原子建模与精修

更新于 2026-08-04阅读约 3 分钟

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原子建模与精修

拿到高质量密度图后，下一步是搭建原子模型并精修，最终获得可发布、可分析的坐标文件。本文覆盖从自动建模到质量评估的完整工作流。

1. 工作流总览

密度图（.mrc）
   ↓
① 初始模型（自动建模 / 同源模型 / AF 预测）
   ↓
② 模型放入密度（docking / rigid body）
   ↓
③ 迭代精修：Coot 手动修正 ↔ phenix 自动精修
   ↓
④ 质量评估（MolProbity / EMRinger / Q-score）
   ↓
⑤ 验证与发布（PDB deposition）

2. 初始模型来源

2.1 自动建模（深度学习时代的主流）

ModelAngelo：基于 AlphaFold 架构的自动建模，直接从密度图搭模型
DeepTracer：快速全自动建模（GPU）
phenix.map_to_model：经典自动建主链/侧链

# ModelAngelo 使用示例
model_angelo --halfmaps half1.mrc half2.mrc \
  --output-dir model_angelo_out \
  --num-workers 8

# phenix.map_to_model
phenix.map_to_model map.mrc resolution=3.0 \
  output_model=auto_model.pdb

2.2 同源建模与分子替换

有同源结构：用 phenix.dock_in_map 放入密度
AlphaFold 预测模型：直接作为初始模型（cryo-EM 中常用）
低分辨率（> 5 Å）时先放刚性体，再逐步细化

3. Coot：手动建模与修正

Coot 是手动模型修正的行业标准（GUI 工具）。

3.1 常用操作

File > Open Coordinates...   # 载入模型
File > Open Map...           # 载入密度图（自动算 FSC 相关）

# 基本修正
1. 主链调整：拖拽 Cα（Real Space Refine 区域）
2. 侧链方向：Rotamers（旋转异构体）
3. 缺失残基：Add Terminal Residue / Build
4. 删除多余：Delete Residue Range
5. 突变残基：Mutate & Autofit
6. 配体搭建：Ligand Builder / restraints

3.2 关键理念：Real Space Refine

Calculate > Real Space Refine Zone

选中密度区域，Coot 优化该区域几何与密度拟合
重复：修正 → 精修 → 检查 → 再修正
每轮精修后回到 Coot 检查不良区域（Ramachandran 离群点、clash）

3.3 配体建模

# 生成配体 restraints
phenix.elbow ligand.smiles    # 从 SMILES 生成化学约束
# 或
phenix.ligand_idealization ligand.cif

Coot 中 Ligand > Ligand Builder 手动搭建，再 Real Space Refine。

4. phenix 自动精修

4.1 基本精修

phenix.real_space_refine model.pdb \
  map.mrc \
  resolution=3.0 \
  output.prefix=refined \
  nproc=8

4.2 精修策略

# 多轮迭代：先整体后局部
phenix.real_space_refine model.pdb map.mrc \
  resolution=3.0 \
  strategy=individual_sites+individual_adp \
  restraints=ligand.cif \
  nproc=8

常用 strategy 组合：

rigid_body：低分辨率先做刚性体
individual_sites：逐原子坐标精修（高分辨率）
individual_adp：B 因子精修
torsion：扭转角精修（蛋白质常用）
local_grid：局部网格搜索（柔性区域）

4.3 自动修正循环（NCS 与水分子）

# 找水分子（高分辨时）
phenix.find_peaks_holes map.mrc map.mrc resolution=3.0

# NCS 约束（有对称亚基时显著提升质量）
phenix.real_space_refine ... strategy=individual_sites+individual_adp ncs_search.enabled=True

5. 模型质量评估

5.1 几何质量：MolProbity

phenix.molprobity refined.pdb

核心指标：

指标	良好标准（3 Å）	含义
Ramachandran favored	> 95%	主链二面角合理性
Ramachandran outliers	< 0.5%	离群主链
Rotamer outliers	< 1%	侧链构象异常
Clashscore	< 5	原子碰撞
MolProbity score	< 2	综合几何分数

5.2 密度拟合质量

EMRinger：评估侧链与密度的拟合（> 2 表示良好）
Q-score：评估局部密度质量（1.0 = 完美，0.5 = 可接受）
CC_mask：模型-密度相关系数（> 0.8 良好）
map-model FSC：模型与两张半图的 FSC 对比

phenix.map_model_cc refined.pdb map.mrc
phenix.em_ringer refined.pdb map.mrc

5.3 过拟合检测

Free component（CC-free）：与精修中使用的半图独立计算的相关性。精修时必须监控：

精修前 CC_work ≈ CC_free
精修后 CC_work 明显 > CC_free → 过拟合信号

规范做法：精修只用一张半图（或全图 + 独立半图验证），用另一张半图计算 CC_free。

6. 完整精修流程示例

# 1. 自动建模
model_angelo --halfmaps half1.mrc half2.mrc --output-dir auto

# 2. 初始精修
phenix.real_space_refine auto/model.pdb map.mrc \
  resolution=3.1 strategy=rigid_body+individual_sites \
  output.prefix=round1

# 3. Coot 手动修正（交互）
coot round1_refined.pdb map.mrc

# 4. 第二轮精修（加 B 因子）
phenix.real_space_refine coot_out.pdb map.mrc \
  resolution=3.1 strategy=individual_sites+individual_adp \
  output.prefix=round2

# 5. 质量评估
phenix.molprobity round2_refined.pdb
phenix.map_model_cc round2_refined.pdb map.mrc
phenix.em_ringer round2_refined.pdb map.mrc

# 6. 迭代直到所有指标达标

7. 提交 PDB

发布前需准备：

坐标文件（.pdb / .cif）
密度图（half-maps + full map，.mrc）
验证报告（MolProbity、EMRinger 等）
FSC 曲线与 mask 信息

通过 wwPDB deposition 提交，获取 PDB ID 与 EMDB ID。

8. 常见问题

问题	原因	解决
侧链密度模糊	分辨率不足 / B 因子错误	提高分辨率、检查方向分布
Ramachandran 离群多	主链建错	Coot 中按密度重建该区域
过拟合	精修过度	用 CC_free 监控、减少迭代
配体拟合差	restraints 不完整	phenix.elbow 重新生成
局部区域质量差	柔性/构象异质性	3D 分类分离构象、局部精修

9. 小结

建模三来源：自动建模（ModelAngelo/DeepTracer）、同源/AF 预测、从头搭建
Coot 手动修正与 phenix 自动精修交替迭代是标准节奏
质量三重检查：几何（MolProbity）+ 拟合（EMRinger/Q-score）+ 过拟合（CC_free）
亚 3 Å 应追求侧链级可信度，配体与修饰需单独验证

至此结构生物学方向完成：数据处理流程 → 技术综述 → 可视化 → 原子建模，构成从实验到模型的完整闭环。