拉氏图简介

拉氏图（又名 Ramachandran 图，[φ,ψ]图， α-碳与酰胺平面交角图，英名 Ramachandran plot, Ramachandran diagram, 或 [φ,ψ] plot），起初是于1963年被 G. N. Ramachandran，C. Ramakrishnan 和 V. Sasisekharan 提出的，是一种使蛋白质结构中，主链氨基酸残基的二面角 ψ 和 φ 可视化的方法。

Ramachandran Plot表示的就是α碳的两面角，φ（phi）表示一个肽单位中α碳左边C-N键的旋转角度， ψ（psi）表示α碳右边C-C键的旋转角度。

理论上这C-N键和C-C键都可以自由的转动，由于键的转动会带动其他原子的一起转动，下图中phi（CN-CalphaC）和psi（NCalpha-CN）较为自由，而omega（OC-NH）由于肽平面是刚性的一般是180度（极少数是10度）。所以在实际中由于分子各个基团的空间障碍和作用力的影响，Ramachandran Plot就有了允许出现的区域和不允许出现的区域。

拉氏图表现的就是氨基酸残基理论上可以出现的构象，拉氏图主要的用途就是对同源建模后模型质量的评估。值得注意的是，拉氏图仅考虑氨基酸的构象是否合理，并不涉及能量问题。

拉氏图的解读

我们对拉氏图的解读，主要看模型氨基酸在几个区的分布情况。一般来说落在允许区和最大允许区的氨基酸残基占整个蛋白质的比例高于90%的，我们可以认为该模型的构象符合立体化学的规则。

如果落在不允许区内的点较多，除了模型构建的有些问题外，原来的模板对应的这些氨基酸残基的扭转角就是不正常的，也有可能是活性位点结合底物后发生的扭曲，这里也正好说明了酶和底物的结合是诱导契合的。当然对于落于空白区的点，我们也要具体问题具体分析，我们知道氨基酸分子的侧链都不同而且差异很大，侧链会造成键的旋转受限，这就导致了氨基酸在拉氏图中的分布也是具有一定的偏好性。比如甘氨酸的侧链只是一个氢原子，比起所有其它氨基酸侧链开头的 -CH3、-CH2-、或-CH，有一个更小的范德华半径，所以它是受限制最小的，这在甘氨酸的拉氏图中可以看出，其在拉氏图上的位置范围就非常的大。而脯氨酸由于其侧链与主链 α-C 及 N 形成五元环，它在拉氏图上的分布区域就非常小。

通常情况下的拉氏图

甘氨酸的拉氏图

脯氨酸的拉氏图

关于以上图片中区域标记如下：α 表示 α-螺旋，Lα 表示左旋α-螺旋，β 表示 β-折叠，ppII表示聚脯氨酸II。

拉氏图的绘制

很多软件都可以生成Ramachandran Plot，拉氏图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。软件不同生成的拉曼图的形式不同，区域的颜色也会不同。本文为大家分享三种比较常用的绘制Ramachandran Plot的方法。

方法一：SAVES服务器

网站地址：https://saves.mbi.ucla.edu/

UCLA-DOE的SAVES服务器是常用的同源蛋白模型的评估工具。进入网站后，点击“选择文件”来上传蛋白的结构文件，然后点击“Run programs”；

SAVES服务器主要包括了PROCHECK、WHATCHECK、ERRAT、Verify_3D、PROVE这五种常用的检测， 其中PROCHECK分析以PDB中高分辨的晶体结构参数为参考，给出提交模型的一条列立体化学参数（主链）。其输出的结果包括：拉氏图，主链的键长与键角，二级结构图，平面侧链与水平面之间的背离程度等。我们需要的拉氏图在PROCHECK一项中，在该项中点击“Start”开始分析；

分析完成后，点击“Results”来查看结果，在Summary一项中总结了PROCHECK分析的主要结果，在Ramachandran Plot一行中，分别列出了位于“最适区”、“其他允许区”、“最大允许区”以及“不允许区”的氨基酸数量占比。如果我们用于同源蛋白模型的评估，一般要求位于不允许区的氨基酸数应小于氨基酸总数的5％。

如需查看拉氏图，只需在界面左侧的工具栏中选择“Ramachandran Plot”即可，给出了拉氏图和拉氏图中的相关信息，我们可以直接下载图片或PDF格式来进行保存。

PROCHECK分析给出了众多信息，可以根据需要查看，如在“All Ramachandrans”选项中给出了每一种氨基酸类型的拉氏图。

方法二：PyMOL的PyMod插件

下载地址：

https://github.com/pymodproject/pymod/releases/download/v3.0/pymod3.zip

安装方法：

打开PyMOL，在菜单栏选择Plugin>Plugin Manager打开插件管理窗口，切换至Install New Plugin选项卡，在Install from local file选项中点击Choose file，然后选择下载好的pymod3.zip文件，选择安装即可，安装完成后，会提示pymod插件已安装成功。

在PyMOL中导入蛋白结构，我们这里以COVID-19主蛋白酶的晶体结构为例，PDB ID为6LU7；

随后打开PyMod插件，在菜单栏点击Plugin>PyMod 3.0 打开PyMod窗口；

第一次使用时，会提示创建PyMod的工作路径，点击“BROWSE”选择需要设置的数据存放文件夹即可，之后PyMod所产生的数据均保存在该文件夹中；

在PyMod窗口的菜单栏点击File>Sequences and Structures>Import PyMOL Objects从PyMOL中导入蛋白结构，在弹出的窗口中勾选“6lu7”，然后点击Submit即可；

在PyMod窗口选中6lu7_chain_A，然后在菜单栏点击Tools>Structural Analysis>Ramachandran Plot来绘制拉氏图；

在弹出的Ramachandran Plot Options对话框里选择Use all amino acids，如果需要对某种或某几种氨基酸进行分析，则选择Select amino acids types，然后在下面勾选要分析的氨基酸即可。

选择完成后，点击Submit进行分析即可，分析结果给出了拉氏图及拉氏图相关信息；

将鼠标停留在右侧的任一列表上，可以在左侧的拉氏图中看到对应氨基酸残基落在的区域位置。

方法三：PyRAMA

PyRAMA是GitHub上的一个开源项目，安装和使用方法也非常简单，绘制的拉氏图也比较好看。项目地址如下：

https://github.com/gerdos/PyRAMA

使用pip可以非常方便的进行安装，只需输入以下命令即可安装：

Command：pip3 install pyrama

使用方法：

Command：pyrama my_pdb_file.pdb

如在本例中，我们下载了COVID-19主蛋白酶的晶体结构，PDB ID为6LU7；只需输入以下命令：

Command：pyrama 6lu7.pdb

分析完成后，会自动弹出四张图片。左上角是蛋白总体拉氏图，右上角是甘氨酸拉氏图，左下角是脯氨酸前一个残基的二面角分布情况，右下角是脯氨酸二面角分布情况。点击保存按钮即可对图片进行保存。

总结

本期内容为大家介绍了拉氏图在同源模建结构评估的应用，应该说明的是，Ramachandran Plot只是氨基酸残基扭转角的一种可视化表示，没有考虑能量问题，所以拉氏图也只是一个同源建模最基本的检测分析，并不能作为唯一标准，实际上的模型是否合理，应该从多方面进行评估考虑。我们还为大家分享了三种比较简单的绘制拉氏图的方法，大家可根据自己的需求进行选择~

参考文献：

1.Rob W.W. Hooft, Chris Sander, Gerrit Vriend, Objectively judging the quality of a protein structure from a Ramachandran plot, Bioinformatics, Volume 13, Issue 4, August 1997, Pages 425–430.

2.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. Appl. Cryst., 26, 283-291.

3.Janson G, Paiardini A. PyMod 3: a complete suite for structural bioinformatics in PyMOL. Bioinformatics. 2021 Jun 16;37(10):1471-1472.

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