PyMOL 可视化：药物设计图怎么画得清楚

PyMOL 是结构生物学与药物设计中最常用的可视化工具。真正的关键不是它能画什么，而是如何画得让人一眼看懂——一张好的结合模式图，应该在三秒内传达出「配体如何与蛋白作用」。

安装与两个版本

# 开源版（免费，功能足够）
conda install -c conda-forge pymol-open-source

# 或 pip（部分平台）
pip install pymol-open-source

# 商业版（Schrödinger 维护）需要许可证
#   多了：更好的光线追踪、部分插件、技术支持
#   → 学术用途开源版完全够用

# 命令行运行脚本（批量出图的正确方式）
pymol -cq script.pml           # -c 无界面，-q 静默
pymol -cq script.py            # 也可以跑 Python 脚本

可复现的结合模式作图脚本

# save as: binding_site.pml
# 运行: pymol -cq binding_site.pml

load complex.pdb, cplx

# ---- 基础设置 ----
bg_color white
set ray_opaque_background, 1
hide everything
set cartoon_transparency, 0.6
set surface_quality, 1
set antialias, 2

# ---- 选择 ----
select lig, cplx and resn LIG
select prot, cplx and polymer
select pocket, byres (prot within 5 of lig)
select waters, cplx and resn HOH within 4 of lig

# ---- 显示 ----
show cartoon, prot
color grey80, prot

show sticks, lig
color yellow, lig and elem C
util.cnc("lig")                # 按元素上色（C 保持黄色）
set stick_radius, 0.18, lig

show sticks, pocket and not (name C+N+O)   # 只显示侧链
color cyan, pocket and elem C
set stick_radius, 0.12, pocket

show spheres, waters
set sphere_scale, 0.25, waters
color red, waters

# ---- 氢键（关键：只画配体相关的）----
distance hbonds, lig, prot, 3.5, mode=2
color black, hbonds
set dash_width, 2.5
set dash_gap, 0.4
set dash_radius, 0.05
hide labels, hbonds        # 标签常常太乱，需要时再开

# ---- 标注关键残基 ----
label pocket and name CA, "%s%s" % (resn, resi)
set label_size, 16
set label_color, black
set label_position, (0, 1.5, 0)

# ---- 视角 ----
orient lig
zoom lig, 4
turn x, -15

# ---- 输出 ----
set ray_trace_mode, 0
png binding_site.png, width=2400, height=1800, dpi=300, ray=1

# 同时保存会话，便于后续调整
save binding_site.pse

让图变清楚的关键技巧

• 做减法而非加法。这是最重要的原则。大多数难看的分子图是因为显示了太多东西。只显示与要传达的信息相关的部分——通常是配体 + 5 Å 内的残基侧链 + 关键氢键；
• 用透明度制造层次：蛋白 cartoon 设 0.5～0.7 透明度做背景，配体不透明作为焦点；
• 配色要有主次：配体用醒目颜色（黄/绿的碳），蛋白用中性色（灰/淡青的碳）。避免用太多颜色；
• 白底 + 黑色虚线：适合放进论文和幻灯片，比黑底更通用；
• 只画有意义的氢键：mode=2 会自动只画极性接触；但仍可能太多，必要时手动指定具体的原子对；
• 标签是最容易搞乱的元素：只标关键残基，用 set label_position 避免重叠；
• 输出分辨率要够：论文用 300 dpi 以上，ray=1 开光线追踪。

几种常用图的做法

# 1) 表面图：展示口袋形状（见 091）
show surface, prot
set transparency, 0.3
set surface_color, grey70, prot
# 只显示口袋附近的表面
set surface_carve_selection, lig
set surface_carve_cutoff, 6

# 2) 静电势着色（见 094）
# 需要先生成 APBS 电位图，或用简化的：
util.color_by_charge("prot")

# 3) 多个配体叠合比较（SAR 分析）
load lig1.sdf, l1
load lig2.sdf, l2
align l1, l2
color yellow, l1 and elem C
color magenta, l2 and elem C

# 4) MD 轨迹动画
load topology.pdb, traj
load_traj trajectory.dcd, traj
intra_fit traj and polymer and name CA
mset 1 -100
mplay

# 5) 突变体比较
load wt.pdb, wt
load mut.pdb, mut
align mut, wt
# 显示差异区域
select diff, mut within 8 of (mut and resi 790)

# 6) 批量出图（一批分子的对接姿势）
python
from pymol import cmd
import glob
cmd.load("receptor.pdb", "rec")
for f in sorted(glob.glob("poses/*.sdf")):
    name = f.split("/")[-1][:-4]
    cmd.load(f, "lig")
    cmd.orient("lig")
    cmd.zoom("lig", 4)
    cmd.png(f"figs/{name}.png", width=1200, height=900, dpi=150, ray=1)
    cmd.delete("lig")
python end

用脚本而非交互操作

	交互操作	脚本
可复现	否	是
批量	不可行	容易
版本管理	只能存 .pse	纯文本可 diff
风格一致	难保证	天然一致
修改成本	要重做	改一行重跑

建议：把常用的显示设置写成一个 style.pml，每次 @style.pml 载入。这样团队所有的图风格统一，且修改风格时只改一处。

常见问题

• 配体显示不出来：多半是残基名不对。用 print(cmd.get_chains()) 与 iterate cplx, print(resn) 检查；
• 氢键画得太多太乱：distance 的默认判据宽松，收紧距离阈值或手动指定原子对；
• 图片有锯齿：set antialias, 2 且必须 ray=1；
• ray 很慢：大体系可先关掉 surface，或降低 surface_quality；
• 颜色在投影仪上看不清：避免用浅黄、浅灰这类低对比色做主体。

延伸资源

• PLIP 可视化：108《PLIP》；网页端方案：111《NGLView 与 3Dmol.js》；
• 口袋分析：091《蛋白口袋 Protein Pocket》；结构准备：105《PDBFixer》。