Amber中利用nmode模块进行熵计算

本文介绍了一种从大型分子动力学(MD)模拟系统中提取关键部分构建小系统的详细步骤,以便进行更高效的熵计算。通过选择特定距离内的残基构建小系统,并保留原有系统的N端和C端残基确保模拟准确性。
最近在对一个系统进行MD计算模拟,在对生成的轨道做能量分析时,突然遇到点问题,也就是对系统熵的计算。主要原因也就是自己系统太大,没法进行熵计算。因此,就需要将系统中关键部位的残基拿出来构建一个小系统。我看目前许多发表的文章也是按照这个思路在做。如何定义关键部位呢,通常选取小分子周围8-12A范围的残基作为关键残基,并与小分子一起拿出来共同构建一个小系统。

     我具体的做法如下:

     1. 确定关键残基的编号。由于先前在利用tleap准备sander的输入文件.top和.crd后,会将系统中残基和原子的编号重新从1开始计数,因此这里的我们所确定的关键残基编号也是经tleap处理完重排后的编号。具体实现可以从tleap生成的系统PDB文件中获取,获取的时候记录编号顺序一定不能变。另外我们还需要将原系统中肽链N端和C端的残基编号加入到关键残基编号列表中,这一步非常重要,原因见后面。

     2. 生成新的rec.pdb,prot_lig.pdb和new.trj轨道文件。基于已有的编号列表,按照顺序利用脚本从tleap生成的系统PDB文件中提取坐标构成新的PDB文件,同时获得所包含的原子编号列表。基于所包含的原子编号列表,从先前生成的系统old.trj轨道文件中提取这些原子的坐标,生成新的new.trj轨道文件,格式一定要正确。

     这里强烈建议将生成的new.trj文件仔细检查下,一个简单的方法就是利用pymol将后面生成的新prot_lig.top和该new.trj文件导入,并查看残基运动坐标是否正确。

     3. 生成输入文件.top。因为amber10中mmpbsa.pl需要lig.top, rec.top 和 prot_lig.top三个文件,因此我们就得再次利用tleap对所生成新的rec.pdb和prot_lig.pdb文件进行处理。在计算的过程中需要用到lig.lib文件,这个在进行模拟阶段已经生成,导入即可,同时lig.top文件也已经生成。

     注意:这里一个经常遇到的问题就是tleap对肽链两端残基的处理。由于N-端和C-端残基的特殊性(通常会含有不同类型氢原子),因此在利用tleap处理的时候,如果那肽链内部的残基直接作为两端残基进行处理的话,tleap会报错,当然我们可以对报错残基进行人为的修改,但一个简单的办法就是直接将原来系统中的肽链端残基加入新系统同样作为两端残基就可以避免出错了,同时也可以实现程序的批量处理。

     4. 修改mmpbsa.in文件。修改相应mmpbsa.pl参数文件mmpbsa.in的相应参数,生成snapshots,并进行GB, PB和nmode计算。

AMBER 中进行多构象 RESP 电荷拟合,通常涉及多个分子构象的量子化学计算结果,并通过全局优化方法获得一组适用于所有构象的统一原子电荷。这一过程可以提升电荷参数在不同构象间的兼容性,从而增强后续分子动力学模拟的可靠性。 ### 多构象 RESP 拟合的基本流程 1. **准备多个构象的量子化学输出文件** 在进行 RESP 拟合前,需使用如 Gaussian 等量子化学软件对多个分子构象进行结构优化和静电势(ESP)计算。每个构象应保存为独立的输出文件(如 `.log` 或 `.out` 格式),并确保它们具有相同的分子拓扑结构[^3]。 2. **使用 `antechamber` 和 `RESP` 工具执行多构象拟合** AMBER 的 `antechamber` 工具支持多构象输入,并结合 `RESP` 程序进行全局电荷拟合。用户可以通过指定 `-i` 参数依次列出所有构象的量子化学输出文件,并设置 `-c resp` 来启用 RESP 方法。例如: ```bash antechamber -i conf1.log -i conf2.log -i conf3.log \ -fi gout -o multi_conf_resp.mol2 -fo mol2 -c resp -nc -1 -pf y ``` 此命令将对 `conf1.log`、`conf2.log` 和 `conf3.log` 进行联合 RESP 拟合,并生成包含拟合电荷的 `.mol2` 文件。其中 `-nc -1` 表示分子总电荷为 -1,而 `-pf y` 则启用点电荷拟合约束[^3]。 3. **检查输出文件中的电荷信息** 生成的 `.mol2` 文件中会包含每种原子的 RESP 电荷值,位于 `MOL` 字段之后。这些电荷可用于后续的力场参数生成和分子动力学模拟。 4. **生成 AMBER 力场参数文件** 使用 `parmchk2` 对 `.mol2` 文件进行验证,并生成对应的 `.frcmod` 文件以供 `tleap` 使用。随后通过 `tleap` 加载分子结构与电荷信息,生成 `.prmtop` 和 `.inpcrd` 文件,作为 AMBER 模拟的标准输入格式[^1]。 5. **转换为其他格式(如 GROMACS)** 若需在 GROMACS 中使用这些电荷和参数,可借助 `ParmEd` 工具将 `.prmtop` 和 `.inpcrd` 转换为 `.top` 和 `.gro` 格式,如下所示: ```python import parmed as pmd amber = pmd.load_file('multi_conf.top', 'multi_conf.gro') amber.save('multi_conf_gmx.top') amber.save('multi_conf_gmx.gro') ``` 这种方式使得基于多构象 RESP 拟合得到的电荷能够无缝集成到不同的模拟平台中[^2]。 ### 注意事项 - 所有构象必须具有相同的原子编号顺序,否则可能导致电荷拟合失败或出现不合理的结果。 - 在多构象拟合过程中,建议对相同类型的原子施加电荷一致性约束,以保证物理意义的合理性。 - 用户可根据具体需求调整 `antechamber` 的选项,例如是否固定某些原子的电荷、是否启用额外的约束等。
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