Gromacs介绍ppt课件.pptx

Gromacs介绍,主要内容：,Gromacs简介Gromacs原理Gromacs运算步骤Gromacs结果分析,1,GROMACS,FastFlexibleFree,2,LysozymeinWater,RMSD,3,什么是分子模拟,分子模拟是在分子模型的基础上用计算机做实验，“计算机实验”通过模拟微观粒子的运动来计算宏观性质,温度压力黏度传递性质表面张力,分子间的作用模型,牛顿力学量子力学统计力学等,4,分子模拟的双重性质,分子模拟具有理论和实验的双重性质,分子模拟不能完全取代实验,理论,实验,模拟,理论的正确性,模拟参数的正确性,模拟方法的选择理论的更新,5,模拟分子在特定环境下一定时间内的构象能量变化趋势；分子动力学模拟是根据分子力学性质建立的适用于生化体系，聚合物，金属或非金属材料的力场和牛顿的运动力学原理发展出来的计算方法；分子力场(forcefield)中的各项参数，包括键长，键角，电荷分布等都可以通过量子化学计算得到；与量化计算相比，分子力学在速度方面具有明显的优势；最早出现在上世纪70年代；,分子动力学模拟的基本原理,6,势能模型,分子动力学对势能函数的依赖性：所有从分子动力学计算出来得到的宏观性质最终都取决于势能模型,分子动力学的核心：牛顿运动方程,势能（位能）模型：,i=1,2,3,N,7,简单分子的势能模型,r,U,r,例：甲烷，某些惰性气体,质点处理,U,r,方阱模型,U,r,阶梯模型,8,复杂分子的势能模型,键的振动,键角,扭矩,分子内部各原子（基团）之间的范德华力、静电力一般要计算1-4（相隔超过两个键的原子或基团对）,1,5,4,3,2,9,复杂分子的势能模型,q,q,q,分子之间的范德华力,分子之间的静电力,10,例子：丙烷,C,C,C,H,H,H,H,H,H,H,H,10根键长作用18个键角作用8个扭矩作用27个范德华力作用27个静电作用,11,分子动力学程序的一般步骤,初始化,能量优化,平衡,数据产出,避免局部分子重叠，并不是动力学模拟,根据所有分子的当前坐标计算个分子的受力（位能函数）根据受力更新分子的坐标在此过程中收集用来计算宏观性质的有关信息,读入模型参数，模拟控制参数,12,初始能量优化方法,去除某些可能存在的原子重叠去除某些严重扭曲的键长、键角、扭矩等方法最速下降法牛顿拉夫森方法其他一般优化几千到几万步,13,分子模拟的体系分类和方法,简单小型体系大型（复杂）体系和并行计算,14,简单小型体系,气体的模拟小分子体系，不需要复杂的势能模型几百到几千个分子，分子分布稀疏，大部分是短程作用一般用一台微机就可以处理，计算时间几分钟几小时简单的液体，不涉及太多的界面性质小分子体系，势能模型不是很复杂几百个分子，可能涉及到静电作用，可能需要长程校正用微机也可以处理，计算时间一般几小时几天,15,大型（复杂）体系和并行算法,必要性体系越来越大模拟时间越来越长解决办法制造更快的处理器并行计算机,例子：50000原子的生物体系，1ns模拟单个处理器：12天16个并行处理器：1天,或者,16,MPI,MessagePassingInterface90年代初制定和完善的一套并行语法支持Fortran,C,C+简单易学,17,几种常见的分子动力学软件,NAMDAMBERCHARMMTINKERLAMMPSDL-POLYGROMACS,18,NAMD,主要针对与生物和化学软材料体系优点程序设计水平高，计算效率高，号称可以有效并行到上千个处理器兼容多种输入和输出文件格式，有很好的分析辅助软件VMD有很好的维护服务不需安装免费缺点万一需要自己安装的话比较麻烦,/Research/namd/,19,AMBER,主要针对生物体系，也适当兼容一般化学分子优点有很好的内置势能模型自定义新模型和新分子很方便有很完善的维护网站缺点计算效率不高（收敛到16个处理器），运算速度慢$400,,20,CHARMM,主要针对生物体系，也包含部分化学体系优点势能模型更新很快自定义新模型比较方便维护服务很好缺点运算速度慢，计算效率低$600,/,21,TINKER,一般性分子动力学软件，对生物体系略有偏重优点支持多种模型免费缺点仍在开发中，某些方面还不完善,/tinker/,22,LAMMPS,一般性分子模拟软件优点兼容当前大多数的势能模型编程水平高，计算效率高（比NAMD差，强于其他所有类似软件）可以模拟软材料和固体物理系统免费缺点维护差,/sjplimp/lammps.html,23,DL-POLY,一般性分子模拟软件优点界面友好计算效率高（有两个版本供选择，适合于不同大小的体系）维护服务很好缺点兼容性不好100英镑,http:/www.cse.clrc.ac.uk/msi/software/DL_POLY/,24,GROMACS,主要针对生物体系，也适当照顾一般化学体系优点算法好，计算效率高界面友好维护服务好免费软件缺点兼容性不好,/,25,Gromacs力场,SelecttheForceField:From/usr/local/gromacs/share/gromacs/top:1:AMBER03forcefield(Duanetal.,J.Comp.Chem.24,1999-2012,2003)2:AMBER94forcefield(Cornelletal.,JACS117,5179-5197,1995)3:AMBER96forcefield(Kollmanetal.,Acc.Chem.Res.29,461-469,1996)4:AMBER99forcefield(Wangetal.,J.Comp.Chem.21,1049-1074,2000)5:AMBER99SBforcefield(Hornaketal.,Proteins65,712-725,2006)6:AMBER99SB-ILDNforcefield(Lindorff-Larsenetal.,Proteins78,1950-58,2010)7:AMBERGSforcefield(GarciaNamenrexcl包含的分子名称Protein_A3atoms每个原子的坐标、电荷、质量、类型信息;nrtyperesnrresidueatomcgnrchargemasstypeBchargeBmassB;residue1LYSrtpLYSHq+2.01opls_2871LYSN1-0.314.0067;qtot-0.32opls_2901LYSH110.331.008;qtot0.033opls_2901LYSH210.331.008;qtot0.364opls_2901LYSH310.331.008;qtot0.695opls_293B1LYSCA10.2512.011;qtot0.94,StepTwo:ExaminetheTopology,29,GROMACS运算流程,StepThree:DefiningtheUnitCell&AddingSolvent,1.Definetheboxdimensionsusingeditconf.2.Filltheboxwithwaterusinggenbox.editconf-f1AKI_processed.gro-o1AKI_newbox.gro-c-d1.0-btcubic-c居中d盒子边缘离质心的距离bt盒子类型genbox-cp1AKI_newbox.gro-csspc216.gro-o1AKI_solv.gro-ptopol.top-cs水分子类型,30,GROMACS运算流程,StepFour:AddingIons,grompp-fions.mdp-c1AKI_solv.gro-ptopol.top-oions.tpr-f输入mdp文件o生成tpr文件mdp即moleculedynamicsparameter文件，起控制动力学模拟过程的作用genion-sions.tpr-o1AKI_solv_ions.gro-ptopol.top-pnameNA-nnameCL-nn8-pname阳离子类型nname阴离子类型nn离子数目,31,GROMACS运算流程,StepFive:EnergyMinimization,grompp-fminim.mdp-c1AKI_solv_ions.gro-ptopol.top-oem.tprmdrun-v-deffnmem-v输出每步的运算信息deffnm定义输出文件的名称em.log:EM过程的记录文件em.edr:二进制能量文件em.trr:二进制轨迹文件em.gro:能量最小化后的结构,32,GROMACS运算流程,StepFive:EnergyMinimization,能量分析：g_energy-fem.edr-opotential.xvg,33,GROMACS运算流程,StepSix:Equilibration,目的：使蛋白质分子周围的溶剂和离子达到平衡状态,防止整个体系坍塌；先等温使得溶剂分子达到既定的模拟温度；再等压使得整个体系的密度达到均衡一致；grompp-fnvt.mdp-cem.gro-ptopol.top-onvt.tpr（等温恒容过程）mdrun-deffnmnvtg_energy-fnvt.edr,34,GROMACS运算流程,StepSix:Equilibration,grompp-fnpt.mdp-cnvt.gro-tnvt.cpt-ptopol.top-onpt.tpr（等温恒压过程）mdrun-deffnmnptg_energy-fnpt.edr-opressure.xvg（分析压力）g_energy-fnpt.edr-odensity.xvg（分析密度）,35,GROMACS运算流程,StepEight:ProductionMD,grompp-fmd.mdp-cnpt.gro-tnpt.cpt-ptopol.top-omd_0_1.tprmdrun-deffnmmd_0_1mdrun-deffnmmd_0_1mpirun-npXmdrun_mpi-deffnmmd_0_1（并行）,36,GROMACS运算流程,StepNine:Analysis,trjconv-smd_0_1.tpr-fmd_0_1.xtc-omd_0_1_noPBC.xtc-pbcmol-urcompact-pbc周期性边界条件-xtc文件压缩后的坐标文件g_rms-smd_0_1.tpr-fmd_0_1_noPBC.xtc-ormsd.xvg-tuns-tu时间单位nsg_rms-sem.tpr-fmd_0_1_noPBC.xtc-ormsd_xtal.xvg-tuns与结晶结构相比整个体系的RMSD值g_gyrate-smd_0_1.tpr-fmd_0_1_noPBC.xtc-ogyrate.xvg回转半径计算，代表整个蛋白质体系的紧致程度，评价体系是否稳定的指标。,37,GROMACS运算流程,StepNine:Analysis,38,GROMACS运算流程,StepNine:Analysis,ngmxfmd.trr(ormd.xtc)smd.tpr（GROMACS自带图形分析查看模块）,39,GROMACS运算流程,StepNine:Analysis,make_ndxfxxx.pdboxxx.ndx（体系分组）g_confrmsf11OMB.pdbf2md.groofit.pdb（叠合结构并输出RMSD值）g_rmsf-fxxx.xtcsxxx.tprbeoxxx.xvgoxxxx.pdb（均方根波动）-b开始时间e结束时间ox输出开始时间到结束时间的平均PDB结构g_hbondfxxx.xtcsxxx.tprnumxxx.xvg输出氢键的数目r0.35nm角度小于30trjconvfxxx.xtcsxxx.tproxxx.pdbdumpxxx在特定的时间点输出该时间点的pdb结构文件,40,GROMACS运算流程,StepNine:Analysis,g_distfmd.xtcsmd.tprodist.xvg（距离计算命令）g_anglefmd.tprnangle.ndxoangledist.xvg（角度计算命令）g_helix1.Helixradius(fileradius.xvg).-螺旋半径变化情况，理想值0.23nm2.Riseperresidue(filerise.xvg).每个螺旋上升的距离为0.15nm3.Totalhelixlength(filelen-ahx.xvg).整个蛋白质中-螺旋的长度4.Numberofhelicalresidues(filen-ahx.xvg).组成-螺旋的残基数目5.RMSdeviationfromidealhelix,calculatedfortheCalphaatomsonly与理想状态下蛋白质结构的RMSD值。,41,GROMACS运算流程,StepNine:Analysis,如何继续crashed动力学模拟tpbconvfpre.xtcspre.tprepre.edrorestart.tprmdrunsrestart.tprdeffnm如何进行并行计算lambootgromppnp#fmd.mdpcb4md.gropmd.topomd.tprmpirunnp