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タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化その2【アミノ酸の側鎖を描画】

Last updated at 2020-05-06Posted at 2020-05-03

#はじめに
思い立って、PDB形式のタンパク質の構造データをもとに、SketchUpで3次元立体構造を描いてみることにしました。Rubyは素人ですが、SketchUpのAPIがrubyなので、勉強しながら作っていくつもりです。

ご意見、コメントなど頂けますと大変参考になります。

解析対象のPDBデータについては前回の記事をみてください。

タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化その1
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化その2【アミノ酸の側鎖を描画】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化その3【アミノ酸の側鎖も含めて描画】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化その4【主鎖を立体に】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化その5【玉の描画】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化その6【ついでにDNAをモデル化】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化その7【最終回】

#今回のテーマ
今回のテーマはアミノ酸の側鎖の描画です。アミノ酸20種類それぞについて処理が必要です。
例えばフェニルアラニンのデータは以下の通りです。3つめのフィールドがそれぞれの原子を意味しています。最初の一文字目が元素記号で、C(炭素)に続くアルファベットは、炭素原子を区別する記号です。A、B、G、D、E、Zは、α、β、γ、δ、ε、ζを表すようです。問題は、どの炭素原子が隣り合っているのかよくわからない、ということです。どの原子とどの原子をedgeで連結すべきでしょうか？

また20種類あるアミノ酸それぞれについて、どう描画すべきかを簡潔に整理したいと思います。

ATOM    184  N   PHE A 250     -27.579  31.712  -9.871  1.00 19.79           N  
ATOM    185  CA  PHE A 250     -27.914  30.830  -8.719  1.00 19.26           C  
ATOM    186  C   PHE A 250     -28.791  31.632  -7.752  1.00 22.63           C  
ATOM    187  O   PHE A 250     -29.974  31.534  -7.841  1.00 32.67           O  
ATOM    188  CB  PHE A 250     -26.662  30.210  -8.066  1.00 18.50           C  
ATOM    189  CG  PHE A 250     -25.814  29.377  -9.043  1.00 16.76           C  
ATOM    190  CD1 PHE A 250     -26.430  28.357  -9.799  1.00 15.96           C  
ATOM    191  CD2 PHE A 250     -24.481  29.634  -9.242  1.00 15.84           C  
ATOM    192  CE1 PHE A 250     -25.705  27.632 -10.747  1.00 15.68           C  
ATOM    193  CE2 PHE A 250     -23.749  28.829 -10.161  1.00 16.68           C  
ATOM    194  CZ  PHE A 250     -24.405  27.813 -10.836  1.00 16.39           C

#計画

アミノ酸ごとに、どの原子とどの原子を連結するかのデータをまとめる。
連結データは、配列の配列とする。

#まずはフェニルアラニン
フェニルアラニンのedgeを3つに分けて書くことにします。
主鎖はN->CA->C->0、CAから芳香環までは、CA->CB->CG、芳香環はCG->CD1->CD2->CE1->CE2->CZだとして描いてみます。それぞれのつながり方を配列にし、それをさらに配列に入れます。

まずは連想配列の使い方を調べてみました

# 連想配列(Hash)の初期化
atomsAndCoordinates = Hash.new

# 連想配列への、keyとvalueをセット
atomsAndCoordinates["key"] = "value"

データファイルの行、228行目から238行目にフェニルアラニンのデータがあります。

#モデルを取得
model = Sketchup.active_model
entities = model.active_entities

#データファイルの読み込み。chomp: true を引数にすると機能しません....parse error, unexpected ':', expecting ')'と出ます。
lines = IO.readlines("/Users/yoho/Downloads/mmdb_5EPW.pdb")

#フェニルアラニンを描いてみる
PheEdges = [["N","CA","C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD1","CD2","CE1","CE2","CZ","CG"]]
atomsAndCoordinates = Hash.new
for x in 228..238 do
  data = lines[x].split
  atomsAndCoordinates[data[2]] = Geom::Point3d.new(data[6].to_f, data[7].to_f, data[8].to_f)
end

#配列の配列から、配列を取り出して処理
for pheEdge in PheEdges
    ps = []
    for atom in pheEdge
       ps.push(atomsAndCoordinates[atom])
    end
    entities.add_edges(ps)
end

こんなになりました....

右下のジグザグな部分が芳香環であると思われます。
ああ、そうか。普段意識してませんでしたが、基準となるカルボキシル基のCの隣からα、β...となるのでした。分岐がある場合は分岐を起点にして、分岐先どちらも同じギリシャ文字+数字がつくのですね。

["CG","CD1","CD2","CE1","CE2","CZ","CG"]ではなくて、["CG","CD1","CE1","CZ","CE2","CD2","CG"]のようです。ここを変更してもう一度描画してみます。

これでOKですね。側鎖だけ考えれば、描画するのは["CA","CB","CG"]と["CG","CD1","CD2","CE1","CE2","CZ","CG"]で良いことになります。

20種類のアミノ酸それぞれについて、側鎖の原子のつながり方情報を準備します。主鎖は主鎖で別に描画しますので、どうしましょうかね。C=Oは残すことにして、主鎖情報をindex 0にして、C=Oを index 1にすることにします。それ以降は側鎖のデータです。側鎖データを、いくつかに区切った方が良いのかわかりませんが、芳香環は、芳香環として、分けておいたほうが良い気がするので分けます。

PheEdges = [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD1","CE1","CZ","CE2","CD2","CG"]]

同じように20種のアミノ酸全部について、データを整備します。以下のようなデータ形式でまとめます。20種類やるのか....めんどくさいなあ。まあやるか。

aminoacidAndBonds = {
    "PHE" => [["N","CA","C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD1","CE1","CZ","CE2","CD2","CG"]],
    "GLY" => [["N","CA","C"],["C","O"]]
}

以下のようなコードで、アミノ酸の構造が正しく描画できるかチェック。最初のFor文では、調べたいアミノ酸がファイルの何行目にあるかを記述する(indexが0から始まるので、行番号から1を引いたもの)

atomsAndCoordinates = Hash.new
for x in 719..723 do
  data = lines[x].split
  atomsAndCoordinates[data[2]] = Geom::Point3d.new(data[6].to_f, data[7].to_f, data[8].to_f)
end

for bonds in aminoacidAndBonds["ALA"]
    ps = []
    for atom in bonds
       ps.push(atomsAndCoordinates[atom])
    end
    entities.add_edges(ps)
end

#20種類のアミノ酸データ

aminoacidAndBonds = {
"ALA" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB"]],#A
"CYS" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","SG"]],#C
"ASP" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","OD1"],["CG","OD2"]],#D
"GLU" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD"],["CD","OE1"],["CD","OE2"]],#E
"PHE" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD1","CE1","CZ","CE2","CD2","CG"]],#F
"GLY" => [["N","CA","C"],["C","O"] ],#G
"HIS" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","ND1","CE1","NE2","CD2","CG"]],#H
"ILE" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB"],["CB","CG1","CD1"],["CB","CG2"]],#I
"LYS" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD","CE","NZ"]],#K
"LEU" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD1"],["CG","CD2"]],#L
"MET" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","SD","CE"]],#M
"ASN" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","OD1"],["CG","ND2"]],#N
"PRO" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD","N"]],#P
"GLN" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD"],["CD","OE1"],["CD","NE2"]],#Q
"ARG" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD","NE","CZ"],["CZ","NH1"],["CZ","NH2"]],#R
"SER" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","OG"]],#S
"THR" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB"],["CB","OG1"],["CB","CG2"]],#T
"VAL" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB"],["CB","CG1"],["CB","CG2"]],#V
"TRP" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD2","CE2","CZ2","CH2","CZ3","CE3","CD2"],["CG","CD1","NE1","CE2"]],#W
"TYR" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD1","CE1","CZ","CE2","CD2","CG"],["CZ","OH"]]#Y
}

となりました。これで側鎖も描画しやすくなりました。

#終わりに
次回は、側鎖も含めて立体構造を描画してみたいと思います。

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