NAMD入門(mén)教程一要點(diǎn)

1、預(yù)定目錄1.分子動(dòng)力學(xué)模擬概論1.1分子動(dòng)力學(xué)模擬的發(fā)展1.2分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理1.3分子動(dòng)力學(xué)模擬相關(guān)軟件2.分子動(dòng)力學(xué)入門(mén)2.1基本設(shè)置2.2生成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件(PSF)2.3蛋白質(zhì)的溶質(zhì)化2.4球狀水體中泛素(Ubiquit in)的分子動(dòng)力學(xué)模擬2.5立方水體中泛素(Ubiquitin )的分子動(dòng)力學(xué)模擬2.6簡(jiǎn)單的結(jié)果分析3.分析方法3.1平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬分析3.1.1 每個(gè)殘基的RMSD值3.1.2 麥克斯韋-波爾茲曼(Maxwell-Boltzmann )能量分布3.1.3 能量分析3.1.4 溫度分布3.1.5 比熱分析3.2非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬分析3.2.1 熱擴(kuò)

2、散3.2.2 溫度回音4人工操縱的分子動(dòng)力學(xué)模擬(SMD4.1除去水分子4.2恒速拉伸4.3恒力拉伸4.4結(jié)果分析1. 分子動(dòng)力學(xué)模擬概論分子動(dòng)力學(xué)模擬(Molecular Dyn amics Simulation)是指利用計(jì)算機(jī)軟件，根據(jù)牛頓力學(xué)的基本原理，模擬大分子的相互作用和運(yùn)動(dòng)變化的研究方法。生命科學(xué)的研究往往離不開(kāi)各種儀器，試管和活的有機(jī)體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究生命現(xiàn)象背后的規(guī)律。那么，為什么 我們要將生命大分子抽象成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)軟件模擬其行為呢？首先，從理論基礎(chǔ)上講，我們能夠使用計(jì)算機(jī)模擬生物大分子的行為。生物體系非常 復(fù)雜，但生物大分子如蛋白質(zhì)，脂肪，多糖等也是許多原子由化學(xué)

3、鍵連接起來(lái)形成的，所有原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律都符合量子力學(xué)方程，在較大尺度上也近似符合牛頓力學(xué)方程，它的行為是要受物理學(xué)基本規(guī)律支配的。因此我們可以將利用純數(shù)學(xué)的手段，近似模擬生物大分子的行為.其次，從研究需要上講，我們不僅希望從宏觀上研究生命大分子溶液體系的行為，還 想直接研究單個(gè)生物大分子在原子尺度上的行為，而這是目前的實(shí)驗(yàn)儀器難以達(dá)到的。比如,我們希望直接研究蛋白質(zhì)從伸展的肽鏈折疊成球形的具體過(guò)程，使用儀器手段只能收集到間接的數(shù)據(jù)，但使用軟件模擬則可以形象直觀的模擬出整個(gè)折疊過(guò)程，可以具體求算每個(gè)鍵能、鍵角的變化，研究某幾個(gè)氨基酸殘基之間的相互作用，以及對(duì)蛋白質(zhì)折疊的意義?？傊壳暗纳飳W(xué)研究

4、需要我們利用計(jì)算機(jī)模擬生物大分子的行為，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段的限制，希望能自下而上地闡明生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。最后，從實(shí)際意義上講，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以用來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，提供思路和理論依據(jù)； 分子動(dòng)力學(xué)模擬所得結(jié)果的正確性也需要回到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這樣，我們可以將分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合成一個(gè)整體，從而能夠全面地，深入地研究生命現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律。1.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬的發(fā)展*暫缺相關(guān)文獻(xiàn)1.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理*暫缺相關(guān)文獻(xiàn)1.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬相關(guān)軟件隨著分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，逐步形成了一些商品化的軟件。應(yīng)用于生物大分子領(lǐng)域的商品化分子模擬軟件主要有In sight n以及Sybyl，

5、分子模擬是其中的一個(gè)重要的模塊。In sight n中分子動(dòng)力學(xué)模塊使用的是由美國(guó)哈佛大學(xué)Martin Karplus研究小組等開(kāi)發(fā)的 CHARMMChemistry at Harvard Macromolecular Mechanics),同時(shí)它本身也是一個(gè)商品化的軟件。而 Amber (Assisted Model Building with Energy Refinement)則是另一個(gè)非常有名分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，它是由美國(guó)UCSF勺Kollman教授的課題組開(kāi)發(fā)的，商業(yè)化程度和易用性要好于CHARMM當(dāng)前版本9.0。以上兩個(gè)研究小組都為其軟件開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的力場(chǎng)，并且現(xiàn)在已經(jīng)成為分子動(dòng)力學(xué)

6、模擬的經(jīng)典力場(chǎng)。此外免費(fèi)和部分免費(fèi)的軟件有NAMDGromos, Gromacs, DL_POLY Tinker 等。在上述軟件中，我們選擇 NAMD作為本章的示范軟件。NAMD是由美國(guó)伊利諾斯大學(xué)理論 與計(jì)算生物物理研究組開(kāi)發(fā)的一套分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，適用于計(jì)算生物大分子，并行計(jì)算效率非常高，可以使用Amber，CHARMMX-PLOR GROMACSOPLS等多種力場(chǎng)，而且可以兼容Amber，CHARM的文件格式。NAM豉持幾乎所有操作系統(tǒng)，而且免費(fèi)獲取，開(kāi)放源代碼。 如配合分子可視化、結(jié)果分析軟件VMD以及格點(diǎn)計(jì)算軟件 BioCoRE則可使用更多、更強(qiáng)大的 功能，進(jìn)行更大規(guī)模的計(jì)算，可以

7、說(shuō)集眾多優(yōu)勢(shì)于一身。不僅如此，利用 NAMD還可以進(jìn)行極具特色的IMD（I nteractive Molecular Dyn amics，交互式分子動(dòng)力學(xué)模擬）和SMD（ Steered Molecular Dyn amics，可控式分子動(dòng)力學(xué)模擬）。在本教程中，我們將首先講解使用NAMD進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本流程，然后講解經(jīng)典的結(jié)果分析方法，最后我們將簡(jiǎn)單介紹SMD勺基本思想和過(guò)程。2. NAMD 分子動(dòng)力學(xué)入門(mén)2.1軟件基本設(shè)置NAMD勺最新版本是 2.6 版，可以從 /Research/namd/免費(fèi)得到（需要進(jìn)行免費(fèi)注冊(cè)）。此外，我們還需要

8、VMD作為分子可視化和輔助分析軟件，可以 從 /Research/vmd/免費(fèi)得到，最新版本是 VMD1.85。NAMD安裝方法：事實(shí)上 NAMD是不需要安裝的。請(qǐng)新建文件夾namd-tutorial, 在該目錄中新建文件夾 NAMD下載完成NAMD2.6軟件包后，將壓縮文件解壓到文件夾NAMD,就可以使用。下文中為了敘述方便，我們將默認(rèn)讀者的NAMD主程序位 于./namd-tutorial/NAMD目錄中（安裝 VMD程序時(shí)可以安裝到任意目錄，不影響教程操作）。NAMD TutorialsBe sure you have the latest ve

9、rsion of HAMD* NAMD Tutorial(html for Unix/Mac) (pdf far Unrx/1Mach 6.1M)(htmi foF Windows) (pdf for Windows, 4.6M)(required tutorial flies (all platforms) tar gz, 22BM, indrvidual files (all platforms)Participants learn haw to useto set up bsic molecular dynami.cs simulations, and toemphasis on suc

10、h files for protein Energy nninimization and equilibration m vater. Tutorial ?ers從此處卞載教程所需文件 NAMD PaperThe physical concepts behind MAMD along wtth the programs design and algorithms desc along with working through the above NAMD tutorialEcalahle hwIecuI占則門(mén)右1105 w'th NAMD James C Philtips, Rosem

11、ar/ Braun, Wei Wan! Christophe Chipot, Robert D. Skeel, Laxmikant Kate, and Klaus Schulten. Journal of Computi PDF (977k)此外，本教程還需要一系列教程文件。所需文件均可以從 /Trai nin g/Tutorials/下載（圖）下載完成教程所用文件后，請(qǐng)把所有內(nèi)容解壓到n amd-tutorial 目錄下，此后的部分我們將默認(rèn)教程所用文件位于 ./namd-tutorial目錄中。完成上述準(zhǔn)備之后，請(qǐng)打開(kāi)Windows資源管理器，na

12、md-tutorial目錄的結(jié)構(gòu)應(yīng)該如下：（如果目錄形式不一致，請(qǐng)務(wù)必進(jìn)行調(diào)整）jDjx|n d-tutorial交件興B Q+1:±1Si+l田田_j 1-1-build,11-2-sph*r* 二)J 2-1-rmsd'1 2-E-JnaMifell. 2-3-energi es二)2-4-itmp+!2-5-spec-heati+lE-6-h«at-diff+1 i己j 2-7-echoes AF1 =) Al pull c¥ L+l 二 3-2-pullcf i+l 二)CMniwonS MDB 宀 fV大小I真型33 .-申 3 .- 5* 3

13、.- 衛(wèi)"習(xí) 3 件件件件件件件件件件件件件件件 立立文交文交文艾文丈文文文立文KB名稱(chēng)該文件夾中有我們進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬所需的所有文件。最后，還需要交代的是，NAM不同于我們所熟悉的大多數(shù) Win dows軟件：它不具有圖形界面。打個(gè)比方說(shuō)，我們平常使用Word, Excel， Photoshop等有圖形界面的軟件，好像是面對(duì)面聊天；而現(xiàn)在使用不具有圖形界面的NAM蹴像是書(shū)信往來(lái)：動(dòng)力學(xué)模擬的所有參數(shù)設(shè)定都需要用戶(hù)通過(guò)一個(gè)文本文件通知NAMD NAMD進(jìn)行處理計(jì)算，然后再通過(guò)許多輸出文件輸出結(jié)果。不借助其他軟件，用戶(hù)無(wú)法直接看到NAMD勺工作狀態(tài)。由于進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬的準(zhǔn)備和結(jié)果的可視化

14、分析，必不可少的軟件是VMD下面的講解中也將大量用到 VMD我們假定讀者已經(jīng)對(duì) VMD勺基本操作有一定的了解。 VMD勺入門(mén)教 程可參見(jiàn)本章附錄。下面，我們將使用 NAMD進(jìn)行簡(jiǎn)單的分子動(dòng)力學(xué)模擬，并進(jìn)行初步的分析。我們將要 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬的分子是一個(gè)76個(gè)氨基酸的小肽：泛素。知識(shí)連接：泛素一一“死亡之吻”泛素是一個(gè)由76個(gè)氨基酸組成的高度保守的多肽鏈，因其廣泛分布于各類(lèi)細(xì)胞而得名。泛素共價(jià)地結(jié)合于底物蛋白質(zhì)的賴(lài)氨酸殘基，被泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)將被特異性 地識(shí)別，并在蛋白酶體中迅速降解。泛素因此得名一一“死亡之吻”。因?yàn)楸黄錁?biāo)記的蛋白都擺脫不了被降解的厄運(yùn)。隨著研究的進(jìn)一步深入，蛋白質(zhì)降解過(guò)程中泛

15、素的樞紐作用越來(lái)越得到重視。蛋白質(zhì)降解異常與許多疾病(惡性腫瘤，神經(jīng)退行性疾患等)的發(fā)生密切相關(guān)。而泛素在蛋白質(zhì)降解中的作用機(jī)制如能被闡明，將對(duì)解釋多種疾病的發(fā)生機(jī)制和有重要意義。Hershko、Ciechanover、Rose三名杰出科學(xué)家在泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)降解方面做出了突出貢獻(xiàn)，他們榮獲 2004年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。使用NAM進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬之前，我們需要為NAMDB備好各種必須的數(shù)據(jù)文件，以供NAMD使用。這些文件包括：+ 蛋白質(zhì)分子的PDB文件。該文件負(fù)責(zé)儲(chǔ)存蛋白質(zhì)中所有 原子的坐標(biāo)。在后續(xù)課程中 我們還會(huì)了解到，PDB文件還可以?xún)?chǔ)存 原子運(yùn)動(dòng)的速度 等信息。+ 蛋白質(zhì)分子的PSF文件

16、。該文件負(fù)責(zé)儲(chǔ)存蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。注意PDB文件只記錄 原子的空間位置，并不儲(chǔ)存蛋白質(zhì)中原子之間的成鍵情況。成鍵情況由PSF文件負(fù)責(zé)記錄。CHAEMM,+力場(chǎng)參數(shù)文件(force field file)。力場(chǎng)參數(shù)文件是分子動(dòng)力學(xué)模擬的核心，文件中的數(shù)學(xué)方程決定了原子在力場(chǎng)中的受力如何計(jì)算。常用的四種力場(chǎng)是X-PLOR, AMBEF和GROMACNAM呵以使用以上任何一種力場(chǎng)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。+配置文件（con figuration file ）配置文件的目的是告知NAMD分子動(dòng)力學(xué)模擬的各種參數(shù)，比如 PDB文件和PSF文件的儲(chǔ)存位置，結(jié)果應(yīng)當(dāng)儲(chǔ)存在哪里，體系的溫度等等上述四種文件中，PDB

17、文件通常是從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（Protein Data Ba nk ）中獲得。力場(chǎng)參數(shù)文件也可以從網(wǎng)上下載，而PSF文件和用戶(hù)配置文件是用戶(hù)根據(jù)具體要求自己生成的。下面我們將首先制作蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件（PSF）。2.2生成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件（PSF）1、 單擊開(kāi)始菜單t程序 t VMD,打開(kāi)VMD窗口2、在 VMD主窗口中，單擊 File t New Molecule 打開(kāi) Molecule File Browser 對(duì)話(huà)框；單擊Browse按鈕，在彈出的文件瀏覽中找到 namd-tutorial/1-1-build文件夾，在此文件夾中選擇 1UBQ.pdb單擊Load按鈕載入1UBQ.pdd提示：關(guān)

18、于文件后綴名如果瀏覽文件時(shí)看不到“ .psf ” “.pdb ”等后綴名，可以在“我的電腦”中選擇“工具” t “文件夾選項(xiàng)”，在“查看”選項(xiàng)卡中取消“隱藏已知文件類(lèi)型的擴(kuò)展名”。強(qiáng)烈推薦讀者取消這一項(xiàng)，因?yàn)檫@還涉及到下文中的許多操作。載入之后在圖形窗口（ VMD 1.8.5.Ope nGL Display ）中應(yīng)當(dāng)可以看到下圖（圖）：可以看到，所有的氧原子用紅色表示，碳原子以天藍(lán)色表示（碳原子所連的鍵也是天藍(lán)色，所以整個(gè)蛋白骨架為天藍(lán)色），硫原子以黃色表示。注意到?jīng)]有出現(xiàn)氫原子，這是因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)是由 X射線晶體衍射得來(lái)的，而 X射線衍射一般得不到氫原子的精確位置。注意：蛋白周?chē)募t點(diǎn)實(shí)際上是水

19、分子，由于沒(méi)有氫，所以?xún)H顯示出一個(gè)一個(gè)的氧原子。我們只需要蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，因此下面我們將首先除去pdb文件中帶有的水分子。4、單擊Extension 宀TK Console 菜單項(xiàng)，彈出 VMD Tk Console 窗口。首先用 cd命令改變當(dāng)前目錄到 namd-tutorial /1-1-build下。然后輸入下列命令：set ubq atomselect top prote in$ubq writepdb ubqp.pdb（每輸入一行命令后按回車(chē)鍵，下同。另外，尤其要注意空格的有無(wú)和空格的位置， 否則空格位置不對(duì)可能造成命令執(zhí)行錯(cuò)誤）提示：VMD TK Console （VMD控制臺(tái)）

20、中改變當(dāng)前目錄的方法在Windows命令行模式中和 VMD TK Console中都是用cd命令改換當(dāng)前目錄的。但是 注意二者的使用方法不同。這里簡(jiǎn)單說(shuō)明VMDTK Con sole中改變當(dāng)前目錄的方法，Win dows命令行改變目錄的方法將在后面說(shuō)明。在VMDTKConsole中，改變目錄的命令十分簡(jiǎn)單。無(wú)論是改變到哪一個(gè)目錄，只需要輸 入：cd目標(biāo)目錄比如本例中，假設(shè)需要改變目錄到 E:/namd-tutorial/1-1-build,無(wú)論當(dāng)前目錄是什么，只需要在 VMD TKConsole中輸入以下命令即可：cd e:/namd-tutorial/1-1build輸入以上命令之后，VMD

21、已經(jīng)在1-1-build目錄下生成了文件 ubqp.pdb。這一 PDB文件僅包含泛素蛋白，不含水分子。5、 在 VMD主窗口中單擊 1UBQ.pdb,選擇 Molecule宀Delete Molecule菜單項(xiàng)刪除 當(dāng)前分子。6、 下面我們將生成泛素蛋白的psf文件。注意：VMD組件中實(shí)際上提供了一個(gè)全自動(dòng)的 psf 文件生成器（選擇 Extensions 宀 ModelingAutomatic PSFBuilder 菜單項(xiàng)）。但我們將人工制作所需要的psf文件，以讓讀者明白制作的詳細(xì)流程。制作時(shí)，需要使用VMD提供的psfgen軟件包。7、首先，打開(kāi)寫(xiě)字板，輸入以下內(nèi)容：package r

22、equire psfge npdbalias residue HIS HSEpdbalias atom ILE CD1 CDsegme nt U pdb ubqp.pdbcoordpdb ubqp.pdb Uguesscoordwritepdb ubq.pdbwritepsf ubq.psf&輸入完成之后，保存文件。注意文件保存在1-1-build目錄中，文件名為ubq.pgn , 文件類(lèi)型選擇文本文檔。然后退出寫(xiě)字板。這樣我們便制作了pgn文件，這一文件可以被psfgen軟件包所識(shí)別，并處理成我們想要的psf文件。我們需要在VM中使用該文件調(diào)用psfgen數(shù)據(jù)包下面我們?cè)敿?xì)介紹一下剛

23、剛輸入的每一行命令的意義：package require psfgen :通知VM我們將要調(diào)用psfgen數(shù)據(jù)包topology top all27_prot_lipid.i np:載入拓扌卜文件 top_all27_prot_lipid.i nppdbalias residue HIS HS|:改變組氨酸殘基名，使得殘基名稱(chēng)能夠和拓?fù)湮募械?一致。在pdb文件中組氨酸殘基名是 HIS,而在拓?fù)湮募薪M氨酸殘基名為HSE, HSD,HSP三種。分別對(duì)應(yīng)組氨酸的三個(gè)不同的帶電荷形式。pdbalias atom ILE CD1 CD|:改變異亮氨酸中的原子名。pdb文件中異亮氨酸 3碳的名稱(chēng)為C

24、D1而拓?fù)湮募性用麘?yīng)該為CDsegment U pdb ubqp.pdb:生成一個(gè)集合（segment） U,包含 ubqp.pdb 中的所有原 子。coordpdb ubqp.pdb U :從ubqp.pdb中讀取坐標(biāo)，比較各個(gè)原子的名稱(chēng)是否對(duì)應(yīng)，然 后舊的集合名被改換成新的名稱(chēng)“U”。guesscoord :根據(jù)拓?fù)湮募茰y(cè)缺少的原子（氫原子）的空間位置。writepdb ubq.pdb:生成新的pdb文件，包含所有原子的坐標(biāo)，包括剛剛推測(cè)出的氫原子。writepsf ubq.psf :生成psf文件，該文件包含蛋白結(jié)構(gòu)的全部信息。知識(shí)鏈接：組氨酸的三種離子模式知識(shí)鏈接：PD我件中原子

25、的命名方式9、如果剛剛關(guān)閉了 VMD則重新打開(kāi)，改變目錄至 1-1-build 。然后輸入以下命令:source ubq.pg n這樣我們就成功得到了含有氫原子的psf文件。同時(shí)，可以看到 VMD TKC on sole中顯示|D| x|出系統(tǒng)返回的信息。信息顯示我們的系統(tǒng)中有 1231個(gè)原子，631個(gè)原子的坐標(biāo)是推測(cè)的(圖)。total of 1237total of 2257total of 3253bondsanglesdihedralsWarning: poo rlyguessedcoo rdinateforatomHGLEU：56UWarning: poorlyguessedcoor

26、dinateforatomHGLEU:67UWarning: poo rlyguessedcoordinateforatomHGLEU:69uWarning: poo rlyguessedcoo rdinateforatomHGLEU:71uWarning： poorlyguessedcoordinateforatomHGLEU：73uWarning: poorlyguessedcoordinateforatomOT1GLY:76uWarning: poorlyguessedcgo rdina匸總foratomOT2GLY:76u¥0 THZonsoleFil» Cftns

27、dlt EditFrafsInfo: writing pdb file ubq.pdbInfo: Atoms with guessed coordinates iwill have occupancy of CL CLInfo: pdb file complete.Info: writing psf file ubq.psftotal of 1231 atomstotal of 2 0 4 iuiproperstotal of 0 cross-termsInfo: psf file complete.>Main< (1-1-build) 51 % |現(xiàn)在在你的1-1-build 文

28、件夾下應(yīng)當(dāng)有ubq.pdb和ubq.psf兩個(gè)文件。到此為止，我們 已經(jīng)成功制作了下一步分子動(dòng)力學(xué)模擬所需的psf文件。2.2蛋白質(zhì)的溶質(zhì)化顯然在真實(shí)情況下，蛋白質(zhì)不是在真空中存在下面。所以我們需要把蛋白質(zhì)放入一個(gè) 水環(huán)境中，以更真實(shí)的模擬生物體內(nèi)的環(huán)境。我們可以使用兩種水體環(huán)境進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬：球狀水體(water sphere )。水體包圍蛋白質(zhì)，四周則是真空，動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)沒(méi)有周期性邊界條件(periodic bou ndary con diti on)+ 立方水體(water box)。立方水體是正六面體形狀的水體(不一定是正立方體) 使用立方水體需要我們?cè)O(shè)定周期性邊界條件。2.2.1 生

29、成球狀水體(water sphere )我們將使用一個(gè)腳本文件建立球狀水體。腳本文件在1-1-build目錄下，文件名是wat_sphere.tcl 。1、如果剛剛關(guān)閉了 VMD則重新打開(kāi)，改變目錄至1-1-build 。然后輸入以下命令：source wat_sphere.tcl輸入之后VM將會(huì)調(diào)用腳本文件，之后VMD會(huì)反饋一系列信息(圖)，2、由所給的信息我們可以看出，VMD生成了兩個(gè)文件：ubq_ws.pdb文件和ubq_ws.psf 。在最后兩行還給出了生成的球狀水體的質(zhì)心坐標(biāo)(center of mass of sphere )和球狀水體的半徑(radius of sphere)，精

30、確到小數(shù)點(diǎn)后第十位。記下這些數(shù)字，以后我們還會(huì)用到。這時(shí)在圖形窗口中卻會(huì)出現(xiàn)一個(gè)立方水體包圍的蛋白質(zhì)分子(圖)。不過(guò)沒(méi)有關(guān)系，在VMD主窗口中可見(jiàn)分子名為del_water，并不是我們所要的結(jié)果。我們的最終結(jié)果已經(jīng)儲(chǔ)存在 1-1-build 中，文件名分別為 ubq_ws.pdb 和 ubq_ws.psf。I3、下面我們將看一下生成的球形水體究竟是什么樣子的。在主窗口中單擊 del_water分子，選擇 Molecule 宀 Delete Molecule菜單項(xiàng)刪除該分子；然后選擇File t NewMolecule，單擊 Browse 按鈕，在 1-1-build目錄下找到ubq_ws.pd

31、b文件，單擊Load載入該蛋白，可以看到球狀水體包圍的蛋白（如圖）。說(shuō)明我們已經(jīng)成功地生成了球狀水體二1匚必包圍的泛素分子。LM VID 1.8.5 OpenGL D i splay2.2.2 生成立方水體(water box )下面我們將把泛素放入一個(gè)立方體狀的水環(huán)境中。我們使用的是 VMD提供的solvate軟件包。該軟件包位于VMD的/plugins/noarch/tcl目錄下。不過(guò)我們不需要自己找到它。只要通知VM我們將使用該軟件包，VM就會(huì)載入它。1、打開(kāi) VMD 選擇 Exte nsio ns 宀 TK Con sole 菜單項(xiàng)，在 VMD TKCo nsole 窗口中輸 入：pa

32、ckage require solvate這時(shí)VMD就會(huì)載入solvate軟件包。窗口返回?cái)?shù)字:1.2說(shuō)明我們所使用的軟件包是solvate 1.2 。確保當(dāng)前目錄是 1-1-build,否則用cd命令改變當(dāng)前目錄至1-1-build然后輸入：solvate ubq.psf ubq.pdb-t 5- o ubq_wb等待運(yùn)行結(jié)束，VMD就調(diào)用solvate 將ubq.pdb和ubq.psf 所儲(chǔ)存的蛋白放入一個(gè)立方水體中。在圖形窗口可以見(jiàn)到一個(gè)立方形的水體包圍蛋白(如圖)WD 1.5 OpeuGL Di sLay£沁1 宀， 喚屮??；曲 A* J仏：口兇參數(shù)-t 5通知程序如何確定立

33、方體的各邊長(zhǎng)。方法是在每個(gè)坐標(biāo)方向上選擇坐標(biāo) 最大的那個(gè)原子，然后再延伸5A,即為該方向立方體面的邊界。注意：生成的立方水體并不一定是正立方體。各邊長(zhǎng)取決于坐標(biāo)最大（距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)）的原子的位置。還有一個(gè) 參數(shù)-o ubq_wb是為了通知程序生成的文件名。運(yùn)行結(jié)束后我們得到的兩個(gè)文件就是 ubq_wb.psf 禾口 ubq_wb.pdb 。2、在 VMD TkConsole 中輸入:set every one atomselect top allmeasure minmax $every one這時(shí)返回的數(shù)值是整個(gè)體系中離原點(diǎn)最近的點(diǎn)和最遠(yuǎn)的點(diǎn)的坐標(biāo)。我們需要的是整個(gè)立方體的中心，可以自己計(jì)算也

34、可以用下面的命令：measure cen ter $every one這時(shí)返回的三個(gè)數(shù)值就是體系的中心。記下這三個(gè)數(shù)值，我們以后還會(huì)用到。返回值如圖:TkConsol|口| X|Info：':segmentComplete.Info :writingpsf filetotalof7051atomst.Gtalof5117bondsto:talO f4197anglestotalof3292dihedralstotalof204imprope rst.Qtalof0 crQss-termsInfo：':psffilInfo :writingpdb fileInfo?；pdbfil

35、e Completeubqwb.pdbubqA?b. psfFile C ore ul e Edit IrLterp FrefE Hi story HelpSolvate 1.2 completed successfully.>Main< 1- 1-build) 磯El % aet veryone atomsfeletit top all atomselect 4>Main< (1-1-bu.ild)': '：9 總 measure minmaxryone(10. 4420003891 7 . 9 47 0 0；2 67 -5.32700014114 5

36、1. 1189994813 50/2 09989929 40.8959999084 5Mairi' (1- 1-build) 4牟 measure .center $eyeryone30. 84849 92 981 29. 078 00 4 8.37 17.7920303345>Main< (； 1- 1-build) 41 %在開(kāi)始下一節(jié)之前，我們要將生成的文件拷貝到 comm or公用目錄下以方便訪問(wèn)。在 Windows資源管理器中找到 1-1-build 目錄，按Ctrl選擇以下六個(gè)文件：ubq.pdb, ubq.psf, ubq_ws.pdb, ubq_ws.psf

37、, ubq_wb.pdb, ubq_ws.psf ， 然 后把它 們拷貝 至U n amd-tutorial/com mon 目錄下。提示：此處生成的立方水體事實(shí)上過(guò)小了。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證水體足夠大，以防止蛋白在拉伸運(yùn)動(dòng)時(shí)超出水環(huán)境。也要避免在使用周期邊界條件時(shí)蛋白和四周各個(gè)單元的蛋白鏡像相碰撞。周期邊界條件的詳細(xì)知識(shí)見(jiàn)下文。此外，還應(yīng)當(dāng)注意的是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)在水環(huán)境中放入離子。特別是當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的凈電荷不為0時(shí)，更應(yīng)當(dāng)設(shè)定離子數(shù)目以使得整個(gè)體系是中性的。在放入離子時(shí)應(yīng)當(dāng)將它們放在體系中靜電勢(shì)能的最低點(diǎn)，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。因?yàn)殡x子總會(huì)向勢(shì)能最低點(diǎn)自發(fā)運(yùn)動(dòng)。2.3球狀水體中泛素(Ubiquit

38、 in )的分子動(dòng)力學(xué)模擬在這一節(jié)中，我們將要對(duì)球狀水體的泛素分子進(jìn)行最簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)模擬。首先，我們要進(jìn)行的分子動(dòng)力學(xué)模擬的目的是什么？我們將泛素放入球狀水體中， 水體周?chē)钦婵?，然后NAMD根據(jù)我們?cè)O(shè)定好的溫度值按照Boltzma nn-Maxwell分子速率分布給各原子賦予一定的初始速度，接下來(lái)就是要根據(jù)牛頓力學(xué)方程，求解個(gè)水分子以及蛋白質(zhì)中各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡。我們得到的結(jié)果，就是模擬泛素這一小肽在溶液狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。知識(shí)鏈接：能量最小化和能量平衡（ Mi nimizatio n and Equilibratio n）本次動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)際包括兩個(gè)過(guò)程：能量最小化和能量平衡（Min imiza

39、tion andEquilibration ）。能量最小化時(shí)，NAM既定各原子的速度為 0，然后不斷改變各個(gè)原子的相 對(duì)位置并計(jì)算體系總能量，搜索最低勢(shì)能點(diǎn)，作為分子動(dòng)力學(xué)模擬的初始狀態(tài)。這一過(guò)程是不記錄原子運(yùn)動(dòng)軌跡的。因?yàn)樵拥奈恢酶淖冎皇且驗(yàn)镹AMD需要搜索最低能量狀態(tài)，而不是真實(shí)的相互作用引起的運(yùn)動(dòng)。能量平衡是讓蛋白質(zhì)和水分子在設(shè)定好的環(huán)境溫度（即原子的速度）下相互作用，達(dá)到能量平衡分配，整個(gè)體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（熵達(dá)到極大值）。為什么需要首先進(jìn)行能量最小化？這是因?yàn)槲覀兲峁┑捏w系有可能包含極度扭曲，拉伸或壓縮變形的鍵和鍵角。它們是解析結(jié)構(gòu)或同源模建時(shí)引入的錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)，含有很高的能量。 如果不

40、首先進(jìn)行最小化，直接進(jìn)行能量平衡，蛋白質(zhì)會(huì)和水分子相互作用，恢復(fù)伸展?fàn)顟B(tài)， 釋放掉這些錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)中的高能量。這一過(guò)程是沒(méi)有意義的一一因?yàn)樗清e(cuò)誤結(jié)構(gòu)引起的反 應(yīng)，并不是蛋白質(zhì)在溶液中的真實(shí)狀態(tài)。從而就浪費(fèi)了計(jì)算時(shí)間。不僅如此，能量釋放引起的劇烈運(yùn)動(dòng)和相互作用最終可能使得蛋白質(zhì)的行為不符合溶液中的真實(shí)行為。所以有必要在能量平衡之前，首先人為搜索能量最低點(diǎn)，作為分子動(dòng)力學(xué)模擬的初始狀態(tài)。一般地，分子動(dòng)力學(xué)模擬包括多個(gè)能量最小化和平衡過(guò)程。通常我們會(huì)首先將蛋白質(zhì)固定而僅允許水分子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行能量最小化和能量平衡；然后允許蛋白質(zhì)和水分子同時(shí)運(yùn)動(dòng)， 再次經(jīng)歷能量最小化和能量平衡這一循環(huán)。第一步的目的是使水分

41、子達(dá)到能量最小，這通常是一個(gè)很快的過(guò)程。然后再放開(kāi)蛋白質(zhì)，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到能量最小。這樣可以減小計(jì)算量， 并防止由于一開(kāi)始蛋白結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定而結(jié)果產(chǎn)生假象。在上一節(jié)中我們已經(jīng)獲得了所需要的 ubq_ws.pdb和ubq_ws.psf兩個(gè)文件。對(duì)照本 章開(kāi)始提到NAM所需的四個(gè)文件知，還需要有配置文件就可以提交 NAMD進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬 了。（力場(chǎng)參數(shù)文件在 comm or文件夾中）。下面我們將首先得到配置文件。2.3.1 配置文件前面我們把使用 NAMD匕作寫(xiě)信，這里的“信”就是指的配置文件。配置文件記錄了 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬所需的全部參數(shù)和設(shè)置，NAMD只要得到這一文件就可以按照相應(yīng)指令進(jìn)行操作。對(duì)于

42、本次動(dòng)力學(xué)模擬，在namd-tutorial/1-2-sphere目錄下可以得到已經(jīng)預(yù)先制作完畢的配置文件。下面我們將要仔細(xì)講述文件的內(nèi)容。打開(kāi)寫(xiě)字板，在菜單中選擇文件t打開(kāi)，找到1-2-sphere目錄，文件類(lèi)型選擇全部文件（圖），然后打開(kāi)文件ubq_ws_eq.conf。這個(gè)文件看起來(lái)好像很復(fù)雜，但是我們會(huì) 仔細(xì)分析講解每一部分的含義。文件類(lèi)型:全部文檔C*.*DwWord for Windows (doc)Windows 書(shū)寫(xiě)黠(*. wri) Ri ch Text f arm at (*. rtf)文本文檔(*.txO文本丈擋“ MS-EOS耦式C*. txt) Unicode文本文檔

43、贋，txt)注意：在配置文件中，每一行開(kāi)頭如果是“#”，則本行內(nèi)容會(huì)被當(dāng)作注釋對(duì)待，NAMD會(huì)忽略其中的內(nèi)容。因此為了便于區(qū)分，我們用#把文件分割成幾大部分。如第一部分是：If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If IfII II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II

44、 II II II II II II II II II II II II II II II II# JOB DESCRIPTION#If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If If IfII II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II I

45、I II II II II II II II II II意思是這一部分是對(duì)所提交工作的描述。1、大體瀏覽一下，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)文件被分成了以下幾部分：+工作描述(job description)+可調(diào)參數(shù)(adjustable parameters )+動(dòng)力學(xué)模擬參數(shù)(simulatio n parameters)+附加參數(shù)(extra parameters )+執(zhí)行腳本(executi on script )它完整的記錄了輸入的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件(pdb和psf文件)的位置，輸出結(jié)果文件的文件名，以及動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)的環(huán)境溫度，截止點(diǎn)，步長(zhǎng)等各種參數(shù)。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)只需要提供給NAMCH個(gè)配置文件，

46、NAM就可以找到輸入文件，調(diào)整好各種參數(shù)，按照要求進(jìn) 行動(dòng)力學(xué)模擬之后輸出結(jié)果。2、 然后，首先我們來(lái)看第一部分：Job Description。這一部分每一行開(kāi)頭都有#，因此只包括注釋。它描述的是這一配置文件的目的：Mi nimization and Equilibration ofUbiquitin in a Water Sphere。就相當(dāng)于一片文章的題目。3、 Adjustable Parameters這一部分包括 5 項(xiàng)參數(shù)：+ structure:給出調(diào)用的psf文件的位置+coordinates :給出調(diào)用的坐標(biāo)文件(即 pdb文件)的位置+ set temperature 31

47、0:定義一個(gè)變量temperature，并賦值 310。以后如果要使 用環(huán)境溫度值310，只需要用$temperature 代替。這和c語(yǔ)言中的預(yù)處理命令 #define有些類(lèi)似。豊 set output name ubq_ws_eq:新建一個(gè)變量 output name，并賦值 ubq_ws_eq。作 用同上。+ firsttimestep:設(shè)定動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)起始timestep的數(shù)值。在重新開(kāi)始進(jìn)行一個(gè)被中斷的動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，這一設(shè)定是非常有用的。如果前一次動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)束時(shí) 的timestep是533,那么這一次的起始值顯然應(yīng)該是534。4、Simulation Parameters這一部分包

48、括許多參數(shù)，可以分成以下幾部分：+ In put-paraTypeCharmm:說(shuō)明參數(shù)文件是否是CHARM力場(chǎng)格式的。設(shè)置為 on。-parameters:從給出的力場(chǎng)參數(shù)文件中調(diào)用參數(shù)（此例中，力場(chǎng)參數(shù)文件為./com mon/par_all27_prot_lipid.i np）-temperature:設(shè)定環(huán)境的起始溫度（ K）。如上所述，在這里 $temperature 相當(dāng)于310。設(shè)定這一數(shù)值后，NAMD會(huì)根據(jù)Maxwell分子速率分布給體系中的分子分配運(yùn)動(dòng)速率。Force-Field Parameters-exclude:說(shuō)明哪一種原子-原子相互作用可以忽略。這里的設(shè)定值是sca

49、led1-4。成鍵相鄰原子的編號(hào)方式見(jiàn)圖。scaled1-4 就是說(shuō)如圖中的原子 1-2， 1-3，2-3之間的相互作用被完全忽略，而原子1-4的相互作用被弱化。-1-4scaling:剛剛提到了原子1-4之間的相互作用會(huì)被弱化。這個(gè)參數(shù)就是為 了說(shuō)明弱化的程度。取值在 01之間，0表示完全忽略，1表示不進(jìn)行弱化。-cutoff:設(shè)定范德華力和靜電力的截止點(diǎn)。如果不設(shè)定此值，NAMD會(huì)計(jì)算整個(gè)體系中任意兩個(gè)原子的范德華力和靜電力相互作用，這顯然是沒(méi)有必要的。注意：如果 Particle Mesh Ewald Sum設(shè)定為on，cutoff 的定義就會(huì)改變，在此不 詳細(xì)敘述。switching

50、:設(shè)定是否使用過(guò)渡函數(shù)（ switching function ），使得在截止點(diǎn)處范德華力和靜電力不會(huì)突然降低至0,而是平滑的過(guò)渡至 0。switchdist:設(shè)定在哪一點(diǎn)靜電力和范德華力函數(shù)開(kāi)始使用過(guò)渡函數(shù)修正(switch fun ctio n）以使這兩個(gè)函數(shù)可以平滑過(guò)渡，在cutoff處降低為0。- pairlistdist:這一設(shè)定是為了使得計(jì)算更快進(jìn)行。如果不設(shè)定這個(gè)值，對(duì)于體系中的某個(gè)原子，NAMD!要遍歷搜索整個(gè)體系以找出和該原子有相互作用的所有其他原子。設(shè)定之后，在計(jì)算某個(gè)原子的受力時(shí)，NAMD將只搜索設(shè)定范圍之內(nèi)的原子。設(shè)定值的單位是A。注意這個(gè)值必須要大于cutoff值。圖

51、是以上概念的圖示說(shuō)明。+In tegrator Parameters-timestep:說(shuō)明所使用的步長(zhǎng)數(shù)值。分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理還是求解牛頓力學(xué)方程，但是并不能做到連續(xù)求解，而只能每隔一段間隔求解一次，最后生成原子的運(yùn)動(dòng)軌跡。步長(zhǎng)值就是求解的時(shí)間間隔。以一個(gè)飛秒（fs,femtoseco nds ）為單位。2.0即為2fs 。-rigidBonds :設(shè)定與氫原子相連的哪一種鍵是剛性的（不會(huì)來(lái)回振動(dòng)）。這里設(shè)定值是all，說(shuō)明所有和氫原子相連的鍵都被認(rèn)為是不振動(dòng)的。知識(shí)鏈接：Rigid Bonds為什么要設(shè)定 RigidBonds ?這是因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)定的步長(zhǎng)是2飛秒。在分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，鍵

52、的轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)，原子的位移等等速度并不相同。而步長(zhǎng)數(shù)值顯然應(yīng)該由最快的那一種運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度決定。在各種運(yùn)動(dòng)形式中，鍵長(zhǎng)的伸縮和鍵角的扭曲是最快的。鍵長(zhǎng)振動(dòng)一般是每10-100飛秒一次。其中，最快的當(dāng)然是與氫原子相連的鍵長(zhǎng)的振動(dòng)，一般是10飛秒一次，而我們的步長(zhǎng)是2飛秒，幾乎在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。因此無(wú)法精確描述這樣的鍵長(zhǎng)振動(dòng)。所以需要先設(shè)定認(rèn)為這些鍵不振動(dòng)。其實(shí)也相當(dāng)于取鍵長(zhǎng)伸縮振動(dòng)的平均值作為固定鍵長(zhǎng)。大分子的功能和行為一般與較慢的分子構(gòu)象變化和分子運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切，但和快速的原子振動(dòng)關(guān)系較小。所以認(rèn)定鍵長(zhǎng)振動(dòng)不存在也是可以接受的，只是對(duì)于精確的分子動(dòng)力學(xué)模擬而言應(yīng)當(dāng)盡量避免。對(duì)于任何的分子動(dòng)力學(xué)模擬，

53、步長(zhǎng)應(yīng)該是體系中最快運(yùn)動(dòng)周期的1/10以下。-non bo ndedFreq:設(shè)定每隔多少步長(zhǎng)計(jì)算一次非成鍵相互作用(non bo ndedinteractions)。適當(dāng)調(diào)整這個(gè)值可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。-fullElectFreque ncy:設(shè)定每個(gè)多少步長(zhǎng)計(jì)算一次總體靜電相互作用(fullelectrostatic in teract ions)。-stepspercycle:前面提到過(guò)，每個(gè)原子都有一個(gè)pair list，即和它有相互作用的所有原子的列表。這個(gè)列表顯然是動(dòng)態(tài)變化的。列表更新的周期叫做一個(gè)循 環(huán)(cycle )。這個(gè)值設(shè)定的是每多少步長(zhǎng)更新一次列表，完成一次循環(huán)。+ Con

54、sta nt Temperature Con trol-la ngevi n:設(shè)定動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)是否使用Lan gevin動(dòng)力學(xué)。這里設(shè)定為 on。-Ian gevi nTemp:設(shè)定一個(gè)溫度值，使用La ngevi n動(dòng)力學(xué)將原子保持在恒定的該溫度。-la ngvinH ydroge n:設(shè)定是否對(duì)于氫原子也應(yīng)用la ngevi n動(dòng)力學(xué)。+ Output-outputName :每進(jìn)行一次動(dòng)力學(xué)模擬，NAMD會(huì)輸出多個(gè)文件。這個(gè)參數(shù)設(shè)定這些文件的前綴名(如 ubq.pdb，ubq就是前綴名)都為ubq_ws_eq。NAM輸出的文件 包括：一個(gè)后綴名為".coor ”的文件，儲(chǔ)存經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬后的所有原子的坐標(biāo)； 一個(gè)后綴名為“ .vel ”的文件，儲(chǔ)存系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)束時(shí)所有原子的瞬時(shí)速度。所以運(yùn)行結(jié)束后我們可以得到兩個(gè)文件：ubq_ws_eq.coor和ubq_ws_eq.vel 。-restartfreq:在進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，NAM還會(huì)創(chuàng)建恢復(fù)文件(restart file )，類(lèi)似于 Word的自動(dòng)保存，使得用戶(hù)在動(dòng)力學(xué)模擬意外停止的時(shí)候可以用恢復(fù)文件繼 續(xù)進(jìn)行模擬。這個(gè)參數(shù)就是設(shè)定每過(guò)多長(zhǎng)個(gè)步長(zhǎng)自動(dòng)保存一次，生成一個(gè)恢復(fù)文件?；謴?fù)文件的后綴名是 “.restart ”，表示剛剛生成的恢復(fù)文件；以及“ .restart