbone

Логические операторы для задания множеств

• Логическое "или" (объединение множеств) — запятая или "or"

  • 15:A,17:A,19:A — все атомы трёх остатков

• Логическое "и" (пересечение множеств) — "and"

  • ser and *:A — все атомы всех серинов из цепи A

• Логическое "не" (дополнение к множеству) — "not"

  • not protein — все небелковые атомы

Примеры комбинаций операторов

• *:B and (*.CA,*.CB)

• dna and not backbone

• (leu,met,val,ile) and *:1 and backbone

• not (protein,dna,water)

и т.п.

Оператор "within"

Оператор "within" служит прежде всего для задания множества всех атомов, близких к атомам какого-то другого множества. Как и все обозначения множеств, within должен стоять после команд select или restrict (сам по себе он — не команда).

Примеры:

• within(4.5,dna)

  • множество всех атомов, расположенных ближе 4,5 Å от ДНК

• ser and within(5.0,dna and backbone)

  • множество всех атомов серина, расположенных ближе 5 Å от остова ДНК

• Выполнение команд:

select water and within(3.9,ser15:a.og)
cpk 50%

выведет в графическое окно в виде шариков половинного диаметра все атомы воды, находящиеся ближе 3,9 Å от данного атома.

• within(GROUP,ser and within(5.0,dna and backbone))

  • множество всех атомов всех остатков серина, в которых есть хотя бы один атом, расположенный ближе 5 Å от остова ДНК (within с первым аргументом "GROUP" означает остатки, к которым принадлежат атомы второго аргумента, целиком).

Полный список выражений, которыми можно задавать множества атомов, см. здесь.

Упражнение

Предположим, открытый в Jmol'е документ PDB содержит описание структуры, состоящей из белка, фрагмента ДНК и молекул воды.

Какое множество станет выделенным, если выполнить следующие команды ?

select protein or dna
select protein and dna
select not water
select within(3.5, his)
select within(3.5, his) and water

Цвет

После команды color может стоять:

• словесное обозначение цвета (red, green, white, black, cyan, redorange и т. п.)
• численное значение цвета в системе RGB, например, [80,80,255]
• слово "cpk", означающее раскраску по типу атомов (кислород красный, азот синий и т.д.)
• "chain", "structure", "temperature"

Например, color chain окрасит каждую цепь в свой цвет.

Экспорт файлов

• Команда

write h:\jmol\my.pdb

• создаст файл "my.pdb" в директории H:\jmol, содержащий координаты атомов выделенного множества в PDB-формате.
• Чтобы сохранить текущее изображение, нужно щёлкнуть по изображению фотоаппарата вверху окна.

Ещё полезные команды и действия

show sequence выводит в командное окно список остатков выделенного множества ("остатком" считается не только аминокислотный остаток в составе белка или нуклеотидный – в составе нуклеиновой кислоты, но и любой лиганд или молекула воды)

zap стирает текущую структуру из памяти, освобождая место для новой.

spin запускает вращение изображения.

label %a приписывает около каждого атома выделенного множества его имя (например, "CA"). Вместо %a (или вместе c %a) можно писать %r (номер остатка), %n (имя остатка), и даже просто текст, например label %n%r:%c.%a выведет подписи атомов вида "ARG15:B.CA". Полный список возможностей см. https://chemapps.stolaf.edu/jmol/docs/?ver=14.2#atomproperties .

Нажатие "стрелки вверх" (↑) на клавиатуре при активном командном окне приводит к появлению предыдущей команды. Её можно сразу выполнить, нажав Enter или сначала отредактировать.

Если щёлкнуть по изображению мишени (круг с точкой в центре) вверху графического окна, а затем по изображению атома, то этот атом переместится в центр и вращение будет происходить вокруг него.

Вращение колёсика мыши приводит к увеличению-уменьшению изображения. Тот же эффект получается, если при нажатых клавише Shift и левой кнопке мыши водить мышью вверх-вниз.

Чтобы увидеть в командном окне описание атома, просто щёлкните по нему левой кнопокой мыши.

Чтобы измерить расстояние между двумя атомами, надо щёлкнуть мышью по изображению линейки вверху графического окна. а затем последовательно по обоим атомам. Чтобы вернутся из режима измерения в обычный режим, щёлкните по изображению стрелочки.

Щелчок правой кнопкой мыши по графическому окну открывает меню с некотороыми дополнительными возможностями.

Сценарии

Сценарий (в разговорной речи — скрипт) — это текстовый файл, содержащий в каждой строке команду Jmol. Например, содержимое сценария может быть таким:

load h:\tmp\1xyz.pdb
restrict none
select *:a
color cyan
backbone 0.2
select *:b
color yellow
backbone 0.2
select not protein
color cpk
cpk 30%
select all

Комментарий

• Команда load загружает файл в формате pdb.

• Команда restrict none очищает графическое окно (чтобы изображение "по умолчанию" не накладывалось на изображение, создаваемое сценарием).

• Команда select *:a выделяет цепь A, команда color cyan красит выделенное (то есть цепь A) в голубой цвет, команда backbone 0.2 выводит изображение остовной модели цепи A в графическое окно.

• Три последующие команды полностью аналогичны трём предыдущим.
• Ещё три команды выводят в графическое окно изображение всех небелковых атомов в виде маленьких шариков, покрашенных в соответствии с химическим элементом.
• Последняя команда делает выделенным множество всех атомов структуры

Чтобы запустить сценарий, нужно в командной строке выполнить команду: script myscript.spt

• (если сценарий назвается "myscript.spt"). В этом случае, как правило, придётся указывать полный путь к файлу.

См. также: An Introduction to Jmol