技术背景
在前面的一篇文章中，我们讲述了蛋白质的组成结构，一共是20种氨基酸。由这20种氨基酸的排列组合，可以得到一条相应的蛋白质链，而这条蛋白质链经过各种螺旋和折叠，会得到一个最终稳定的蛋白质构象，也是我们日常生活中所能够接触到的蛋白质的存在形态。那么在上一篇文章中的表格里面，我们可以看到众多的氨基酸在蛋白质链的中间时候的构象，本文将要讲述一些其他位置所对应的构象，以及其中原子的命名法则。
同残基不同位置的构象
即使是同一个残基，在位于蛋白质链的不同位置时，也有可能表现出不同的构象。比如在蛋白质的头部时，有可能会出现一些氢离子跟氮原子的成键。而残基位于蛋白质链的中部时，我们往往会略去其中的一个(H_2O)，跟两侧的其他残基形成2个肽键。具体结构如下表所示：
英文名 中文名 三字母缩写 单字母缩写 三维结构图 N起始点结构图 C终点结构图 Alanine 丙氨酸 Ala A
Arginine 精氨酸 Arg R
Asparagine 天冬酰胺 Asn N
Asparticacid 天冬氨酸 Asp D
Cysteine 半胱氨酸 Cys C
Glutamine 谷氨酰胺 Gln Q
Glutamicacid 谷氨酸 Glu E
Glycine 甘氨酸 Gly G
Histidine 组氨酸 His H
Isoleucine 异亮氨酸 Ile I
Leucine 亮氨酸 Leu L
Lysine 赖氨酸 Lys K
Methionine 甲硫氨酸（蛋氨酸） Met M
Phenylalanine 苯丙氨酸 Phe F
Proline 脯氨酸 Pro P
Serine 丝氨酸 Ser S
Threonine 苏氨酸 Thr T
Tryptophan 色氨酸 Trp W
Tyrosine 酪氨酸 Tyr Y
Valine 缬氨酸 Val V
原子命名法则
当我们把这些生成的构象存储成PDB文件时，我们会发现其中每一个原子在所处的残基内的命名都是唯一的。我们以丙氨酸为例，来解读一下其中的命名法则。
在上面这个结构图中，绿色的代表碳原子，灰色代表氢原子，红色代表氧原子，蓝色代表氮原子。一般我们先找到当前氨基酸的氮基碳原子，由于丙氨酸中只有一个氮原子，因此与氮原子成键的这个碳原子就是我们要找的氮基碳原子，我们将其命名为”CA”，对应的氮原子命名为”N”。一般我们会发现，这个氮基碳原子并不是位于主链的顶点，也就是在氨基酸内部还会连接至少2个其他的重原子。我们找到其连接的带氧原子的那个碳原子，将其命名为”C”，对应的氧原子命名为”O”，”CA”表示的是这个碳原子处于(\alpha)位。另外一个被氮基碳原子所连接的碳原子，被命名为”CB”，也就是(\beta)位的碳。按照与氮基碳原子的远近关系，分别用”A,B,G,D,E,Z,H”来标记这些重原子，对应的希腊字母是”(\alpha,\beta,\gamma,\delta,\epsilon,\zeta,\eta)”。那么这就是丙氨酸的所有重原子在PDB文件中的命名，如下图是一个含有丙氨酸的蛋白质的PDB文件。
对于氢原子来说，命名是取决于其所连接的碳原子的位置，比如连接氮的氢原子，可以直接命名为”H”，连接(\alpha)碳的氢原子，可以命名为”HA”。而(\beta)位的碳连接了3个氢原子，因此需要加上额外的数字标记，那么对应的命名就是”HB1,HB2,HB3″。并且，这种加数字编号的方法对于重原子也是同样适用的，比如下图所示的色氨酸：
同样的方法我们可以找到氮基碳原子和(\alpha)位的氧基碳原子，这样我们就可以按照连接的远近关系对其中的重原子进行命名。比如我们可以(\beta)位有1个碳，(\gamma)位也是1个碳，(\delta)位是2个碳，(\epsilon)位有1个氮原子和2个碳原子，(\zeta)位有2个碳原子，(\eta)位有1个碳原子。那么综合下来，我们将会得到的重原子的命名就是：”C,N,O,CA,CB,CG,CD1,CD2,NE1,CE2,CE3,CZ2,CZ3,CH2″，下图是一个真实蛋白质PDB文件中的色氨酸的命名：
总结概要
PDB格式的文件是最常用于存储蛋白质构象的一种，其中也是以各个氨基酸(残基)为基本单位，在氨基酸内部对原子进行唯一性的命名。本文先通过展示各种氨基酸在蛋白质链的不同位置的结构，介绍各类氨基酸的基础构象。再通过丙氨酸和色氨酸两个案例，详细介绍了在蛋白质链的中的各种氨基酸内部的原子命名法则。需要注意的是，atom_name和atom_type是不一样的，atom_name是一个唯一的标识符，atom_type则是用于导出力场参数的重要标记。
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Author: DECHIN
Title: 氨基酸分子结构和原子命名
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