为什么PyMO中显示的氢键和其他软件不一样?

在b站经常收到的一个问题是：up主，为什么我的蛋白配体复合物在Autodock Tools和Pymol中显示的氢键作用不一样？我要怎么办？我的回复是：因为不同软件判定氢键作用采用的距离和角度数值设置不一样。

氢键的判定有多种标准，如能量准则，电子结构准则，几何准则等。前两种准则计算量大，不易实现，因此大多数分析程序使用的都是几何准则。即便同样是使用几何准测，又有各种不同的方式，比如单纯的距离准则，混合的距离-角度准则等。其中的每种又可以细分。

下图是一个典型的氢键几何判定标准：

在Pymol中，可以通过使用特定对象后的[A] -> 查找 -> 极性接触 来显示极性相互作用，包括氢键，盐桥。这一步操作背后调用的命令是mode=2下的距离测量命令，测量的是两个重原子之间的距离。Pymol中氢键的判定标准是效仿DSSP中判定二级蛋白结构的算法，是基于一个相当宽松的氢键概念。氢键供体和受体重原子之间的距离在2.8-3.2Å之间。

在Pymol中，可以在进行显示极性作用的操作之前修改以下参数来控制显示的极性作用：

理想的几何形状：h_bond_cutoff_center, 3.6

非理想情况下，最少满足的几何形状：h_bond_cutoff_edge, 3.2

如果想判定特定两个原子之间有没有氢键，可以使用以下命令：

dist name, sele1, sele2, mode=2

一般来说，PyMOL没有足够的信息来严格判定氢键，因为典型的PDB文件在电荷状态、键、键价等方面是模糊的。晶体学解析的PDB文件通常不包含氢原子坐标，因为在蛋白质晶体学的典型分辨率下，氢在电子密度中是不可见的。从原始的PDB文件中严格确定孤对电子的位置和质子的坐标是一个非线性的问题，特别是当任意的小分子结构出现时。此外，要严格判定任何特定的氢键是否存在，还需要考虑到由于整体结构分辨率和局部温度因素造成的隐含坐标误差。所以，"极性接触 "只是识别潜在氢键作用的一个简单近似，对于不包含氢原子的对象也能合理地计算。

因此，PyMOL只是提供了潜在的极性接触，让用户来确定所存在的相互作用是否实际上是氢键、盐桥极性相互作用，或者是不正确的假象，比如错误的显示两个羰基间的氢键是因为它们两被当作了羟基，或者如下图所示的一个氢原子同时形成两个氢键。

图中黄色虚线代表的是Pymol判定的两个氢键，但其实它们不能同时存在，每个氢在任何时候都只能参与一个氢键。然而，实验结构显示的是一个蛋白质在实验温度下可获得的构象空间的构象平均值。图像显示了两个几何形状不太理想的氢键，完全可以想象，通过轻微改变Asp的chi1扭转角，可以实现与侧链氧的一个或另一个更理想的氢键。然而，由于两种构象的分布相当平均，所以我们看到的是羧基的这两种可能构象的平均坐标以及两个潜在氢键。

如果你想通过添加预测的氢更好的判定氢键，可以通过改变距离的阈值来改变判定的严格程度。以下是两个PymolWiKi的示例：

# EXAMPLE 1: Show hydrogen bonds between protein # and docked ligands (which must have hydrogens)
load target.pdb,protload docked_ligs.sdf,lig
# add hydrogens to protein
h_add prot
select don, (elem n,o and (neighbor hydro))select acc, (elem o or (elem n and not (neighbor hydro)))dist HBA, (lig and acc),(prot and don), 3.2dist HBD, (lig and don),(prot and acc), 3.2delete dondelete acchide (hydro)
hide labels,HBAhide labels,HBD

# EXAMPLE 2# Show hydrogen bonds between two proteins
load prot1.pdbload prot2.pdb
h_add prot1h_add prot2
select don, (elem n,o and (neighbor hydro))select acc, (elem o or (elem n and not (neighbor hydro)))dist HBA, (prot1 and acc),(prot2 and don), 3.2dist HBD, (prot1 and don),(prot2 and acc), 3.2delete dondelete acchide (hydro)
hide labels,HBAhide labels,HBD
# NOTE: that you could also use this approach between two# non-overlapping selections within a single object.

你有可能会问，为什么这些程序不能用同一个判定标准？

因为在什么是氢键和什么不是氢键之间根本就没有一个固定的分界线。科学家们认为，似乎没有任何明确的规则来描述氢键的几何结构。氢键长度是不确定的，会受到供体和受体ΔpKa，氢键网络，空间位阻等因素影响。分子内和分子间氢键，以及蛋白内和蛋白-配体之间的氢键几何也不同。氢键的能量也随着氢键长度的变化和变化，也会受到周围的溶液环境，氢键网络等因素影响。

所以做氢键分析的是时候，我搜罗到以下几点需要注意的地方分享给大家：

1. 不同氢键判定标准得到的氢键数目不会完全相同。因此, 在论文中报告氢键数目时必须说明使用的是哪种判定标准和具体的准则。如果想在氢键数目方面做任何比较，确保对所有参与比较的对象使用完全相同的方法，并在报告结果时说明所使用的标准。

2. 对分辨率低或者预测模型中的潜在氢键进行分析时，可以使用更宽松的标准，而对高分辨率或高度能量最小化的结构使用更严格的标准。

3. 在一些非常关键的情况下，比如在蛋白-配体相互作用分析中，讨论氢键在酶催化活性位点中的作用，涉及组氨酸侧链的氢键、非中性pH值等情况下，可能需要用更精确的程序详细分析与pH值有关的质子化状态，以及环境对可质子化基团pKa的影响。并做一些构象优化以及能量最小化，例如检查Asn和Gln侧链的旋转体是否正确。

4.不同氢键的能量是不一样的，受氢键本身和周围环境等因素影响，多个氢键的能量也不是单个氢键能量的叠加。所以，在药物设计中，更应该考虑应该让哪个氢键受体或者供体形成氢键，而不是怎么形成更多的氢键。