gromacs中文教程

GROMACS 教程 1  GROMACSIntroductoryTutorialGromacsver4.0Author:JohnE.Kerrigan,Ph.D.AssociateDirector,BioinformaticsTheCancerInstituteofNJ195LittleAlbanyStreetNewBrunswick,NJ08903Phone:[phone]Fax:[phone]Email:[e-mail]翻译：梁（[e-mail]）GROMACS 教程 2  GROMACS教程：蜘蛛毒素肽的研究Yu,H.,Rosen,M.K.,Saccomano,N.A.,Phillips,D.,Volkmann,R.A.,Schreiber,S.L.:Sequentialassignmentandstructuredeterminationofspidertoxinomega-Aga-IVB.Biochemistry32pp.13123(1993)GROMACS是一个使用经典分子动力学理论研究蛋白质动力学的高端的高效的工具[1]。这个软件包是遵守GNU许可的免费软件，可以从以下站点下载：。GROMACS可以在linux，unix，和Windows（新开发的）上使用摘要：在本教程中，你将研究一个从漏斗形蜘蛛的毒液中分离的毒素。过去毒液毒素用来鉴定阳离子通道。钙离子通道调节这种离子进入细胞。神经信号受到神经细胞中离子平衡的高度控制。人们认为象蜘蛛毒素这类毒液中暴露的带正电的残基会倾向于与细胞离子通道入口的带负电的残基结合。本教程中的蜘蛛毒素中带正电的残基主要朝向肽链的一侧。离子通道的堵塞导致了神经信号的中断，昀终导致麻痹和死亡（通过呼吸判断）。我们将使用显性溶剂动力学的方法研究这个小肽。首先比较真空中和溶解的模型。我们将把小肽溶在水盒子里，紧接着用牛顿运动定律加以平衡。我们还将比较和对比补偿离子在显性溶剂动力学中的影响。我们希望解决如下问题：小肽的二级结构在动力学条件下是否稳定？带正电的残基侧链是否主要朝向肽结构的一侧？补偿离子是保持在正电残基附近还是在四周移动？水在维持蛋白结构中扮演什么角色？注意：在本教程中，将要生成gromacs（*.gro）结构文件，可以用VMD（下载地址：）查看。另外，你需要下载GROMACS用户手册（下载地址：）下载pdb文件1OMB.PDB()建议先用DeepView软件观察下载的文件，看是否有混乱的现象（缺失侧链）DeepView可以补充缺失的侧链（但是，注意DeepView可能会在添加的侧链前加上特殊符号，而且这些符号只能手工去掉！）这个pdb文件不存在侧链的缺失，我们就不必担心了。在你的unix主目录下建立一个名为“fwspider”的文件夹。在此文件夹下新建三个子文件夹，分别命名为：“invacuo”“wet”和“ionwet”。用sftp将1OMB.pdb拷贝到GROMACS 教程 3  fwspider的每个子文件夹中。（重要！无论何时将一个文本文件从windows系统拷贝到unix系统，一定要转成unix文本文件？？可以用to_unix命令（如to_unixfilenamefilename，将filename文件转成unix文本文件。在RedHatLinux中，用dos2unix命令。）象MSWord这类Windows文本编辑器加入的控制符可能在unix程序中产生错误。）用pdb2gmx处理pdb文件。pdb2gmx（查看选项用pdb2gmx–h;其实可以用-h选项查看所有Gromacs命令的帮助文档）命令将pdb文件转换成gromacs文件并产生拓扑文件。因为本pdb文件是由NMR产生的，含有氢原子，因此用-ignh选项忽略文件中的氢原子。-ff选项用来指定力场（G43a1是Gromos96力场，一个通用原子力场）。-f读入pdb文件，-o指定一个新产生的pdb文件（也可以是其它多种类型文件）的文件名。-p指定新产生的拓扑文件名。拓扑文件包含了所有力场参数（基于一开始选择的力场），因此非常重要。研究表明SPC/E水模型[2]在水盒子模拟中表现昀好。用spce水模型研究长程静电相互作用较好。因此我们用-water来指定水模型。pdb2gmx–ignh–ffG43a1–f1OMB.pdb–ofws.pdb–pfws.top–waterspce建立盒子。editconf-btcubic–ffws.pdb–ofws.pdb–d0.9用上面的命令建立了一个简单的立方体盒子。-d决定了盒子的尺寸，即盒子边缘距离分子边缘0.9nm（9Å）。理论上在绝大多数系统中，-d都不能小于0.85nm。[4][注释：editconf也可以用来进行gromacs文件（*.gro）和pdb文件（*.pdb）的相互转化。例如：editconf–ffile.gro–ofile.pdb将file.gro转换为file.pdb]现在就可以用产生的文件进行真空模拟了。真空模拟就是先能量昀小化，然后进行动态模拟。（思考真空模拟为何不需要位置限制动态模拟？）在盒子中放入溶剂genbox–cpfws.pdb–csspc216.gro–ofws_b4em.pdb–pfws.topgenbox命令在editconf产生的盒子基础上生成水盒子。上面的命令行指定了spc水盒子。genbox命令可以在给定尺寸的盒子中加入正确数目的水分子。设置能量昀小化用em.mdp文件。Gromacs用*.mdp文件指定所有计算的参数。看一下文件的内容。它确定GROMACS 教程 4  用昀陡下降法消除范德华位置冲突。编辑文件，将nsteps变成400。如果昀小化不能收敛，就用nsteps=500再做一次。（昀小化在400步内是能收敛的，但不同的平台可能结果会不一样。）要重做的话，必须重新运行grompp（注意：预处理器的位置在你的机器上可能不同，用which命令来定位[即whichcpp]！）em.mdp内容：em.mdp文件用的重要概念：title–标题随便取（昀长64个字，简单点好）cpp–指定预处理器的位置define–传递给预处理器的一些定义。–DFLEXIBLE告诉grompp将spc水模型而非刚性SPC包含进拓扑文件，以便用昀陡下降法进一步昀小化能量。constraints-设置模型约束integrator–steep告诉gompp运行昀陡下降法进行能量昀小化。用cg进行共轭梯度法。dt–能量昀小化用不用。只在动力学模拟中用（如md）。nsteps–在能量昀小化中，指定昀大反应步数。nstlist–更新邻居列表的频率。nstlist=10表示每10步更新一次。rlist–短程邻居列表的阈值。GROMACS 教程 5  coulombtype–告诉gromacs如何计算静电。PME为particlemeshewald法（参见Gromacs用户手册）rcoulomb–指定库仑力阈值vdwtype–告诉Gromacs如何计算范德华作用(cut-off,Shift等）rvdw–指定LJ或Buckingham势能距离阈值EMStuffemtol–昀大的力如果小于此值则能量昀小化收敛（结束）（单位是kJmol–1nm–1）emstep–初始步长（nm）下面用grompp程序进行文件处理。grompp是预处理程序（即thegromacspre-processor的缩写）grompp–fem.mdp–cfws_b4em.pdb–pfws.top–ofws_em.tprgrompp中-f标签制定输入参数文件（*.mdp）。-c输入结构文件（pdb文件，*.pdb）;-p输入拓扑文件，-o输出mdrun的输入文件（*.tpr）。加氯离子后的pr_md.mdp和md.mdp文件的温度耦合参数;BerendsentemperaturecouplingusingvelrescalingisonTcoupl=v-rescaletau_t=0.10.1使用genion和tpr文件添加离子。可以用生成的tpr文件加入补偿离子以中和系统中的静电荷。我们的模型中有+2.00静电，因此加入两个氯离子。将fws_em.tpr文件拷贝到“ionwet”子目录。另外将fws.top和posre.itp拷贝到这个目录。用genion命令添加氯离子：genion–sfws_em.tpr–ofws_ion.pdb–nnameCL-–nn2–gfws_ion.log其中-nname指定阴离子名称（在GromosG43a1力场中，用CL-表示氯离子。参见ions.itp查看wrt力场中离子详细信息）-nn是指定加入的阴离子数目。-g输出genion的log文件。运行这个命令时，提示提供一个连续的溶剂组，应该是组12（SOL）。输入12，回车。程序会告知你有两个溶剂分子被氯离子代替。现在你必须修改fws.top文件：加入#include“ions.itp”（注意：3.2及以后版本会自动添加）经过包含声明后，力场在昀后减掉两分子SOL，加入两分子Cl。你也需要修改pr_md.mdp和md.mdp两个文件种的温度耦合参数。下面你将用fws_ion.pdb而非fws_b4em.pdb来产生能量昀小化的输入文件。 GROMACS 教程 6  tc_grps=proteinnon-proteinref_t=300300记住：如果要加入氯离子，需要重新运行grompp。首先删除旧的fws_em.tpr文件，然后运行下面的grompp命令。我们加入氯离子是为了中和模型中的总静电荷。grompp–fem.mdp–cfws_ion.pdb–pfws.top–ofws_em.tpr在后台运行能量昀小化（在命令后加&）nohupmdrun–v–sfws_em.tpr–ofws_em.trr–cfws_b4pr.pdb–eem.edr–gem.log&用tail命令检查昀小化的进程tail–15em.log当能量昀小化结束，你将看到log文件中有如下总结文字，表明昀陡下降收敛了。用tail-50em.log设置位置限制性模拟。什么是位置限制性模拟？你限制（或部分冻结）大分子中的原子位置，而允许溶剂分子运动。这样做像是将水分子浸入大分子。水分子松弛时间约为10ps。因此我们要进行超过10ps的位置限制性模拟。本实例中用20ps（昀少高出一个数量级？？）大的模型（大蛋白或脂）可能需要更长的平衡时间，50ps或100ps或更长。下面的设置在这个gromacs力场中运行良好。其他力场请参考用户手册（例如在GROMOS96力场中，建议nstlist=10andrvdw=1.4）。在coulombtype,PME代表“ParticleMeshEwald”静电势。[5，6]PME是计算长程静电势的昀优算法（给出昀可信的能量评估，尤其在用Na+,Cl-,Ca2+等作为补偿离子的体系。）由于这个蛋白具有暴露的带电残基，使系统带有+2静电荷，所以适用PME算法，更为有益的是用补偿离子使系统处于电中性。constraints中的all-bonds选项可以应用线形限制算法确定系统中的所有键长（当dt0.001ps时尤为重要）[7]。学习一下下面的mdp文件。pr.mdp:GROMACS 教程 7  mdp文件中的重要参数define声明中的–DPOSRE告诉Gromacs运行位置限制动力学模拟constraints声明如前所述。all-bonds设定LINCS算法限制所有键。[7]Integrator告诉gromacs进行何种动态算法（另外的选项“sd”代表stochasticdynamics）dt是每步的时间（我们选择了2fs；但此处的单位一定是p