VMD教程Word版.docx
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VMD教程Word版
简介：
这个教程为新用户介绍了VMD的用法。
老用户也可以用本教程进一步熟悉程序的应用，以更好地利用VMD。
本教程是针对VMD1.8.3设计的，需要约3个小时来完成。
本教程新增的内容可用三个独立的单元讲解。
第一个单元主要内容是分子图形表现方法基础，还会介绍制作形象逼真的图像要了解的知识。
另外的两个单元是针对高级用户，介绍了VMD的脚本。
尽管非技术性用户可以略去脚本的阅读，但是我们鼓励每个人都去试一试着读一下，因为它会提供一些有力而易用的工具，这些工具是简单的图形用户界面所无法提供的。
本教程以一种有趣的小蛋白质泛素的研究为例来说明VMD的应用。
在本文中，一些资料是在小框中出现的。
这些小框中包括教程的补充内容，例如泛素扮演的生物学角色，使用VMD的一些提示和捷径等等。
如果你有对本教程的评论和问题，请发邮件至tutorial-l@ks.uiuc.edu。
邮件列表可以在http:
//www.ks.uiuc.edu/Training/Tutorials/mailinglist/tutorial-l/.中找到。
泛素本教程会用VMD来显示泛素。
泛素是一个由76个氨基酸组成的小蛋白质，在所有的真核生物中普遍存在。
在所有真核生物蛋白质中，泛素是最为保守的蛋白质之一（在昆虫，鱼，牛和人中，前74个氨基酸是完全一样的）。
它已被证明存在于细胞核、细胞质和细胞表面。
它首要的功能是介导蛋白质降解，在降解过程中，作为细胞内蛋白水解酶识别的标志。
需要的程序：
以下是本教程中需要的程序
VMD:
可以从http:
//www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/下载（在所有平台上均可使用）。
绘图程序：
要观看从VMD输出的图像，需要专门的程序。
VMD有一个内置的绘图程序，也可以应用外部程序。
应用什么程序是由你的操作系统决定的。
例如：
–Unix/Linux:
xmgrace,http:
//plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/
–Windows:
Excel,
（需要购买）
–Mac/MultiplePlatforms:
Mathematica,
（需要购买）;gnuplot,http:
//www.gnuplot.info/（免费下载）
现在开始学习VMD
你可以在VMD-tutorial-files目录里找到本教程的文件。
如图1所示的VMD-tutorial-files的文件和目录
图1：
VMD-tutorial-files的目录结构
运行VMD，可以在Unix终端窗口中键入vmd,在MacOSX的应用文件夹中双击VMD应用程序图标或者在windows中单击开始——程序——VMD。
1VMD基础
在本单元中你会通过构建一个泛素的较美观的图形来熟悉VMD的基本命令。
另外，你可以学习怎样用VMD来寻找蛋白质结构上的有趣的特点。
1．1导入分子
第一个步骤是导入分子。
在教程中提供了一个pdb文件1UBQ.pdb，文件中包含了泛素的原子坐标。
1在VMD主窗口的菜单栏中选择File——NewMolecule，如图2（a），屏幕上会显示另外一个窗口，即MoleculeFileBrowser（b）。
2
图2导入分子
应用Browse.（c）按钮在vmd-tutorial-files中找到文件1UBQ.pdb，注意到当你选择这个文件的时候，就会回到MoleculeFileBrowser窗口。
为了精确地导入你要导入的文件一定不要忘了按下Load（d）按钮。
现在，泛素在你的OpenGLDisplay窗口中显示出来。
你可以随时选择MoleculeFileBrowser窗口。
Webpdb.如果网络连接可用，VMD可以从蛋白质数据库中下载pdb文件。
只要在MoleculeFileBrowse窗口的FileName中键入四个字母的蛋白质号，再点一下load就可以了。
VMD会自动下载该pdb文件。
坐标文件。
文件1UBQ.pdb与泛素的X射线衍射1.8埃分辨率侧的结果香对应（SenadhiVijay-Kumar,CharlesE.BuggandWilliamJ.Cook,J.Mol.Biol.
（1987）194,531）。
注意蛋白质被58个水分子包围，结果中不包含氢原子。
1．2显示蛋白质
为了观察蛋白质的三维结构，我们要用到多种鼠标模式。
图3旋转模式
1在OpenGLDisplay中,按下鼠标左键同时移动鼠标。
进一步观察有什么现象。
这是鼠标的旋转模式，通过这种模式，你可以让这个分子绕一个与屏幕平行的轴旋转。
图3（a）
2如果你按下鼠标右键，重复上一步骤，分子会绕一个与屏幕垂直的轴旋转（b）（对于Mac用户来说，右键产生的效果与在按下mouse菜单选项后点击命令按钮是一样的）。
3在VMD主窗口中，看一下Mouse菜单（图4），这里，你可以把鼠标模式从Rotation更换到Translation或者Scalemodes。
4Translation模式允许你按住鼠标左键，在屏幕上移动分子。
在Translation模式下，你可以通过按下鼠标中键来改变剪切板。
5
图4鼠标模式
在Scale模式下，你可以按住左键水平移动鼠标来缩小或放大分子。
需要注意的是：
鼠标运动不会改变分子中的原子坐标。
鼠标模式。
注意每一种鼠标模式都有独特的指针形状，也有独特的快捷键（（r:
Rotate,t:
Translate,s:
Scale），可以代替菜单使用。
（当用快捷键的时候，要保证OpenGLDisplay窗口是活动的）。
在VMD用户手册中可以获得更多的信息。
Mouse——Center菜单项也很有用，它允许你确定分子绕之旋转的支点。
6选择Center菜单项，在蛋白质一端选择一个原子，这时指针会显示成一个十字。
7现在，按下r,用鼠标旋转分子，看一看你的分子是怎么绕着你选择的支点运动的。
8选择Display——ResetView菜单项（=快捷键），回到默认界面。
1．3学习应用不同的绘图模式
VMD可以用很多种绘图模式来显示你的分子。
这里，我们要进一步学习那些可以帮助你确定蛋白质中不同结构的绘图模式。
1选择Graphics——Representations菜单项，一个叫做GraphicalRepresentations的窗口会出现，见图5（a）中黄色高亮。
你可以看到目前显示的分子的图形显示法。
2在DrawStyle标签中（b）我们可以改变所表示的style（d）和color（c）。
在这一部分我们重点来看drawing模式。
3每一种绘图方法都有自己的参数控制。
例如，改变线条的稠密度可以用GraphicalRepresentations窗口右侧底部的控制按钮（e）。
4
图5GraphicalRepresentations窗口
现在，在DrawingMethod中选择VDW（vanderWaals），每一个原子现在都表示为球形。
用这种方式你可以更容易地看出蛋白质的体积分布是怎样的。
5要观察蛋白质内部的原子排布，用窗口右侧底部的控制按钮改变SphereScale到0.5，SphereResolution到13。
注意分辨率越高，分子的显示速度越慢。
6注意ColoringMethod——Name菜单项,每一个原子都有其自己的颜色，比如，O是红色的，N是蓝色的，C是青色的，S是黄色的。
7按下Default键，这个操作允许你回到默认的绘图方式中。
更多显示方法。
还有有趣的显示方法是CPK和Licorice。
在CPK中，就像以前化学中的球棒模型，每个原子都用球形表示，每个键都用圆柱棒表示（球和圆柱形棒的半径和分辨率都可以独立地调节）。
Licorice绘图方法（广泛使用）也用球形表示原子，用圆柱形棒表示键，但是球的半径不能被独立调节。
.
前面的显示方式可以让你看到蛋白质大分子的细节。
但是，更多的普遍结构属性可以用抽象的绘图方式来观看。
8在DrawingMethod下选择Tubestyle，观察蛋白骨架。
Radius设为0.8。
9在tube模式下观察你的蛋白质，你可以分辨出它有多少α螺旋、β折叠和无规则卷曲吗？
我们要了解的最后一个绘图模式是NewCartoon。
它可以给出一个以二级结构为基础的简化的蛋白质图像。
α螺旋以卷曲的条带状表示，β折叠以固形箭头表示，所有其它的结构以管状表示。
这可能是观察蛋白质分子总体构造的最普遍的方法。
10选择DrawingMethod——NewCartoon.
11现在确定蛋白质分子中有多少α螺旋、β折叠和无规则卷曲。
泛素的结构。
泛素有一个三圈半的α螺旋（残基23到34，其中有三个是疏水的），一个310-螺旋（残基56到59），还有5个β折叠（残基1到7，10到17，40到45，48到50，64到72），还有7个反向转角。
VMD用STRIDE程序，以一种探索性的法则计算出二级结构
图6泛素Licorice,TubeandNewCartoon显示方法
1．4学习不同的着色方法
1现在，让我们来改变所显示图像的颜色。
选择ColoringMethod——ResType图5（c），这可以区别非极性基团（白色），碱性基团（蓝色）、酸性基团（红色）和极性基团（绿色）。
2选择ColoringMethod——Structure（c），确定NewCartoon表示的图形与二级结构相一致。
1．5学习不同选择
让我们来看一看分子中不同的独立的部分。
1如图5（f），在GraphicalRepresentations窗口的SelectedAtoms文本输入框中删去“all”,输入helix，然后按下apply按钮或者按下键盘上的Enter或者Return键（每当在文本框中输入后都可执行同样的操作），VMD会显示出分子中的α螺旋结构。
2在GraphicalRepresentations窗口中选择Selections标签，如图7（a）。
在Singlewords（b）这一部分中你可以发现可以输入的选项表列。
例如，要显示β折叠而不是α螺旋，就可以在SelectedAtoms的文本输入框中输入合适的词。
布尔操作组合也可以用于选择时的文本输入。
3为了看分子除了α螺旋和β折叠的部分，可以在SelectedAtoms中输入：
（nothelix）and（notbetasheet）
:
4Selections标签（b）的Keyword（c）栏可根据蛋白质某些部分的特定值来进行选择。
看一看Keywordresname（d）中的可能值。
输入（resnameLYS）或者（resnameGLY）可以显示蛋白质中所有的赖氨酸或者甘氨酸。
赖氨酸在泛素的构型中扮演重要的角色。
.
5现在，把当前显示的DrawingMethod改变到CPK模式，把DrawStyle中的ColoringMethod改到ResID。
在屏幕中可以看到不同的赖氨酸和甘氨酸。
每一种有多少个你能数得清吗？
图7GraphicalRepresentations窗口和Selection标签
6在SelectedAtoms的文本输入框中输入water。
选择ColoringMethod——Name。
你可以看到在整个系统中的58个水分子（实际上只有氧被显示出来）。
7为了看一看哪些水分子离蛋白质分子更近一些，可以用within命令。
输入waterwithin
3ofprotein，这就选择了距离蛋白质3埃之内的所有的水分子。
8最后，在SelectedAtoms中键入下列内容：
:
Selection
Action
protein
resid1
（resid176）and（notwater）
（resid23to34）and（protein）
ShowstheProtein
Thefirstresidues
Thefirstandlastresidues
The_helix
前述的选项提供了研究蛋白质或其他分子的有力工具。
1．6多重显示
如图8（a），在GraphicalRepresentations窗口中，用CreateRep按钮可以创建多重显示图像。
因此，你可以让分子的不同部分显示不同的样式和颜色。
1对当前显示，把DrawingMethod设为NewCartoon，把ColoringMethod设为Structure.
2在SelectedAtoms中键入protein.
3按下CreateRep键（a），现在，用DrawStyle菜单项和SelectedAtoms文本输入框来更改新的图形显示，可以把DrawingMethod设为VDW，ColoringMethod设为ResType，并键入resnameLYS，使其成为当前选择。
图8泛素的多重显示方法
4重复前述步骤，产生下列两种新的显示方法：
：
DrawingStyle
ColoringMethod
Selection
CPK
VDW
Name
ColorID1
Water
Resid176andnameCA
，
5再次按下CreateRep按钮，创建最后一个图形显示法。
选择DrawingMethod——Surf,ColoringMethod——Molecule，在SelectedAtoms中键入protein。
在Material部分（c）中选择Transparent菜单项。
6用鼠标你可以选择已创建的不同的显示法，并可以独立地改变其中的任何一种。
你也可以用双击鼠标或者DeleteRep按钮打开或关闭它们。
关闭第二个和最后一个图形表示法。
在这一部分的最后，GraphicalRepresentations窗口的显示如图8
，
1．7SequenceViewerExtension
当第一次处理一个蛋白质分子的时候，快速找出和显示不同的氨基酸是非常有用的。
SequenceViewerExtension可以让你很容易地选出和显示氨基酸残基。
1选择Extensions——Analysis——SequenceViewer菜单项，一个包含氨基酸（图9e）和它们属性的列表（b）和（c）的窗口（图9a）会出现在屏幕上。
2用鼠标点击列表中不同的氨基酸残基（e），观察它们是如何被标记为高亮的。
另外，高亮的残基还会在OpenGLDisplay窗口中以黄色bonddrawing方式显示，因此你可以很容易地观察它们。
用鼠标右键可以解除选择。
3用Zoom滑块控制窗口（f），使其能够显示所有残基。
这在大的蛋白质分子中比较有用。
图9sequence窗口
4按住shift键时同时按下鼠标，就可以同时选择多个残基。
看一下图中显示的残基48,63,11
和29（e）。
.
5观察GraphicalRepresentations窗口，用SequenceViewerExtension，你应该能发现一种新的显示所选残基的方法。
就像你以前做过的那样，你可以修改、隐藏、或者删除这种显示方法。
赖氨酸的相关性。
多个泛素链可以被C和N末端肽键连接，也可以通过lys48，63，11或者29连接（就是你在sequence窗口中选择的）不同连接形成的链有着与功能相关的不同的属性。
关于残基的信息用柱状彩色标记表示，它们是从STRIDE中得到的。
B-value表示的是温度因子的变化，struct表示二级结构，在图中，各种颜色所代表的意义都用字母作了标注。
.
T
E
B
H
G
I
C
Turn
Extendedconformation（_sheets）
Isolatedbridge
Alphahelix
3-10helix
Pihelix
Coil
1．8保存结果
用VMD创建的图形可以与创建的图形显示法，VMD环境设置一起保存。
这里提到的VMD环境设置包括你开启一个新的VMD环境所需要的所有信息，这就不会使你以前的工作成果丢失。
1在VMD主窗口，选择File——SaveState菜单项，写上一个合适的文件名（例如：
myfirststate.vmd）保存。
File——LoadState菜单项允许你导入一个保存过VMD环境设置，就像保存时一样，虽然设置好的VMD环境允许你用VMD来处理蛋白质的图像，探索它的性质，但是你通常需要得到能用于论文和其他各种文件的图像。
VMD可以润色图像，产生一个可作它用的图像文件。
如下所述：
2用你已经学过的所有关于VMD的知识，用缩放、旋转和改变分子位置的方法找到蛋白质分子的合适的视野。
打开和关闭不同的显示方法，提高选择的分辨率，调整其他属性。
如果你想得到一个质量很高的分子，注意每一个显示方法的分辨率。
3注意你用SequenceViewerextension创建的新显示法。
如果需要的话，隐藏或者删除它们。
4在润色图像之前，选择Graphics——Colors菜单项，改变背景颜色。
选择Displaycategory,
Backgroundname和8whitecolor.。
这样背景就变成白色的了。
5选择File——Render菜单项（渲染），一个叫做FileRenderControls的窗口会在屏幕上出现。
6可以用不同的文件包来润色分子。
如果你用的操作系统是Unix或者MacOSX，就在Renderusing菜单中选择TachyonInternal，否则选择Tachyon。
7在Filename文本输入框中键入图像要保存的文件名，例如：
picture.tga或者picture.dat（默认文件名是plot.tga或者plot.dat，依据不同的操作平台）
8按下StartRendering按钮，包含有你的图像的文件就会创建。
注意到这需要一些时间。
你可以以一个图像文件名，如picture.tga（MacOSX或者Unix）或者picture.dat.bmp（Windows）.
结束工作，
9关闭打开图形文件的程序，这样就可以继续使用VMD（在windows中，这条可以忽略）。
现在学完了本教程的第一单元。
我们希望你学会了VMD的基本命令。
你也可以做两个文件，第一个是VMD环境设置文件，让你重启一个VMD环境，在其中应用或者修改你在本单元学到的东西。
第二个文件是一个关于蛋白质的图像文件，这个文件可以应用于其他文件中。
2多分子处理和脚本
在本单元，你会学到如何同时处理多个分子。
同时，你也会学到Tcl脚本的基础，用它来编辑原子数据，排列整合两个分子，并用计算出的分子特性给分子上色。
1从一个新的VMD环境开始。
如果你刚刚完成第一单元的学习，你应该退出VMD,然后重新启动。
2．1导入多个分子
首先，导入你要用到的分子。
1用File——NewMolecule.菜单项打开MoleculeFileBrowser
你需要载入泛素的X射线三维结构图，可以用第一单元中学到的操作，也可直接用命令导入。
2确定你正在vmd-tutorial-files下。
在VMD终端，输入molnew1UBQ.pdb。
.
泛素在水盒中的溶解平衡模拟已经在1ns的时间范围内实现。
你的文件包含了这个平衡的最末帧的坐标。
以现在可以比较泛素在平衡末状态的构像和初始态的晶体构象。
坐标文件和结构文件。
为了节省空间，模拟输出文件通常只包含原子坐标，而不储存像原子类型、电荷、各部分的名字和键等不变的信息。
这一部分信息另存于一个“结构”文件当中（例如一个PSF文件）。
要观察一个模拟结果，你需要把同一个分子的结构和坐标文件融合。
3现在，导入另一个分子的模拟结果。
在MoleculeFileBrowser窗口顶端的菜单中选择NewMolecule。
在vmd-tutorial-files中找到文件ubiquitin.psf，然后按下Load按钮，建立了一个有结构而没有坐标的新分子。
4注意到,窗口最顶端的菜单上显示：
1:
ubiquitin.psf.这保证了载入的下一个文件会增加到那个分子（moleculeID1）。
因为你在用PSF文件合并数据，所以你不需要把菜单切换到NewMolecule。
现在，在vmd-tutorial-files中找到文件ubiquitin-equilibrated.coor，单击Load
，这就可以导入新的坐标，并把新坐标与先前载入的结构信息合并。
你现在可以看到两个有层次的没有相互重叠的分子，一个是原始的晶体泛素结构，另外一个是一个由水盒包围的分子。
，
2．2主窗口的应用
现在需要为你的分子命名，这样就可以区别它们。
1在Main窗口的分子列表中双击第一个分子的名字，RenameMolecule对话框弹出。
键入crystal。
以同样的操作为第二个分子命名为simulation。
这时，Main窗口如图10。
在分子的名字之前，有四个字母，你可以用它们来实现一些操作。
图10初始和最后坐标导入两个分子的主窗口显示
F的意义是“Fixed”，意思是当你移动屏幕时，分子不会随之移动。
当F显示黑色时，分子是固定的；当显示灰色时，分子可以自由移动。
2在主窗口，双击分子名左边的F，当一个分子被固定时，试着用鼠标调动屏幕。
然后试一试两个分子都被固定时的情况。
3完成操作后，把两个分子都解固定，选择Display——ResetView，让其显示两个分子之间原来的相对位置。
4然后，双击一个分子的D，D表示的是“Display”。
当D灰化的时候，分子是隐藏的。
你可以通过双击D来显示或者隐藏分子。
5当操作完时，确保只有晶体结构分子显示，两个分子都未固定。
6最后，双击晶体分子左边的T，T会在前面显示。
这使它成为了顶层分子。
一个分子置于顶层，它就成为脚本命令操作的目标。
２．３Tcl脚本基础和Tk控制台
VMD支持Tcl/Tk脚本语言。
这一部分会提供运行一些有用功能必需掌握的脚本语言。
Tcl/Tk语言。
Tcl是一种丰富的语言，除了典型的条件和循环结构语句之外，还包括许多特征和命令。
Tk是Tcl的拓展，允许写程序用户与窗口和按钮接触。
关于Tcl/Tk语言更多的信息在http:
//www.tcl.tk/doc上有提供。
执行Tcl命令，需要应用一种很方便的文本控制台，即Tk控制台。
1选择Extensions——TkConsole。
一个控制台窗口出现（图11）。
这就可以在其中输入Tcl/Tk
命令。
图11Tk控制台
你首先接触到的是Tcl/Tk最基本的部分。
这里是Tcl的设置和输出命令。
setvariablevalue–setsthevalueofvariable
puts$variable–printsoutthevalueofvariable
2试一试以下命令：
setx10
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