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1、AMBER分子动力学简例AMBER 分子动力学简例（一）概述以下是使用 AMBER 包的简单教程，希望对开始学习分子动力学的同学有用处。申明一下，以下教程原版来自网上，是最最基本的教程，同时也非常实用，有非常好的借鉴意义。AMBER 分子动力学程序包是加州圣弗兰西斯科大学（ University of California San Francisco,UCSF)的 Peter A Kollman 和其同事编的，程序很全，现在已经发展到版本 9.0。AMBER 功能涵盖种类非常多的生物分子，包括蛋白、核算以及药物小分子。软件详细情况请浏览http:/amber.scripps.edu.以下是 A
2、MBER 软件包中四个主要的大程序：Leap：用于准备分子系统坐标和参数文件，有两个程序：xleap：Xwindows 版本的 leap，带 GUI 图形界面。tleap：文本界面的 Leap。Antechamber：用于生成少见小分子力学参数文件的。有的时候一些小分子 Leap 程序不认识，需要加载其力学参数，这些力学参数文件就要antechamber 生成。Sander：MD 数据产生程序，即 MD 模拟程序，被称做 AMBER 的大脑程序。Ptraj： MD 模拟轨迹分析程序。学习项目本教程研究的题目是脑下垂体荷尔蒙之一的 oxytocin，需要 X 光衍射晶体结构文件 1NPO.PDB
3、。该文件包含了该荷尔蒙和其运载蛋白的复合物，可以从蛋白数据库下载。PDB 文件是不包含氢原子的，Leap 程序会自动的加上 PDB 文件缺少的东西。当第一次使用 PDB 文件的时候，要十分留意文件包含的信息，所以 PDB 文件缺少的残疾、侧链或者添加的变异都在这个地方记录。可以用文本阅读程序阅读 PDB 文件头部的信息，即以 REMARKS 开头的信息文本行。PDB 一个重要的信息是 SSBOND 记录，该记录说明结构中二硫键的位置，这样的信息在使用 Leap 程序建立分子结构的时候需要。在本教程中，我们将比较 oxytocin 在真空和溶液中分子动力学的差异，如果没有二硫键，将影响整个结果。
4、整个过程在 Linux 系统下完成，如对 Linux 不熟悉，请翻阅有关 Linux 书籍。建立项目目录，并进入该目录：mkdirmyprojcd myproj下载 1NPO.PDB 文件到该目录下，使用文本阅读器阅读该 PDB 文件。从在文件的开头部分可以得到该文件是一个二聚物的 PDB 文件，删除文件中 A、 C、和 D 链对应的文本行，剩下的就是 oxytocin 的晶体机构了，保存为 oxyt.pdb 文件。使用 Swiss PDB viewer 分析以下 oxyt.pdb 文件，可以得知该 pdb 文件缺少了一个侧链。如果使用 Deep View，它会自动给文件加上侧链。重新保存 p
5、db 文件为 oxyt.pdb 文件。xleap 和 tleap 程序功能是一样的，都是准备分子结构的坐标文件和拓扑文件。xleap 启动一个 X 界面，比较慢。tleap 纯文本，要快一些，我们选择 tleap：tleap-s-fleaprc.ff03其中 leaprc.ff03 是 AMBER 的 2003 力场文件。力场是一个很重要的文件，定义了分子、原子和残疾等的信息，请查阅有关资料。oxy=loadpdb oxyt.pdb该命令读入 oxyt.pdb 文件到 oxy 变量中。bondoxy.1.SG oxy.6.SG连接 oxy 变量的第一和第六个残疾的 SG 原子，即是连接二硫键。
6、可以使用 check 命令检查 oxy 是否完好，没有特殊情况的话，最后应该是“OK”，表示分子系统状态是好的，可以保存。check oxy接下来就是保存分子系统了：saveamberparmoxyoxy_vac.topoxy_vac.crd其中 oxy_vac.top 和 oxy_vac.crd 分别是分子系统真空状态下的拓扑和坐标文件。接下来要给分子系统添加水环境，solvateoctoxyTIP3PBOX9.0 该命令让 Leap 程序使用 TIP3PBOX 水模型,水环境距离分子为 9 纳米。也可以用 solvatebox 命令，但是 solvatebox 添加的水环境是一个立方体，不
7、是八面体。一般要求水表面到蛋白距离要达到 8.5 纳米，避免MD 过程中蛋白冲出水环境，但是水环境越大计算时间将越长。如果MD 过程内含 PME，那么水箱长度要大于 2 倍截矩（cutoff） ，截矩在MD 配置文件中定义。加溶剂之后，要计算系统是否为电中性，使用命令：charge oxy如果现实不是电中性，要使用 addions 添加反性电荷，如 Cl或者Na等。最后保存溶剂环境的系统拓扑结构和坐标文件，并退出 Leap 程序：saveamberparmoxyoxy.topoxy.crdquit也可以把命令集中到一个，让 tleap 读取。如将上面的命令集中到以下文件中oxy.leaprc-
8、sourceleaprc.ff03oxy=loadpdb oxyt.pdbbond oxy.1.SGoxy.6.SGcheck oxysaveamberparm oxy oxy_vac.top oxy_vac.crdsolvateoct oxy saveamberparm oxy oxy.top oxy.crdquit 将以上两横线之间的命令保存为oxy.leaprc，然后使用以下命令一步搞定：tleap-s-foxy.leaprc到此，分子系统准备已经完成，目录中会多了一个 leap.log 文件，这是Leap 程序的记录文件，它包含了 leap 程序所做的一切，包括自动的和手动命令。现在已
9、经有了可以进行分子动力学的基本文件了，再编写 sander 的控制文件，就可以进行模拟了。这些将在后文中介绍。 AMBER 分子动力学简例（二）分子动力学（1）真空模式真空模式分子动力学模拟将使用 NVT 系宗分两步进行，即系统能量最优化和分子动力学过程。1、系统能量最优化。我们将使用淬火能量最优化解除系统内原子之间的不正常相互作用，这些原子之间的高能量相互作用如果不消除，可能影响后续的分子动力学过程。因为动力学过程是能量梯度变化的，太高的能量壁垒可能让 MD 局限在某一个能量局部最小化位置中。Sander 程序是分子动力学模拟程序，它的主要功能是能量最优化，动力学模拟和 NMR 优化计算。我
10、们必须给 Sander 一个运行的配置文件，使其按照我们的要求进行计算。能量最优化的配置文件如下：min_vac.inoxytocin: initial minimization prior to MD&cntrlimin = 1,maxcyc = 500,ncyc = 250,ntb = 0,igb = 0,cut = 12/-Sander 程序的基本命令参数如下：sander O i in o out p prmtop c inpcrd r restrt -ref refc x mdcrd v mdvel e mden inf mdinfo所以我们的命令可以如下：sander O i mi
11、n_vac.in o min_vac.out p oxy_vac.top c oxy_vac.crd r oxy_vacmin.rst &可以使用 more 命令或者 tail 命令查看 min_vac.out 的输出内容，那是能量最优化的记录。2、分子动力学模拟。Sander 程序的配置文件为：md_vac.inoxytocin MD in-vacuo, 12 angstrom cut off, 250 ps&cntrlimin = 0, ntb = 0,igb = 0, ntpr = 100, ntwx = 500,ntt = 3, gamma_ln = 1.0,tempi = 300.0
12、, temp0 = 300.0,nstlim = 125000, dt = 0.002,cut = 12.0/-命令为：sander O i md_vac.in o md_vac.out p oxy_vac.top c oxy_vacmin.rst r oxy_vacmd.rst x oxy_vacmd.mdcrd ref oxy_vacmin.rst inf mdvac.info &MD 的计算过程一般比较久，真空相对与溶剂中要快以下，250ps 的模拟大概在一个主频为 2。0GHz 的 Linux 单机上运行 5 分钟。以上配置文件中用到很多参数，这些参数这是 sander 程序参数的一小
13、部分，以下将相应解释。如果要了解 sander 的其他参数，请阅读AMBER 用户指南。&ctrl 和/：sander 的参数一般要求出现在这两个标识符号之间，参数以及这两个标识符被称做控制模块。cutoff：以纳米为单位的截矩。即超出截矩范围的非键连接相互作用将不计。ntr：原子位置能量抑制位，1 表示抑制，0 表示不抑制。imin：能量最优化标志位。1 表示 sander 将进行能量最优化，0 表示让 sander 进行分子动力学模拟。macyc：能量最优化次数。ncyc：便是经过多少次能量优化以后，能量优化从淬火过程变为梯度变化过程。ntmin：能量优化方法标志位。0 表示前 10 个能
14、量最优化为淬火过程，然后进行梯度能量优化；1 表示 ncyc 次淬火过程，然后进行梯度能量优化，为默认值；2 表示只进行淬火过程。dx0：表示启动模拟步长。dxm：最大优化步数。drms：梯度能量优化标准，默认值为 1.0E-4 kcal/mol.A。更多参数将在后文中解释。 AMBER 分子动力学简例（三）分子动力学（2） 水环境中的分子动力学模拟溶剂环境中的分子动力学模拟分为以下四步进行：1、溶剂环境能量最优化。这一步保持溶质（蛋白）不变，去除溶剂中能量不正常的范德华相 互作用。2、整系统能量最优化。去除整个系统中能量不正常的相互作用。3、有限制的分子动力学。保持蛋白质不动，溶解溶剂的不同
15、层，同时逐渐将系统温度从 0K 提升到 300K。4、整系统分子动力学模拟。在一个大气压，300K 的环境下整个系统分子动力学模拟。可以得到成果的分子动力学模拟。#1、溶剂环境能量最优化。该步骤的配置文件 min1.in 如下：-oxytocin: initial minimisation solvent + ions&cntrlimin = 1,maxcyc = 1000,ncyc = 500,ntb = 1,ntr = 1,cut = 10/Hold the protein fixed500.0RES 1 9ENDEND 该过程保持肽链不动，其中 500.0 单位是 kcal/mol，表示作用在肽链上使其不动的力。 “RES 1 9”
