分子动力学教程分子动力学模拟Amb

用途

使用Amber20程序执行有机生物体系的常规平衡态分子动力学模拟,可采用显式溶剂模型和隐式溶剂模型(GB模型)。

预备知识

Ambermask

Ambermask是Amber所用的选择原子或残基的记号,常用于能量最小化或分子动力学中约束原子或残基。

Ambermask表达式用法如下:

以英文冒号:开始,后接残基编号或名称来指定残基。数字可用逗号分隔,也可用短横线指定范围,名称只能用逗号分隔。:1-10表示残基1到10:1,3,5表示残基1、3和5:1-3,5,7-9表示残基1到3、5和7到9:LYS表示所有赖氨酸残基:ARG,ALA,GLY表示所有精氨酸、丙氨酸和甘氨酸

开始,后接原子序号或名称来指定原子,使用原则与残基一致。

12,54-85,90表示原子12、54到85和90

CA,C,N表示所有名为CA、C和N的原子(即蛋白骨架)

通配符用等号=表示(而非星号*,因为*在Amber的原子命名里有特殊含义)。

H=表示所有氢原子

逻辑组合:与、或

、非!。必要时,用圆括号把不同表达式分隔开。:1-!

H=表示残基1到中所有重原子(非氢原子):1-

CA,C,N等价于:1-

CA,C,N,表示残基1到中的骨架原子(CA、C、N)(:1-

CA,C,N)

(:!

H=)表示残基1到中的骨架原子和残基的重原子组成的集合

系综(ensemble)

在一定的宏观条件下,大量性质和结构完全相同的、处于各种运动状态的、各自独立的系统的集合,称为统计系综。

根据宏观约束条件,系综可分为:

微正则系综(micro-canonicalensemble,NVE)具有确定的粒子数(N)、体积(V)和总能量(E)。平衡体系为孤立系统,与外界既无能量交换,也无粒子交换。通过调整原子的速度来调整能量,但有可能使系统失去平衡,可通过迭代弛豫来达到平衡。正则系综(canonicalensemble,NVT)全称宏观正则系综,具有确定的粒子数(N)、体积(V)和温度(T)。平衡体系为封闭系统,与大热源热接触平衡的恒温系统。通过调整原子的速度来保持系统动能恒定。等温等压(constant-pressure,constant-temperature,NPT)具有确定的粒子数(N)、压强(P)和温度(T)。通过调整系统的体积来保持压强恒定。等压等焓(constant-pressure,constant-enthalpy,NPH)具有确定的粒子数(N)、压强(P)和焓(H)。由于,在该系综下模拟需要保持压力和焓值固定,其调节技术实现起来有一定难度,在分子动力学模拟中并不常见(但LAMMPS支持)。巨正则系综(grandcanonicalensemble,VT)具有确定的体积(N)、温度(P)和化学势()。体系是开放系统,与大热源大粒子源热接触平衡而具有恒定的温度。那在动力学模拟中如何选择系综?

本方案仅提供NVT和NPT两种系综,下面只谈论它们的使用。

常规体系的模拟是在等温等压(NPT)或等温等体积(NVT)条件下进行的。NPT是最接近常规生物实验条件的,但NPT的计算性能不如NVT,因此,NVT更有利于长时间模拟。另外,NPT会改变原胞的形状(调整体积以使压强恒定),因此,适用于形状变化较大的情况(如,打开又折叠的蛋白体系),而形状变化不大的,使用NVT更为合适。

由于大多数情况是体系形状不会有太大改变的,因此,常规思路是:先在NPT系综下进行预平衡,让体系弛豫到稳态,然后再转到NVT系综进行长时间动力学采样。

对于发生构象折叠的蛋白体系,可采用这样的思路:先在NPT系综下进行预平衡,让体系达到预期条件,然后再转到NVT系综进行长时间动力学采样。

下面列举一些特殊体系的处理方法:

两相体系在构建系统构型前,需要对两相分别进行平衡处理,再组成新的结构。一种做法是:在NVT系综下限制固相位置,让液体充分适应固相位置。然后放开限制,转到NPT系综下进行预平衡。不同分子的尺寸相差较大例如,蛋白质在溶液中的模拟,可先在NVT系综下限制蛋白的位置,让溶液弛豫以适应蛋白的位置,然后放开限制,转到NPT系综下进行预平衡。平衡时间长的体系例如,离子液体。该类体系所需平衡时间较长,可考虑在NVT下高温跑一段时间,使体系空间分布变得均匀,然后退火到目标温度,再转到NPT系综下进行预平衡。恒温器(thermostat)

在分子模拟中,一般需要通过恒温器使系统温度维持在给定值附近。系统温度和粒子的速度直接相关,通过调整粒子的速度可使系统温度维持在目标值。下面列举常用的恒温器:

速度标度(scalingvelocities)类方法这类方法不严格遵循正则系综,虽然在实践中,表现出来的偏离程度不是很大。因此,适用于加热阶段,理论上不太建议用于平衡采样,实际上看情况使用(使用Berendsen的文献仍在增长)。简单速度标度(Simplevelocityscaling)方法简单,但速度不按照波尔兹曼分布,无法对应任何一个统计力学的系综。容易引起系统能量突变,使系统和真实的平衡态相距甚远。一般不采用。Berendsen热浴和Bussi热浴弱耦合热浴。基本思想是将系统和一个恒温的外部热浴耦合,通过热浴吸收或释放能量来调节系统的温度。在系统远离平衡态时,对温度的调节效率较高,但动能不严格遵循波尔兹曼分布,可能产生“飞冰块现象”(FlyingIceCubeEffect)。因此,它适用于加热阶段,不适用于预平衡阶段。但当体系已经充分平衡,需要校正的程度很小,同时使用较弱的耦合常数(比如,10ps),使总能量震荡较小,可用于生产(采样)阶段。Bussi热浴是Berendsen热浴的随机版,它根据正则分布随机调整温度。另外,Berendsen热浴不适合用于隐式溶剂模拟,因为无法通过与溶剂的碰撞来帮助维持恒温。FlyingIceCubeEffect:当分子振动越来越弱,而平动或转动越来越强的时候,分子像冻僵的方块飞来飞去的现象。造成这一现象的原因是这类热浴算法使分子的振动能被“砍掉”(标度)得多、补充得少,逐渐“冻僵”,而平动能和转动能受影响较小。

随机力或随机速度这类方法的优点是能够从正则系综中正确采样,可以放心使用比NVE更长的时步。缺点是因引入了随机性而变得非确定性、非时间反演,破坏了动量传递,无法用于考察系统的动力学性质(如扩散系数)。Langevin热浴和Andersen热浴这两种方法的速度和精确度中等。两者采用虚拟随机碰撞的方式来调节速度,干扰了系统的正常演化,削弱了粒子间的速度相关性。但严格遵循正则系综,不影响各态遍历性(ergodicity)。因此,不适合计算动力学性质,可计算热力学性质(如,结合自由能)。在隐式溶剂环境下,Langevin热浴正好通过虚拟碰撞补回粘性效应,因此适合使用。扩展拉格朗日方法这类方法克服了上述方法的缺点,可时间反演。代表方法是Nosé-Hoover热浴。Nosé-Hoover热浴该算法较为复杂,计算速度较慢。在系统远离平衡态时,温度振荡较大,不易收敛,不宜用于加热阶段。但它严格产生正则系综热力学,并近似获得真实的动力学,最适合用于平衡采样。值得一提的是,Nosé-Hoover热浴在特定体系中会表现出病态行为,近年来发展了一些改进方法,例如:OptimizedIsokineticNose-Hooverchain(OIN)和StochasticIsokineticNose-HooverRESPAintegrator(详见Amber20的手册第页及相关文献)。Amber支持上述斜体标示的恒温器。

恒压器(barostat)

在NPT系综里,需要采用恒压器调控体系压力。常用的技术有:

Berendsen方法在系统远离平衡态时,该方法对压力的调节效率较高,适用于最初的压力弛豫,但它不按照正则分布来采样,一般不适用于平衡采样。Nosé-Hoover方法和Parrinello-Rahman方法与Berendsen方法相反,适用于平衡态控压。蒙特卡洛(MonteCarlo,MC)方法方法简单,但效率相对较低。该方法适用于采样阶段。Amber支持上述斜体标示的恒压器。

参数配置举例

分子动力学模拟是一项艺术。根据不同目的、针对不同情况,不同人有不同做法。但只要设置合理、达到目的,即为成功的模拟。下面列举一些例子以供参考:

研究生物大分子与小分子结合模式,计算结合自由能(热力学性质)

研究蛋白折叠运动(动力学性质)

研究水溶液中有机小分子聚集行为,计算回转半径、径向分布函数等

隐式溶剂环境(GB模型)中研究DNA-小分子的相互作用

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