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科学 / protein-data-bank

蛋白质数据库

蛋白质数据库是收录生物大分子三维结构、相关实验数据及描述性元数据的全球档案库。

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**蛋白质数据库(Protein Data Bank,PDB)**是一个面向公众开放的国际性数据库,收录生物大分子的三维结构。尽管名称中有“蛋白质”,它收录的对象不仅包括蛋白质,还包括核酸,如脱氧核糖核酸,以及这些大分子与其他分子形成的复合物。其核心记录描述结构模型、模型的分子组成,以及支持这些模型的实验。该档案库既接收通过实验测定的结构,也接收将实验证据与其他信息相结合的整合结构。(wwpdb.org)

起源与国际组织

PDB 于 1971 年建立,最初收录了七个结构,为新兴的结构生物学领域建立了共享的研究成果存储库。它的起源与X射线晶体学密切相关;这项技术使人们能够在原子层面确定生物大分子的空间组织。将坐标数据归档后,研究人员便可以不依赖科学论文中发表的图示和文字描述,独立考察结构。(cdn.wwpdb.org)

全球蛋白质数据库(wwPDB)合作组织于 2003 年成立,负责在国际范围内协调该档案库的工作。各地区机构在共同安排下提供数据提交、整理和访问服务,而不是各自维护互不关联的数据集合。RCSB PDB、欧洲蛋白质数据库和日本蛋白质数据库是主要的数据访问与提交中心;参与数据处理的还包括中国的一家中心,以及专门处理磁共振数据的资源机构。(wwpdb.org)

结构记录包含哪些内容

常规的原子分辨率条目包含指定各个原子位置的坐标,以及分子实体、链和残基的标识符。蛋白质中的残基对应于氨基酸,核酸中的残基则对应于核苷酸。坐标记录还可以描述结合的配体、离子和水分子。其他字段记录占有率和位移参数,有助于表征模型中原子的表示情况。(pdb101-east.rcsb.org)

条目还包括分子名称、样品序列、来源生物、实验方法、结构测定细节和作者信息。因此,一条 PDB 记录代表的是一次具体的结构研究,而不是某种蛋白质唯一确定的结构。不同条目可能描述同一种蛋白质,但其序列有所改变、结合的分子伙伴不同,或者只涵盖其分子链的不同部分。(wwpdb.org)

提交的坐标不一定包含实验样品中的每一个原子。柔性环区和链末端可能缺乏足够清晰的实验证据,无法据此确定坐标;晶体学和电子显微镜结构模型中也常常不包含氢原子。因此,序列记录与坐标记录的用途不同,涵盖的范围也可能不同。(pdb101.west.k8s.rcsb.org)

实验方法与数据提交

PDB 结构的主要来源包括晶体学、核磁共振波谱学和冷冻电子显微术。各方法产生的观测结果不同,所需的支持数据也不同。晶体学数据提交通常包括结构因子或衍射强度;磁共振数据提交包括约束条件和化学位移;提交三维电子显微镜结构模型时,则必须将对应的密度图存入电子显微镜数据库(EMDB)。(wwpdb.org)

wwPDB 的 OneDep 系统协调各参与中心的数据提交、注释和验证工作。它支持关联提交坐标模型与实验记录,包括与生物磁共振数据库(BMRB)相关的磁共振数据。统一的处理流程会检查配体的化学性质,以及申报的样品序列与结构模型之间的一致性等内容。(wwpdb.org)

整合结构使用多种证据,其中可能包括传统的结构实验、散射、化学交联和计算模型。只要这些结构至少部分基于实验数据,该档案库就会通过 PDB-IHM 接收它们。其表示形式可以包括结构集合、多种状态,或以不同空间尺度描述的组分,而不局限于逐个原子表示的模型。(wwpdb.org)

数据格式与分子组装体

主要的归档格式是PDBx/mmCIF,这是一种由数据字典支持的结构化文本格式。它定义了坐标、序列、化学组分与实验元数据之间的关系。与旧版固定列宽的 PDB 格式不同,它对原子、残基和链的数量没有同样的限制。一些条目仍提供旧版格式,但该格式已不再扩展以容纳新内容。(pdb101-east.rcsb.org)

晶体学不对称单元与生物学组装体之间的区别十分重要。不对称单元提供通过对称操作生成晶体所需的独立结构信息。生物学组装体则表示已证实或被认为具有生物学功能的分子复合物。它可以由整个不对称单元、其中一部分,或其多个副本组成。例如,具有功能的血红蛋白包含四条蛋白质链。组装体元数据规定了构建这些复合物时需要选取的组分及施加的变换。(pdb101.rcsb.org)

验证与解读

验证报告描述模型的几何特征,以及模型与实验观测结果的吻合程度。报告可以指出异常的键几何、过近的原子间接触和配体建模问题。对于晶体学结构,报告还会评估模型与电子密度的拟合程度。这些检查记录了整体和局部层面可能存在的问题,但并不意味着所有已提交坐标都具有相同的确定性。(west.k8s.wwpdb.org)

晶体学分辨率表示衍射数据所能支持的细节程度,通常以埃为单位。数值越小,一般意味着能够分辨的细节越精细。不过,分辨率描述的是数据集,并不保证模型各处都具有相同的可靠性;模型中的柔性区域可能不够清晰。(pdb101.rcsb.org)

数据访问与计算再利用

访问门户支持按分子名称、序列、配体、作者和标识符进行检索。程序接口提供结构化元数据,供计算分析使用。RCSB 数据服务将信息组织为条目、分子实体、链实例、组装体和化学组分,反映了该档案库底层的数据关系。(rcsb.org)

PDB 结构也为研究蛋白质折叠的计算方法提供支持,AlphaFold便是其中之一。访问门户可能在 PDB 记录旁同时展示由外部提供的计算结构模型。这些预测模型保留各自的来源信息和标识符:出现在同一个检索界面中,并不意味着某个预测模型就是经实验测定的 PDB 结构。(pdb101-west.rcsb.org)