NAMD入门教程

预定目录1.分子动力学模拟概论1.1分子动力学模拟的发展1.2分子动力学模拟的基本原理1.3分子动力学模拟相关软件2.分子动力学入门2.1基本设置2.2生成蛋白质结构文件（PSF）2.3蛋白质的溶质化2.4球状水体中泛素（Ubiquitin）的分子动力学模拟2.5立方水体中泛素（Ubiquitin）的分子动力学模拟2.6简单的结果分析3.分析方法3.1平衡态分子动力学模拟分析3.1.1每个残基的RMSD值3.1.2麦克斯韦-波尔兹曼（Maxwell-Boltzmann）能量分布3.1.3能量分析3.1.4温度分布3.1.5比热分析3.2非平衡态分子动力学模拟分析3.2.1热扩散3.2.2温度回音4人工操纵的分子动力学模拟（SMD）4.1除去水分子4.2恒速拉伸4.3恒力拉伸4.4结果分析1.分子动力学模拟概论分子动力学模拟（MolecularDynamicsSimulation）是指利用计算机软件，根据牛顿力学的基本原理，模拟大分子的相互作用和运动变化的研究方法。生命科学的研究往往离不开各种仪器，试管和活的有机体，通过实验手段研究生命现象背后的规律。那么，为什么我们要将生命大分子抽象成二进制数据，由计算机软件模拟其行为呢？首先，从理论基础上讲，我们能够使用计算机模拟生物大分子的行为。生物体系非常复杂，但生物大分子如蛋白质，脂肪，多糖等也是许多原子由化学键连接起来形成的，所有原子的运动规律都符合量子力学方程，在较大尺度上也近似符合牛顿力学方程，它的行为是要受物理学基本规律支配的。因此我们可以将利用纯数学的手段，近似模拟生物大分子的行为.其次，从研究需要上讲，我们不仅希望从宏观上研究生命大分子溶液体系的行为，还想直接研究单个生物大分子在原子尺度上的行为，而这是目前的实验仪器难以达到的。比如，我们希望直接研究蛋白质从伸展的肽链折叠成球形的具体过程，使用仪器手段只能收集到间接的数据，但使用软件模拟则可以形象直观的模拟出整个折叠过程，可以具体求算每个键能、键角的变化，研究某几个氨基酸残基之间的相互作用，以及对蛋白质折叠的意义。总之，目前的生物学研究需要我们利用计算机模拟生物大分子的行为，以弥补实验手段的限制，希望能自下而上地阐明生物大分子结构和功能的关系。昀后，从实际意义上讲，分子动力学模拟可以用来指导实验，提供思路和理论依据；分子动力学模拟所得结果的正确性也需要回到实验验证。这样，我们可以将分子动力学模拟和实验研究结合成一个整体，从而能够全面地，深入地研究生命现象的本质规律。1.1分子动力学模拟的发展*暂缺相关文献1.2分子动力学模拟的基本原理*暂缺相关文献1.3分子动力学模拟相关软件随着分子动力学模拟技术的飞速发展，逐步形成了一些商品化的软件。应用于生物大分子领域的商品化分子模拟软件主要有InsightⅡ以及Sybyl，分子模拟是其中的一个重要的模块。InsightⅡ中分子动力学模块使用的是由美国哈佛大学MartinKarplus研究小组等开发的CHARMM（ChemistryatHarvardMacromolecularMechanics），同时它本身也是一个商品化的软件。而Amber（AssistedModelBuildingwithEnergyRefinement）则是另一个非常有名分子动力学模拟软件，它是由美国UCSF的Kollman教授的课题组开发的，商业化程度和易用性要好于CHARMM，当前版本9.0。以上两个研究小组都为其软件开发了相应的力场，并且现在已经成为分子动力学模拟的经典力场。此外免费和部分免费的软件有NAMD，Gromos，Gromacs，DL_POLY，Tinker等。在上述软件中，我们选择NAMD作为本章的示范软件。NAMD是由美国伊利诺斯大学理论与计算生物物理研究组开发的一套分子动力学模拟软件，适用于计算生物大分子，并行计算效率非常高，可以使用Amber，CHARMM，X-PLOR，GROMACS，OPLS等多种力场，而且可以兼容Amber，CHARMM的文件格式。NAMD支持几乎所有操作系统，而且免费获取，开放源代码。如配合分子可视化、结果分析软件VMD以及格点计算软件BioCoRE则可使用更多、更强大的功能，进行更大规模的计算，可以说集众多优势于一身。不仅如此，利用NAMD还可以进行极具特色的IMD（InteractiveMolecularDynamics，交互式分子动力学模拟）和SMD（SteeredMolecularDynamics，可控式分子动力学模拟）。在本教程中，我们将首先讲解使用NAMD进行分子动力学模拟的基本流程，然后讲解经典的结果分析方法，昀后我们将简单介绍SMD的基本思想和过程。2.NAMD分子动力学入门2.1软件基本设置NAMD的昀新版本是2.6版，可以从免费得到（需要进行免费注册）。此外，我们还需要VMD作为分子可视化和辅助分析软件，可以从免费得到，昀新版本是VMD1.85。NAMD安装方法：事实上NAMD是不需要安装的。请新建文件夹namd-tutorial,在该目录中新建文件夹NAMD，下载完成NAMD2.6软件包后，将压缩文件解压到文件夹NAMD中，就可以使用。下文中为了叙述方便，我们将默认读者的NAMD主程序位于../namd-tutorial/NAMD目录中（安装VMD程序时可以安装到任意目录，不影响教程操作）。此外，本教程还需要一系列教程文件。所需文件均可以从下载（图）下载完成教程所用文件后，请把所有内容解压到namd-tutorial目录下，此后的部分我们将默认教程所用文件位于../namd-tutorial目录中。完成上述准备之后，请打开Windows资源管理器，namd-tutorial目录的结构应该如下：（如果目录形式不一致，请务必进行调整）该文件夹中有我们进行动力学模拟所需的所有文件。昀后，还需要交代的是，NAMD不同于我们所熟悉的大多数Windows软件：它不具有图形界面。打个比方说，我们平常使用Word，Excel，Photoshop等有图形界面的软件，好像是面对面聊天；而现在使用不具有图形界面的NAMD就像是书信往来：动力学模拟的所有参数设定都需要用户通过一个文本文件通知NAMD，NAMD进行处理计算，然后再通过许多输出文件输出结果。不借助其他软件，用户无法直接看到NAMD的工作状态。由于进行动力学模拟的准备和结果的可视化分析，必不可少的软件是VMD，下面的讲解中也将大量用到VMD。我们假定读者已经对VMD的基本操作有一定的了解。VMD的入门教程可参见本章附录。下面，我们将使用NAMD进行简单的分子动力学模拟，并进行初步的分析。我们将要进行动力学模拟的分子是一个76个氨基酸的小肽：泛素。知识连接：泛素——“死亡之吻”泛素是一个由76个氨基酸组成的高度保守的多肽链,因其广泛分布于各类细胞而得名。泛素共价地结合于底物蛋白质的赖氨酸残基，被泛素标记的蛋白质将被特异性地识别，并在蛋白酶体中迅速降解。泛素因此得名——“死亡之吻”。因为被其标记的蛋白都摆脱不了被降解的厄运。随着研究的进一步深入，蛋白质降解过程中泛素的枢纽作用越来越得到重视。蛋白质降解异常与许多疾病（恶性肿瘤,神经退行性疾患等）的发生密切相关。而泛素在蛋白质降解中的作用机制如能被阐明，将对解释多种疾病的发生机制和有重要意义。Hershko、Ciechanover、Rose三名杰出科学家在泛素标记的蛋白质降解方面做出了突出贡献，他们荣获2004年度诺贝尔化学奖。使用NAMD进行分子动力学模拟之前，我们需要为NAMD准备好各种必须的数据文件，以供NAMD使用。这些文件包括：♦蛋白质分子的PDB文件。该文件负责储存蛋白质中所有原子的坐标。在后续课程中我们还会了解到，PDB文件还可以储存原子运动的速度等信息。♦蛋白质分子的PSF文件。该文件负责储存蛋白质的结构信息。注意PDB文件只记录原子的空间位置，并不储存蛋白质中原子之间的成键情况。成键情况由PSF文件负责记录。♦力场参数文件(forcefieldfile)。力场参数文件是分子动力学模拟的核心，文件中的数学方程决定了原子在力场中的受力如何计算。常用的四种力场是CHAEMM,X-PLOR,AMBER和GROMACS。NAMD可以使用以上任何一种力场进行分子动力学模拟。♦配置文件（configurationfile）配置文件的目的是告知NAMD分子动力学模拟的各种参数，比如PDB文件和PSF文件的储存位置，结果应当储存在哪里，体系的温度等等上述四种文件中，PDB文件通常是从蛋白质结构数据库（ProteinDataBank）中获得。力场参数文件也可以从网上下载，而PSF文件和用户配置文件是用户根据具体要求自己生成的。下面我们将首先制作蛋白质结构文件（PSF）。2.2生成蛋白质结构文件（PSF）1、单击开始菜单→程序→VMD，打开VMD窗口2、在VMD主窗口中，单击File→NewMolecule打开MoleculeFileBrowser对话框；单击Browse…按钮，在弹出的文件浏览中找到namd-tutorial/1-1-build文件夹，在此文件夹中选择1UBQ.pdb，单击Load按钮载入1UBQ.pdb。提示：关于文件后缀名如果浏览文件时看不到“.psf”“.pdb”等后缀名，可以在“我的电脑”中选择“工具”→“文件夹选项”，在“查看”选项卡中取消“隐藏已知文件类型的扩展名”。强烈推荐读者取消这一项，因为这还涉及到下文中的许多操作。载入之后在图形窗口（VMD1.8.5.OpenGLDisplay）中应当可以看到下图（图）：可以看到，所有的氧原子用红色表示，碳原子以天蓝色表示（碳原子所连的键也是天蓝色，所以整个蛋白骨架为天蓝色），硫原子以黄色表示。注意到没有出现氢原子，这是因为此结构是由X射线晶体衍射得来的，而X射线衍射一般得不到氢原子的精确位置。注意：蛋白周围的红点实际上是水分子，由于没有氢，所以仅显示出一个一个的氧原子。我们只需要蛋白质分子的结构，因此下面我们将首先除去pdb文件中带有的水分子。4、单击Extension→TKConsole菜单项，弹出VMDTkConsole窗口。首先用cd命令改变当前目录到namd-tutorial/1-1-build下。然后输入下列命令：setubq[atomselecttopprotein]$ubqwritepdbubqp.pdb(每输入一行命令后按回车键，下同。另外，尤其要注意空格的有无和空格的位置，否则空格位置不对可能造成命令执行错误)提示：VMDTKConsole（VMD控制台）中改变当前目录的方法在Windows命令行模式中和VMDTKConsole中都是用cd命令改换当前目录的。但是注意二者的使用方法不同。这里简单说明VMDTKConsole中改变当前目录的方法，Windows命令行改变目录的方法将在后面说明。在VMDTKConsole中，改变目录的命令十分简单。无论是改变到哪一个目录，只需要输入：cd目标目录比如本例中，假设需要改变目录到E:/namd-tutorial/1-1-build，无论当前目录是什么，只需要在VMDTKConsole中输入以下命令即可：cde:/namd-tutorial/1-1build输入以上命令之后，VMD已经在1-1-build目录下生成了文件ubqp.pdb。这一PDB文件仅包含泛素蛋白，不含水分子。5、在VMD主窗口中单击1UBQ.pdb，选择Molecule→DeleteMolecule菜单项删除当前分子。6、下面我们将生成泛素蛋白的psf文件。注意：VMD组件中实际上提供了一个全自动的psf文件生成器(选择Extensions→Modeling→AutomaticPSFBuilder菜单项)。但我们将人工制作所需