NAMD入門教程(一)

1、預(yù)定目錄1. 分子動(dòng)力學(xué)模擬概論 1.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬的發(fā)展1.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理1.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬相關(guān)軟件2. 分子動(dòng)力學(xué)入門2.1 基本設(shè)置2.2 生成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件（PSF）2.3 蛋白質(zhì)的溶質(zhì)化2.4 球狀水體中泛素（Ubiquitin）的分子動(dòng)力學(xué)模擬2.5 立方水體中泛素（Ubiquitin）的分子動(dòng)力學(xué)模擬2.6 簡(jiǎn)單的結(jié)果分析3. 分析方法3.1 平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬分析3.1.1 每個(gè)殘基的RMSD值3.1.2 麥克斯韋-波爾茲曼（Maxwell-Boltzmann ）能量分布3.1.3 能量分析3.1.4 溫度分布3.1.5 比熱分析3.2 非平衡態(tài)分子動(dòng)力

2、學(xué)模擬分析3.2.1 熱擴(kuò)散3.2.2 溫度回音4 人工操縱的分子動(dòng)力學(xué)模擬（SMD）4.1 除去水分子4.2 恒速拉伸4.3 恒力拉伸4.4 結(jié)果分析1. 分子動(dòng)力學(xué)模擬概論分子動(dòng)力學(xué)模擬（Molecular Dynamics Simulation）是指利用計(jì)算機(jī)軟件，根據(jù)牛頓力學(xué)的基本原理，模擬大分子的相互作用和運(yùn)動(dòng)變化的研究方法。生命科學(xué)的研究往往離不開(kāi)各種儀器，試管和活的有機(jī)體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究生命現(xiàn)象背后的規(guī)律。那么，為什么我們要將生命大分子抽象成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)軟件模擬其行為呢？首先，從理論基礎(chǔ)上講，我們能夠使用計(jì)算機(jī)模擬生物大分子的行為。生物體系非常復(fù)雜，但生物大分子如蛋白質(zhì)

3、，脂肪，多糖等也是許多原子由化學(xué)鍵連接起來(lái)形成的，所有原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律都符合量子力學(xué)方程，在較大尺度上也近似符合牛頓力學(xué)方程，它的行為是要受物理學(xué)基本規(guī)律支配的。因此我們可以將利用純數(shù)學(xué)的手段，近似模擬生物大分子的行為.其次，從研究需要上講，我們不僅希望從宏觀上研究生命大分子溶液體系的行為，還想直接研究單個(gè)生物大分子在原子尺度上的行為，而這是目前的實(shí)驗(yàn)儀器難以達(dá)到的。比如，我們希望直接研究蛋白質(zhì)從伸展的肽鏈折疊成球形的具體過(guò)程，使用儀器手段只能收集到間接的數(shù)據(jù)，但使用軟件模擬則可以形象直觀的模擬出整個(gè)折疊過(guò)程，可以具體求算每個(gè)鍵能、鍵角的變化，研究某幾個(gè)氨基酸殘基之間的相互作用，以及對(duì)蛋白質(zhì)折疊

4、的意義?？傊壳暗纳飳W(xué)研究需要我們利用計(jì)算機(jī)模擬生物大分子的行為，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段的限制，希望能自下而上地闡明生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。最后，從實(shí)際意義上講，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以用來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，提供思路和理論依據(jù)；分子動(dòng)力學(xué)模擬所得結(jié)果的正確性也需要回到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這樣，我們可以將分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合成一個(gè)整體，從而能夠全面地，深入地研究生命現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律。1.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬的發(fā)展*暫缺相關(guān)文獻(xiàn)1.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理*暫缺相關(guān)文獻(xiàn)1.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬相關(guān)軟件隨著分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，逐步形成了一些商品化的軟件。應(yīng)用于生物大分子領(lǐng)域的商品化分子模擬軟件主要有Insi

5、ght以及Sybyl，分子模擬是其中的一個(gè)重要的模塊。Insight中分子動(dòng)力學(xué)模塊使用的是由美國(guó)哈佛大學(xué)Martin Karplus研究小組等開(kāi)發(fā)的CHARMM（Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics），同時(shí)它本身也是一個(gè)商品化的軟件。而Amber（Assisted Model Building with Energy Refinement）則是另一個(gè)非常有名分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，它是由美國(guó)UCSF的Kollman教授的課題組開(kāi)發(fā)的，商業(yè)化程度和易用性要好于CHARMM，當(dāng)前版本9.0。以上兩個(gè)研究小組都為其軟件開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的力場(chǎng)，并且現(xiàn)在已經(jīng)

6、成為分子動(dòng)力學(xué)模擬的經(jīng)典力場(chǎng)。此外免費(fèi)和部分免費(fèi)的軟件有NAMD，Gromos，Gromacs，DL_POLY，Tinker等。在上述軟件中，我們選擇NAMD作為本章的示范軟件。NAMD是由美國(guó)伊利諾斯大學(xué)理論與計(jì)算生物物理研究組開(kāi)發(fā)的一套分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，適用于計(jì)算生物大分子，并行計(jì)算效率非常高，可以使用Amber，CHARMM，X-PLOR，GROMACS，OPLS等多種力場(chǎng)，而且可以兼容Amber，CHARMM的文件格式。NAMD支持幾乎所有操作系統(tǒng)，而且免費(fèi)獲取，開(kāi)放源代碼。如配合分子可視化、結(jié)果分析軟件VMD以及格點(diǎn)計(jì)算軟件BioCoRE則可使用更多、更強(qiáng)大的功能，進(jìn)行更大規(guī)模的計(jì)

7、算，可以說(shuō)集眾多優(yōu)勢(shì)于一身。不僅如此，利用NAMD還可以進(jìn)行極具特色的IMD（Interactive Molecular Dynamics，交互式分子動(dòng)力學(xué)模擬）和SMD（Steered Molecular Dynamics，可控式分子動(dòng)力學(xué)模擬）。在本教程中，我們將首先講解使用NAMD進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本流程，然后講解經(jīng)典的結(jié)果分析方法，最后我們將簡(jiǎn)單介紹SMD的基本思想和過(guò)程。2. NAMD分子動(dòng)力學(xué)入門2.1 軟件基本設(shè)置NAMD的最新版本是2.6版，可以從/Research/namd/ 免費(fèi)得到（需要進(jìn)行免費(fèi)注冊(cè)）。此外，我們還需要VMD作

8、為分子可視化和輔助分析軟件，可以從/Research/vmd/ 免費(fèi)得到，最新版本是VMD1.85 。NAMD安裝方法：事實(shí)上NAMD是不需要安裝的。請(qǐng)新建文件夾namd-tutorial, 在該目錄中新建文件夾NAMD，下載完成NAMD2.6軟件包后，將壓縮文件解壓到文件夾NAMD中，就可以使用。 下文中為了敘述方便，我們將默認(rèn)讀者的NAMD主程序位于./namd-tutorial/NAMD 目錄中（安裝VMD程序時(shí)可以安裝到任意目錄，不影響教程操作）。此外，本教程還需要一系列教程文件。所需文件均可以從 /T

9、raining/Tutorials/ 下載（圖）下載完成教程所用文件后，請(qǐng)把所有內(nèi)容解壓到namd-tutorial目錄下，此后的部分我們將默認(rèn)教程所用文件位于./namd-tutorial 目錄中。完成上述準(zhǔn)備之后，請(qǐng)打開(kāi)Windows資源管理器，namd-tutorial目錄的結(jié)構(gòu)應(yīng)該如下：（如果目錄形式不一致，請(qǐng)務(wù)必進(jìn)行調(diào)整）該文件夾中有我們進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬所需的所有文件。最后，還需要交代的是，NAMD不同于我們所熟悉的大多數(shù)Windows軟件：它不具有圖形界面。打個(gè)比方說(shuō)，我們平常使用Word，Excel，Photoshop等有圖形界面的軟件，好像是面對(duì)面聊天；而現(xiàn)在使用不具有圖形界面的

10、NAMD就像是書信往來(lái)：動(dòng)力學(xué)模擬的所有參數(shù)設(shè)定都需要用戶通過(guò)一個(gè)文本文件通知NAMD，NAMD進(jìn)行處理計(jì)算，然后再通過(guò)許多輸出文件輸出結(jié)果。不借助其他軟件，用戶無(wú)法直接看到NAMD的工作狀態(tài)。由于進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬的準(zhǔn)備和結(jié)果的可視化分析，必不可少的軟件是VMD，下面的講解中也將大量用到VMD。我們假定讀者已經(jīng)對(duì)VMD的基本操作有一定的了解。VMD的入門教程可參見(jiàn)本章附錄。下面，我們將使用NAMD進(jìn)行簡(jiǎn)單的分子動(dòng)力學(xué)模擬，并進(jìn)行初步的分析。我們將要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬的分子是一個(gè)76個(gè)氨基酸的小肽：泛素。知識(shí)連接：泛素“死亡之吻”泛素是一個(gè)由76個(gè)氨基酸組成的高度保守的多肽鏈, 因其廣泛分布于各類細(xì)胞

11、而得名。泛素共價(jià)地結(jié)合于底物蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基，被泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)將被特異性地識(shí)別，并在蛋白酶體中迅速降解。泛素因此得名“死亡之吻”。因?yàn)楸黄錁?biāo)記的蛋白都擺脫不了被降解的厄運(yùn)。隨著研究的進(jìn)一步深入，蛋白質(zhì)降解過(guò)程中泛素的樞紐作用越來(lái)越得到重視。蛋白質(zhì)降解異常與許多疾?。◥盒阅[瘤,神經(jīng)退行性疾患等）的發(fā)生密切相關(guān)。而泛素在蛋白質(zhì)降解中的作用機(jī)制如能被闡明，將對(duì)解釋多種疾病的發(fā)生機(jī)制和有重要意義。Hershko、Ciechanover、Rose三名杰出科學(xué)家在泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)降解方面做出了突出貢獻(xiàn)，他們榮獲2004年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。使用NAMD進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬之前，我們需要為NAMD準(zhǔn)備好各種必

12、須的數(shù)據(jù)文件，以供NAMD使用。這些文件包括：¨ 蛋白質(zhì)分子的PDB文件。該文件負(fù)責(zé)儲(chǔ)存蛋白質(zhì)中所有原子的坐標(biāo)。在后續(xù)課程中我們還會(huì)了解到，PDB文件還可以儲(chǔ)存原子運(yùn)動(dòng)的速度等信息。¨ 蛋白質(zhì)分子的PSF文件。該文件負(fù)責(zé)儲(chǔ)存蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。注意PDB文件只記錄原子的空間位置，并不儲(chǔ)存蛋白質(zhì)中原子之間的成鍵情況。成鍵情況由PSF文件負(fù)責(zé)記錄。¨ 力場(chǎng)參數(shù)文件(force field file)。力場(chǎng)參數(shù)文件是分子動(dòng)力學(xué)模擬的核心，文件中的數(shù)學(xué)方程決定了原子在力場(chǎng)中的受力如何計(jì)算。常用的四種力場(chǎng)是CHAEMM, X-PLOR, AMBER 和GROMACS。NAMD

13、可以使用以上任何一種力場(chǎng)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。¨ 配置文件（configuration file）配置文件的目的是告知NAMD分子動(dòng)力學(xué)模擬的各種參數(shù)，比如PDB文件和PSF文件的儲(chǔ)存位置，結(jié)果應(yīng)當(dāng)儲(chǔ)存在哪里，體系的溫度等等上述四種文件中，PDB文件通常是從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（Protein Data Bank）中獲得。力場(chǎng)參數(shù)文件也可以從網(wǎng)上下載， 而PSF文件和用戶配置文件是用戶根據(jù)具體要求自己生成的。下面我們將首先制作蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件（PSF）。2.2 生成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件（PSF）1、單擊 開(kāi)始菜單程序 VMD，打開(kāi)VMD窗口2、在VMD主窗口中，單擊 File New Molecu

14、le 打開(kāi)Molecule File Browser對(duì)話框；單擊Browse按鈕，在彈出的文件瀏覽中找到 namd-tutorial/1-1-build 文件夾，在此文件夾中選擇1UBQ.pdb，單擊Load按鈕載入1UBQ.pdb。提示：關(guān)于文件后綴名如果瀏覽文件時(shí)看不到“.psf”“.pdb”等后綴名，可以在“我的電腦”中選擇“工具”“文件夾選項(xiàng)”，在“查看”選項(xiàng)卡中取消“隱藏已知文件類型的擴(kuò)展名”。強(qiáng)烈推薦讀者取消這一項(xiàng)，因?yàn)檫@還涉及到下文中的許多操作。載入之后在圖形窗口（VMD 1.8.5.OpenGL Display）中應(yīng)當(dāng)可以看到下圖（圖）：可以看到，所有的氧原子用紅色表示，碳原子

15、以天藍(lán)色表示（碳原子所連的鍵也是天藍(lán)色，所以整個(gè)蛋白骨架為天藍(lán)色），硫原子以黃色表示。注意到?jīng)]有出現(xiàn)氫原子，這是因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)是由X射線晶體衍射得來(lái)的，而X射線衍射一般得不到氫原子的精確位置。注意：蛋白周圍的紅點(diǎn)實(shí)際上是水分子，由于沒(méi)有氫，所以僅顯示出一個(gè)一個(gè)的氧原子。我們只需要蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，因此下面我們將首先除去pdb文件中帶有的水分子。 4、單擊 Extension TK Console 菜單項(xiàng)，彈出VMD Tk Console窗口。首先用cd命令改變當(dāng)前目錄到namd-tutorial /1-1-build 下。然后輸入下列命令：set ubq atomselect top protei

16、n$ubq writepdb ubqp.pdb(每輸入一行命令后按回車鍵，下同。另外，尤其要注意空格的有無(wú)和空格的位置，否則空格位置不對(duì)可能造成命令執(zhí)行錯(cuò)誤)提示：VMD TK Console（VMD控制臺(tái)）中改變當(dāng)前目錄的方法 在Windows命令行模式中和VMD TK Console 中都是用cd命令改換當(dāng)前目錄的。但是注意二者的使用方法不同。這里簡(jiǎn)單說(shuō)明VMD TK Console 中改變當(dāng)前目錄的方法，Windows命令行改變目錄的方法將在后面說(shuō)明。在VMD TKConsole中，改變目錄的命令十分簡(jiǎn)單。無(wú)論是改變到哪一個(gè)目錄，只需要輸入：cd 目標(biāo)目錄比如本例中，假設(shè)需要改變目錄到

17、E:/namd-tutorial/1-1-build ，無(wú)論當(dāng)前目錄是什么，只需要在VMD TKConsole中輸入以下命令即可：cd e:/namd-tutorial/1-1build輸入以上命令之后，VMD已經(jīng)在1-1-build目錄下生成了文件 ubqp.pdb。這一PDB文件僅包含泛素蛋白，不含水分子。5、在VMD主窗口中單擊1UBQ.pdb，選擇MoleculeDelete Molecule菜單項(xiàng)刪除當(dāng)前分子。6、下面我們將生成泛素蛋白的psf文件。注意：VMD組件中實(shí)際上提供了一個(gè)全自動(dòng)的psf文件生成器(選擇ExtensionsModelingAutomatic PSF Buil

18、der菜單項(xiàng))。但我們將人工制作所需要的psf文件，以讓讀者明白制作的詳細(xì)流程。制作時(shí)，需要使用VMD提供的psfgen軟件包。7、首先，打開(kāi)寫字板，輸入以下內(nèi)容：package require psfgentopology top all27_prot_lipid.inppdbalias residue HIS HSEpdbalias atom ILE CD1 CDsegment U pdb ubqp.pdb coordpdb ubqp.pdb Uguesscoordwritepdb ubq.pdbwritepsf ubq.psf8、輸入完成之后，保存文件。注意文件保存在1-1-build目

19、錄中，文件名為ubq.pgn，文件類型選擇文本文檔。然后退出寫字板。這樣我們便制作了pgn文件，這一文件可以被psfgen軟件包所識(shí)別，并處理成我們想要的psf文件。我們需要在VMD中使用該文件調(diào)用psfgen數(shù)據(jù)包下面我們?cè)敿?xì)介紹一下剛剛輸入的每一行命令的意義：package require psfgen：通知VMD我們將要調(diào)用psfgen數(shù)據(jù)包topology top all27_prot_lipid.inp：載入拓?fù)湮募?top_all27_prot_lipid.inppdbalias residue HIS HSE：改變組氨酸殘基名，使得殘基名稱能夠和拓?fù)湮募械囊恢?。在pdb文件中組

20、氨酸殘基名是HIS,而在拓?fù)湮募薪M氨酸殘基名為 HSE, HSD, HSP 三種。分別對(duì)應(yīng)組氨酸的三個(gè)不同的帶電荷形式。pdbalias atom ILE CD1 CD：改變異亮氨酸中的原子名。pdb文件中異亮氨酸碳的名稱為CD1，而拓?fù)湮募性用麘?yīng)該為CD。segment U pdb ubqp.pdb：生成一個(gè)集合（segment）U，包含ubqp.pdb中的所有原子。coordpdb ubqp.pdb U：從ubqp.pdb中讀取坐標(biāo)，比較各個(gè)原子的名稱是否對(duì)應(yīng)，然后舊的集合名被改換成新的名稱“U”。guesscoord：根據(jù)拓?fù)湮募茰y(cè)缺少的原子（氫原子）的空間位置。writepdb

21、 ubq.pdb：生成新的pdb文件，包含所有原子的坐標(biāo)，包括剛剛推測(cè)出的氫原子。writepsf ubq.psf：生成psf文件，該文件包含蛋白結(jié)構(gòu)的全部信息。知識(shí)鏈接：組氨酸的三種離子模式知識(shí)鏈接：PDB文件中原子的命名方式9、如果剛剛關(guān)閉了VMD，則重新打開(kāi)，改變目錄至1-1-build。然后輸入以下命令：source ubq.pgn這樣我們就成功得到了含有氫原子的psf文件。同時(shí)，可以看到VMD TKConsole中顯示出系統(tǒng)返回的信息。信息顯示我們的系統(tǒng)中有1231個(gè)原子，631個(gè)原子的坐標(biāo)是推測(cè)的（圖）?，F(xiàn)在在你的1-1-build文件夾下應(yīng)當(dāng)有ubq.pdb和ubq.psf兩個(gè)文

22、件。到此為止，我們已經(jīng)成功制作了下一步分子動(dòng)力學(xué)模擬所需的psf文件。2.2 蛋白質(zhì)的溶質(zhì)化顯然在真實(shí)情況下，蛋白質(zhì)不是在真空中存在下面。所以我們需要把蛋白質(zhì)放入一個(gè)水環(huán)境中，以更真實(shí)的模擬生物體內(nèi)的環(huán)境。我們可以使用兩種水體環(huán)境進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬：¨ 球狀水體（water sphere）。水體包圍蛋白質(zhì)，四周則是真空，動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)沒(méi)有周期性邊界條件（periodic boundary condition）¨ 立方水體(water box)。立方水體是正六面體形狀的水體（不一定是正立方體）。使用立方水體需要我們?cè)O(shè)定周期性邊界條件。 2.2.1 生成球狀水體（water sphe

23、re）我們將使用一個(gè)腳本文件建立球狀水體。腳本文件在1-1-build目錄下，文件名是wat_sphere.tcl。1、如果剛剛關(guān)閉了VMD，則重新打開(kāi)，改變目錄至1-1-build。然后輸入以下命令：source wat_sphere.tcl輸入之后VMD將會(huì)調(diào)用腳本文件，之后VMD會(huì)反饋一系列信息（圖），2、由所給的信息我們可以看出，VMD生成了兩個(gè)文件：ubq_ws.pdb文件和ubq_ws.psf。 在最后兩行還給出了生成的球狀水體的質(zhì)心坐標(biāo)（center of mass of sphere）和球狀水體的半徑(radius of sphere)，精確到小數(shù)點(diǎn)后第十位。記下這些數(shù)字，以后

24、我們還會(huì)用到。這時(shí)在圖形窗口中卻會(huì)出現(xiàn)一個(gè)立方水體包圍的蛋白質(zhì)分子（圖）。不過(guò)沒(méi)有關(guān)系，在VMD主窗口中可見(jiàn)分子名為del_water，并不是我們所要的結(jié)果。我們的最終結(jié)果已經(jīng)儲(chǔ)存在1-1-build中，文件名分別為ubq_ws.pdb和ubq_ws.psf。3、下面我們將看一下生成的球形水體究竟是什么樣子的。在主窗口中單擊del_water 分子，選擇Molecule Delete Molecule 菜單項(xiàng)刪除該分子；然后選擇 File New Molecule，單擊Browse 按鈕，在1-1-build目錄下找到ubq_ws.pdb文件，單擊Load載入該蛋白，可以看到球狀水體包圍的蛋白

25、（如圖）。說(shuō)明我們已經(jīng)成功地生成了球狀水體包圍的泛素分子。 2.2.2 生成立方水體（water box）下面我們將把泛素放入一個(gè)立方體狀的水環(huán)境中。我們使用的是VMD提供的solvate軟件包。該軟件包位于VMD的/plugins/noarch/tcl目錄下。不過(guò)我們不需要自己找到它。只要通知VMD我們將使用該軟件包，VMD就會(huì)載入它。1、打開(kāi)VMD，選擇 ExtensionsTK Console菜單項(xiàng)，在VMD TKConsole 窗口中輸入：package require solvate這時(shí)VMD就會(huì)載入solvate軟件包。窗口返回?cái)?shù)字：1.2 說(shuō)明我們所使用的軟件包是solvate

26、1.2。確保當(dāng)前目錄是1-1-build，否則用cd命令改變當(dāng)前目錄至1-1-build，然后輸入:solvate ubq.psf ubq.pdb t 5 o ubq_wb等待運(yùn)行結(jié)束，VMD就調(diào)用solvate將ubq.pdb和ubq.psf所儲(chǔ)存的蛋白放入一個(gè)立方水體中。在圖形窗口可以見(jiàn)到一個(gè)立方形的水體包圍蛋白（如圖）。參數(shù) t 5 通知程序如何確定立方體的各邊長(zhǎng)。方法是在每個(gè)坐標(biāo)方向上選擇坐標(biāo)最大的那個(gè)原子，然后再延伸5A，即為該方向立方體面的邊界。注意：生成的立方水體并不一定是正立方體。各邊長(zhǎng)取決于坐標(biāo)最大（距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)）的原子的位置。還有一個(gè)參數(shù) o ubq_wb是為了通知程序生成

27、的文件名。運(yùn)行結(jié)束后我們得到的兩個(gè)文件就是ubq_wb.psf 和 ubq_wb.pdb。2、在VMD TkConsole中輸入：set everyone atomselect top allmeasure minmax $everyone這時(shí)返回的數(shù)值是整個(gè)體系中離原點(diǎn)最近的點(diǎn)和最遠(yuǎn)的點(diǎn)的坐標(biāo)。我們需要的是整個(gè)立方體的中心，可以自己計(jì)算也可以用下面的命令：measure center $everyone這時(shí)返回的三個(gè)數(shù)值就是體系的中心。記下這三個(gè)數(shù)值，我們以后還會(huì)用到。返回值如圖：在開(kāi)始下一節(jié)之前，我們要將生成的文件拷貝到common公用目錄下以方便訪問(wèn)。在Windows資源管理器中找到1-

28、1-build目錄，按Ctrl選擇以下六個(gè)文件：ubq.pdb, ubq.psf, ubq_ws.pdb, ubq_ws.psf, ubq_wb.pdb, ubq_ws.psf，然后把它們拷貝到namd-tutorial/common目錄下。提示：此處生成的立方水體事實(shí)上過(guò)小了。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證水體足夠大，以防止蛋白在拉伸運(yùn)動(dòng)時(shí)超出水環(huán)境。也要避免在使用周期邊界條件時(shí)蛋白和四周各個(gè)單元的蛋白鏡像相碰撞。周期邊界條件的詳細(xì)知識(shí)見(jiàn)下文。 此外，還應(yīng)當(dāng)注意的是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)在水環(huán)境中放入離子。特別是當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的凈電荷不為0時(shí)，更應(yīng)當(dāng)設(shè)定離子數(shù)目以使得整個(gè)體系是中性的。在放入離子時(shí)應(yīng)當(dāng)將它們放在

29、體系中靜電勢(shì)能的最低點(diǎn)，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。因?yàn)殡x子總會(huì)向勢(shì)能最低點(diǎn)自發(fā)運(yùn)動(dòng)。2.3 球狀水體中泛素（Ubiquitin）的分子動(dòng)力學(xué)模擬在這一節(jié)中，我們將要對(duì)球狀水體的泛素分子進(jìn)行最簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)模擬。首先，我們要進(jìn)行的分子動(dòng)力學(xué)模擬的目的是什么？我們將泛素放入球狀水體中，水體周圍是真空，然后NAMD會(huì)根據(jù)我們?cè)O(shè)定好的溫度值按照Boltzmann-Maxwell分子速率分布給各原子賦予一定的初始速度，接下來(lái)就是要根據(jù)牛頓力學(xué)方程，求解個(gè)水分子以及蛋白質(zhì)中各原子的運(yùn)動(dòng)軌跡。我們得到的結(jié)果，就是模擬泛素這一小肽在溶液狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。知識(shí)鏈接：能量最小化和能量平衡（Minimization and E

30、quilibration）本次動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)際包括兩個(gè)過(guò)程：能量最小化和能量平衡（Minimization and Equilibration）。能量最小化時(shí)，NAMD設(shè)定各原子的速度為0，然后不斷改變各個(gè)原子的相對(duì)位置并計(jì)算體系總能量，搜索最低勢(shì)能點(diǎn)，作為分子動(dòng)力學(xué)模擬的初始狀態(tài)。這一過(guò)程是不記錄原子運(yùn)動(dòng)軌跡的。因?yàn)樵拥奈恢酶淖冎皇且驗(yàn)镹AMD需要搜索最低能量狀態(tài)，而不是真實(shí)的相互作用引起的運(yùn)動(dòng)。能量平衡是讓蛋白質(zhì)和水分子在設(shè)定好的環(huán)境溫度（即原子的速度）下相互作用，達(dá)到能量平衡分配，整個(gè)體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（熵達(dá)到極大值）。為什么需要首先進(jìn)行能量最小化？這是因?yàn)槲覀兲峁┑捏w系有可能包含極度扭曲

31、，拉伸或壓縮變形的鍵和鍵角。它們是解析結(jié)構(gòu)或同源模建時(shí)引入的錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)，含有很高的能量。如果不首先進(jìn)行最小化，直接進(jìn)行能量平衡，蛋白質(zhì)會(huì)和水分子相互作用，恢復(fù)伸展?fàn)顟B(tài)，釋放掉這些錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)中的高能量。這一過(guò)程是沒(méi)有意義的因?yàn)樗清e(cuò)誤結(jié)構(gòu)引起的反應(yīng)，并不是蛋白質(zhì)在溶液中的真實(shí)狀態(tài)。從而就浪費(fèi)了計(jì)算時(shí)間。不僅如此，能量釋放引起的劇烈運(yùn)動(dòng)和相互作用最終可能使得蛋白質(zhì)的行為不符合溶液中的真實(shí)行為。所以有必要在能量平衡之前，首先人為搜索能量最低點(diǎn)，作為分子動(dòng)力學(xué)模擬的初始狀態(tài)。一般地，分子動(dòng)力學(xué)模擬包括多個(gè)能量最小化和平衡過(guò)程。通常我們會(huì)首先將蛋白質(zhì)固定而僅允許水分子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行能量最小化和能量平衡；然后允許

32、蛋白質(zhì)和水分子同時(shí)運(yùn)動(dòng)，再次經(jīng)歷能量最小化和能量平衡這一循環(huán)。第一步的目的是使水分子達(dá)到能量最小，這通常是一個(gè)很快的過(guò)程。然后再放開(kāi)蛋白質(zhì)，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到能量最小。這樣可以減小計(jì)算量，并防止由于一開(kāi)始蛋白結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定而結(jié)果產(chǎn)生假象。在上一節(jié)中我們已經(jīng)獲得了所需要的ubq_ws.pdb 和ubq_ws.psf 兩個(gè)文件。對(duì)照本章開(kāi)始提到NAMD所需的四個(gè)文件知，還需要有配置文件就可以提交NAMD進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬了。（力場(chǎng)參數(shù)文件在common文件夾中）。下面我們將首先得到配置文件。2.3.1 配置文件前面我們把使用NAMD比作寫信，這里的“信”就是指的配置文件。配置文件記錄了進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬所需的全

33、部參數(shù)和設(shè)置，NAMD只要得到這一文件就可以按照相應(yīng)指令進(jìn)行操作。對(duì)于本次動(dòng)力學(xué)模擬，在namd-tutorial/1-2-sphere 目錄下可以得到已經(jīng)預(yù)先制作完畢的配置文件。下面我們將要仔細(xì)講述文件的內(nèi)容。打開(kāi)寫字板，在菜單中選擇 文件打開(kāi)，找到1-2-sphere 目錄，文件類型選擇全部文件（圖），然后打開(kāi)文件ubq_ws_eq.conf。這個(gè)文件看起來(lái)好像很復(fù)雜，但是我們會(huì)仔細(xì)分析講解每一部分的含義。注意：在配置文件中，每一行開(kāi)頭如果是“#”，則本行內(nèi)容會(huì)被當(dāng)作注釋對(duì)待，NAMD會(huì)忽略其中的內(nèi)容。因此為了便于區(qū)分，我們用#把文件分割成幾大部分。如第一部分是：# JOB DESCRIP

34、TION #意思是這一部分是對(duì)所提交工作的描述。1、大體瀏覽一下，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)文件被分成了以下幾部分：¨ 工作描述（job description）¨ 可調(diào)參數(shù) （adjustable parameters） ¨ 動(dòng)力學(xué)模擬參數(shù)（simulation parameters）¨ 附加參數(shù)（extra parameters）¨ 執(zhí)行腳本 （execution script）它完整的記錄了輸入的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)文件（pdb和psf文件）的位置，輸出結(jié)果文件的文件名，以及動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)的環(huán)境溫度，截止點(diǎn)，步長(zhǎng)等各種參數(shù)。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)只需要提供給NAMD一

35、個(gè)配置文件，NAMD就可以找到輸入文件，調(diào)整好各種參數(shù)，按照要求進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬之后輸出結(jié)果。2、然后，首先我們來(lái)看第一部分：Job Description。這一部分每一行開(kāi)頭都有#，因此只包括注釋。它描述的是這一配置文件的目的：Minimization and Equilibration of Ubiquitin in a Water Sphere。就相當(dāng)于一片文章的題目。3、Adjustable Parameters 這一部分包括5項(xiàng)參數(shù)：¨ structure: 給出調(diào)用的psf文件的位置¨ coordinates：給出調(diào)用的坐標(biāo)文件（即pdb文件）的位置¨

36、set temperature 310: 定義一個(gè)變量temperature，并賦值310。以后如果要使用環(huán)境溫度值310，只需要用$temperature 代替。這和c語(yǔ)言中的預(yù)處理命令#define有些類似。¨ set outputname ubq_ws_eq：新建一個(gè)變量outputname，并賦值ubq_ws_eq。作用同上。¨ firsttimestep:設(shè)定動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)起始timestep的數(shù)值。在重新開(kāi)始進(jìn)行一個(gè)被中斷的動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，這一設(shè)定是非常有用的。如果前一次動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)束時(shí)的timestep是533，那么這一次的起始值顯然應(yīng)該是534。4、Simula

37、tion Parameters 這一部分包括許多參數(shù)，可以分成以下幾部分：¨ Input- paraTypeCharmm: 說(shuō)明參數(shù)文件是否是CHARMM力場(chǎng)格式的。設(shè)置為on。- parameters: 從給出的力場(chǎng)參數(shù)文件中調(diào)用參數(shù)（此例中，力場(chǎng)參數(shù)文件為./common/par_all27_prot_lipid.inp）- temperature: 設(shè)定環(huán)境的起始溫度（K）。如上所述，在這里$temperature 相當(dāng)于310。設(shè)定這一數(shù)值后，NAMD會(huì)根據(jù)Maxwell分子速率分布給體系中的分子分配運(yùn)動(dòng)速率。¨ Force-Field Parameters- ex

38、clude: 說(shuō)明哪一種原子-原子相互作用可以忽略。這里的設(shè)定值是 scaled1-4。成鍵相鄰原子的編號(hào)方式見(jiàn)圖。scaled1-4就是說(shuō)如圖中的原子1-2，1-3，2-3之間的相互作用被完全忽略，而原子1-4的相互作用被弱化。- 1-4scaling: 剛剛提到了原子1-4之間的相互作用會(huì)被弱化。這個(gè)參數(shù)就是為了說(shuō)明弱化的程度。取值在01之間，0表示完全忽略，1表示不進(jìn)行弱化。 - cutoff：設(shè)定范德華力和靜電力的截止點(diǎn)。如果不設(shè)定此值，NAMD會(huì)計(jì)算整個(gè)體系中任意兩個(gè)原子的范德華力和靜電力相互作用，這顯然是沒(méi)有必要的。注意：如果Particle Mesh Ewald Sum 設(shè)定為o

39、n，cutoff的定義就會(huì)改變，在此不詳細(xì)敘述。 - switching：設(shè)定是否使用過(guò)渡函數(shù)（switching function），使得在截止點(diǎn)處范德華力和靜電力不會(huì)突然降低至0，而是平滑的過(guò)渡至0。 - switchdist：設(shè)定在哪一點(diǎn)靜電力和范德華力函數(shù)開(kāi)始使用過(guò)渡函數(shù)修正（switch function）以使這兩個(gè)函數(shù)可以平滑過(guò)渡，在cutoff處降低為0。 - pairlistdist: 這一設(shè)定是為了使得計(jì)算更快進(jìn)行。如果不設(shè)定這個(gè)值，對(duì)于體系中的某個(gè)原子，NAMD需要遍歷搜索整個(gè)體系以找出和該原子有相互作用的所有其他原子。設(shè)定之后，在計(jì)算某個(gè)原子的受力時(shí)，NAMD將只搜索設(shè)定

40、范圍之內(nèi)的原子。設(shè)定值的單位是A。注意這個(gè)值必須要大于cutoff值。 圖是以上概念的圖示說(shuō)明。¨ Integrator Parameters - timestep：說(shuō)明所使用的步長(zhǎng)數(shù)值。分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理還是求解牛頓力學(xué)方程，但是并不能做到連續(xù)求解，而只能每隔一段間隔求解一次，最后生成原子的運(yùn)動(dòng)軌跡。步長(zhǎng)值就是求解的時(shí)間間隔。以一個(gè)飛秒（fs,femtoseconds）為單位。2.0即為2fs。- rigidBonds：設(shè)定與氫原子相連的哪一種鍵是剛性的（不會(huì)來(lái)回振動(dòng)）。這里設(shè)定值是all，說(shuō)明所有和氫原子相連的鍵都被認(rèn)為是不振動(dòng)的。知識(shí)鏈接：Rigid Bonds為什么要設(shè)

41、定RigidBonds？這是因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)定的步長(zhǎng)是2飛秒。在分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)，振動(dòng)，原子的位移等等速度并不相同。而步長(zhǎng)數(shù)值顯然應(yīng)該由最快的那一種運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度決定。在各種運(yùn)動(dòng)形式中，鍵長(zhǎng)的伸縮和鍵角的扭曲是最快的。鍵長(zhǎng)振動(dòng)一般是每10-100飛秒一次。其中，最快的當(dāng)然是與氫原子相連的鍵長(zhǎng)的振動(dòng)，一般是10飛秒一次，而我們的步長(zhǎng)是2飛秒，幾乎在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。因此無(wú)法精確描述這樣的鍵長(zhǎng)振動(dòng)。所以需要先設(shè)定認(rèn)為這些鍵不振動(dòng)。其實(shí)也相當(dāng)于取鍵長(zhǎng)伸縮振動(dòng)的平均值作為固定鍵長(zhǎng)。大分子的功能和行為一般與較慢的分子構(gòu)象變化和分子運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切，但和快速的原子振動(dòng)關(guān)系較小。所以認(rèn)定鍵長(zhǎng)振動(dòng)不存在也是可以接

42、受的，只是對(duì)于精確的分子動(dòng)力學(xué)模擬而言應(yīng)當(dāng)盡量避免。對(duì)于任何的分子動(dòng)力學(xué)模擬，步長(zhǎng)應(yīng)該是體系中最快運(yùn)動(dòng)周期的1/10以下。- nonbondedFreq: 設(shè)定每隔多少步長(zhǎng)計(jì)算一次非成鍵相互作用（nonbonded interactions）。適當(dāng)調(diào)整這個(gè)值可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。- fullElectFrequency: 設(shè)定每個(gè)多少步長(zhǎng)計(jì)算一次總體靜電相互作用（full electrostatic interactions）。- stepspercycle: 前面提到過(guò)，每個(gè)原子都有一個(gè)pair list，即和它有相互作用的所有原子的列表。這個(gè)列表顯然是動(dòng)態(tài)變化的。列表更新的周期叫做一個(gè)循環(huán)（c

43、ycle）。這個(gè)值設(shè)定的是每多少步長(zhǎng)更新一次列表，完成一次循環(huán)。¨ Constant Temperature Control - langevin: 設(shè)定動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)是否使用Langevin 動(dòng)力學(xué)。這里設(shè)定為on。 - langevinTemp: 設(shè)定一個(gè)溫度值，使用Langevin 動(dòng)力學(xué)將原子保持在恒定的該溫度。 - langvinHydrogen: 設(shè)定是否對(duì)于氫原子也應(yīng)用langevin動(dòng)力學(xué)。¨ Output - outputName：每進(jìn)行一次動(dòng)力學(xué)模擬，NAMD會(huì)輸出多個(gè)文件。這個(gè)參數(shù)設(shè)定這些文件的前綴名（如ubq.pdb，ubq就是前綴名）都為ubq_ws

44、_eq。NAMD輸出的文件包括：一個(gè)后綴名為“.coor”的文件，儲(chǔ)存經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬后的所有原子的坐標(biāo)；一個(gè)后綴名為“.vel”的文件，儲(chǔ)存系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)束時(shí)所有原子的瞬時(shí)速度。所以運(yùn)行結(jié)束后我們可以得到兩個(gè)文件：ubq_ws_eq.coor 和 ubq_ws_eq.vel。- restartfreq: 在進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，NAMD還會(huì)創(chuàng)建恢復(fù)文件（restart file），類似于Word的自動(dòng)保存，使得用戶在動(dòng)力學(xué)模擬意外停止的時(shí)候可以用恢復(fù)文件繼續(xù)進(jìn)行模擬。這個(gè)參數(shù)就是設(shè)定每過(guò)多長(zhǎng)個(gè)步長(zhǎng)自動(dòng)保存一次，生成一個(gè)恢復(fù)文件?；謴?fù)文件的后綴名是 “.restart”，表示剛剛生成的恢復(fù)文件

45、；以及“.restart.old”，是前一次保存的恢復(fù)文件。- dcdfreq：dcd文件記錄的就是每一個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)軌跡。記錄方法是，NAMD每隔一定時(shí)間間隔就將所有原子的坐標(biāo)寫入一次dcd文件。而這個(gè)參數(shù)就是設(shè)定寫入的時(shí)間間隔。當(dāng)然，dcd文件會(huì)隨著模擬的進(jìn)行而越來(lái)越大，如果寫入很頻繁或者模擬進(jìn)行的時(shí)間很長(zhǎng)，就會(huì)得到一個(gè)很大的dcd文件。另外，如果不需要得到模擬后的軌跡也可以不設(shè)定這一參數(shù)，這樣NAMD將不會(huì)生成dcd文件。除了以上敘述的這些輸出文件，namd還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)日志文件，后綴名是“.log”。這一文件的內(nèi)容將在以后的內(nèi)容講到。- outputEnergies: 設(shè)定每隔多少步在日志

46、文件中輸出系統(tǒng)的各種能量（每種立場(chǎng)如范德華力，靜電力分別對(duì)應(yīng)一種能量）。這里我們的設(shè)定是每隔100步輸出一次。- outputPressure: 同樣地，這個(gè)值是為了設(shè)定每多少步在日志文件中輸出一次系統(tǒng)壓力。5、附加參數(shù)（Extra Parameters）¨ Spherical Boundary Conditions - sphericalBC: 設(shè)定是否要設(shè)置球形邊界條件。 - sphericalBCcenter: 設(shè)定球形體系的中心。輸入你記下的球狀水體中心的坐標(biāo)。在這里我們已經(jīng)給出了所需要的坐標(biāo)值。為了使球形邊界條件可以維持，需要設(shè)定一個(gè)邊界勢(shì)能，使得球狀水體得以保持形狀而不會(huì)

47、擴(kuò)散到真空中去。以下三行參數(shù)就是設(shè)定了邊界勢(shì)能。 - sphericalBCr1: 設(shè)定第一個(gè)邊界勢(shì)能起作用的起始半徑。以A為單位。 - sphericalBCk1: 設(shè)定邊界勢(shì)能的force constant。單位是 kcal/mol·A。 - sphericalBCexp1: 設(shè)定邊界勢(shì)能函數(shù)方程的指數(shù)值。必須是正偶數(shù)。 6、執(zhí)行腳本（Execution Script）:最后一個(gè)部分，包含三個(gè)參數(shù)設(shè)定：¨ Minimization: 在本次模擬時(shí)，一開(kāi)始NAMD將不斷改變各個(gè)原子的位置，搜索整個(gè)體系勢(shì)能的最低點(diǎn)（此時(shí)個(gè)原子的動(dòng)能均為0），以作為動(dòng)力學(xué)開(kāi)始的初態(tài)。這就是能

48、量最小化（minimization） - minimize:。這一參數(shù)設(shè)定的是能量最小化時(shí)反復(fù)改變?cè)游恢玫拇螖?shù)。 - reinitvels: 能量最小化時(shí)，各個(gè)原子的速度還是0。這個(gè)參數(shù)設(shè)定的是能量最小化完成之后體系升溫所至的溫度。在這個(gè)例子中是$temperature,即為310K。¨ run：設(shè)置分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行的時(shí)間。以步長(zhǎng)為單位，這里設(shè)定為2500步，即2500 fs x 2 = 5000fs，或5 ns（nanoseconds，納秒）。7、現(xiàn)在關(guān)閉寫字板。2.3.2 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬 前面說(shuō)過(guò)，NAMD沒(méi)有圖形界面，需要打開(kāi)命令行之后找到namd所在目錄，然后輸入namd

49、2運(yùn)行程序。運(yùn)行時(shí)輸入命令的格式是：namd2 配置文件位置 > 輸出日志文件位置 單擊 開(kāi)始運(yùn)行，輸入cmd后回車，打開(kāi)命令行窗口。使用cd命令改換目錄到namd所在的目錄，（本教程中默認(rèn)目錄是namd-tutorial/namd），然后輸入： namd2 ./1-2-sphere/ubq_ws_eq.conf > ./1-2-sphere/ubq_ws_eq.log （注意斜線“/”的方向，不可以輸入“”） 回車之后，系統(tǒng)不返回任何信息，光標(biāo)位于下一行行首并不斷閃動(dòng)，說(shuō)明NAMD已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行。按Ctrl+Alt+Del 打開(kāi)Windows 任務(wù)管理器，在“進(jìn)程”選項(xiàng)卡中可以看到

50、有namd2這一進(jìn)程運(yùn)行，并且CPU占用率一直是100% 。為了使動(dòng)力學(xué)模擬能夠順利完成，在此期間不要進(jìn)行任何操作。提示：Windows命令行中改變當(dāng)前目錄的方法在Windows命令行模式中和VMD TK Console 中都是用cd命令改換當(dāng)前目錄的。但是注意二者的使用方法不同。尤其注意的是：在Windows命令行中以“”而不是 “/”作為目錄分隔符。在Windows命令行模式中，假設(shè)當(dāng)前目錄是C:Windows：1、改換到當(dāng)前盤C盤的任何目錄(以xxx表示)只需要輸入：cd c:xxxxxx2、改換到其它盤中的目錄（以D:xxxxxx表示），可以先在當(dāng)前目錄輸入：cd d:xxxxxx注意

51、此時(shí)目錄不會(huì)改變。只需要再輸入：d:就可以發(fā)現(xiàn)目錄改變到了目的目錄另外，“.”表示的是“當(dāng)前目錄的上一級(jí)目錄”。提示：輸入和輸出文件這里, ./1-2-sphere/ubq_ws_eq.conf是我們的配置文件的所在位置，./1-2-sphere/ubq_ws_eq.log是我們想要得到的日志文件的所在位置。注意：除了日志文件“.log”，NAMD還會(huì)輸出其他文件，但不需要指定NAMD輸出的其他文件(如ubq_ws_eq.coor,ubq_ws_eq.vex等)的位置，因?yàn)樗鼈兡J(rèn)輸出到配置文件ubq_ws_eq.conf所在文件夾中(namd-tutorial/1-2-sphere)，而日志

52、文件ubq_ws_eq.log必須指定位置，否則將會(huì)默認(rèn)輸出到NAMD主程序所在的文件夾中（namd-tutorial/namd）。大約10至20min后程序運(yùn)行完畢，命令行窗口中，光標(biāo)跳到下一行，并顯示當(dāng)前目錄，但是不會(huì)在窗口中返回任何信息。2.4 立方水體中泛素的分子動(dòng)力學(xué)模擬在這一節(jié)中，我們將對(duì)立方水體中的泛素分子進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。對(duì)立方水體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬的時(shí)候，很大的一點(diǎn)不同之處就是需要設(shè)定周期性邊界條件。如果不設(shè)定，那么NAMD將認(rèn)為立方水體四周是真空。進(jìn)行模擬的時(shí)候由于水分子的表面作用，真空中的立方體會(huì)逐漸變成球形（因?yàn)榍蝮w表面積最小）。這樣我們?cè)O(shè)定立方水體也就沒(méi)有什么實(shí)際意義了

53、。之所以要把水體設(shè)定成立方體，是因?yàn)槲覀円獙⒃撍w視作結(jié)構(gòu)單元（cell），然后在模擬的時(shí)候假定立方體四周像搭積木一樣包圍著和該水體同樣的一個(gè)個(gè)立方體。換句話說(shuō)，我們所研究的立方水體只是一個(gè)巨大、連續(xù)水體的一個(gè)小單元。很顯然，球體不可能作為結(jié)構(gòu)單元。只要想像一下為什么磚塊都是立方體而不是球體就明白了。2.4.1 得到配置文件和上一節(jié)球形水體的分子動(dòng)力學(xué)模擬類似，我們提供了動(dòng)力學(xué)模擬所需的配置文件。由于整個(gè)體系的邊界（立方體單元的邊界）是周期性重復(fù)的，所以我們?cè)谂渲梦募幸O(shè)定相應(yīng)的周期性邊界條件（Periodic Boundary Conditions）。使用寫字板打開(kāi)namd-tutoria

54、l/1-3-box 目錄下的配置文件ubq_wb_eq.conf，我們將要講解這一配置文件和上一節(jié)進(jìn)行球狀水體動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)的配置文件的不同之處。1、比較一下可以知道，唯一的不同之處在Simulation Parameters一部分。新增加了下面幾項(xiàng)：¨ Periodic Boundary Conditions - 首先設(shè)定了三個(gè)單元基向量（cell basis vectors）。這三個(gè)向量是：cellBasisVector1, cellBasisVector2, cellBasisVector3。后面的數(shù)值是它們的坐標(biāo)。從坐標(biāo)中可以知道，這三個(gè)向量是兩兩垂直的。比如cellBasis

55、Vector1的坐標(biāo)是42，0，0。平行于x軸，而cellBasisVector2則為0，44，0，平行于y軸。三個(gè)向量設(shè)定之后，就可以建立起一個(gè)三維立方體空間。 - cellOrigin: 設(shè)定初始立方單元的中心。其他的立方單元就以此為中心，開(kāi)始周期性的重復(fù)。因此在2.2一節(jié)進(jìn)行蛋白質(zhì)的溶質(zhì)化的時(shí)候，我們需要記錄下生成的立方水體的中心（這里在配置文件中我們已經(jīng)給出了中心坐標(biāo)）- wrapWater: 設(shè)定開(kāi)啟周期性邊界時(shí)需要設(shè)定這一參數(shù)。這個(gè)參數(shù)的意思是：如果出于邊界區(qū)域的水分子運(yùn)動(dòng)超出了立方體邊界，則對(duì)它的坐標(biāo)做關(guān)于邊界的鏡像變換，從而使水分子回到了立方體單元之中。這樣可以防止立方體邊界區(qū)

56、域的水分子不斷向外擴(kuò)散。 - wrapAll:顧名思義，就是對(duì)所有超出邊界的原子進(jìn)行鏡像。當(dāng)這一參數(shù)設(shè)定為on時(shí)，wrapWater可以不用設(shè)定。¨ PME PME的全稱是Particle Mesh Ewald。當(dāng)設(shè)定了周期性邊界的時(shí)候，使用PME可以方便地處理靜電力相互作用。particle mesh是一個(gè)假想的三維網(wǎng)格，系統(tǒng)中各個(gè)原子所帶的電荷被分布到這一網(wǎng)格上，然后可以計(jì)算出網(wǎng)格上面的各點(diǎn)的靜電勢(shì)，從而計(jì)算出各個(gè)原子的受力情況。因此，網(wǎng)格的尺寸應(yīng)當(dāng)足夠精細(xì)，可以精確反映電荷在系統(tǒng)中的分布。 - PME：設(shè)定PME為on“開(kāi)”或off“關(guān)”。 - PMEGridSizeX: 設(shè)定

57、網(wǎng)格尺寸。注意：雖然參數(shù)名中有一個(gè)“X”，但并不是指X軸方向的尺寸，而是沿單元基向量1（cellBasisVector1）方向的尺寸。尺寸的定義方法是：沿cellBasisVector1所定義的方向作直線，直線跨越的網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目就是網(wǎng)格的尺寸。所以，這一個(gè)參數(shù)設(shè)定越大，網(wǎng)格就越密，越能夠精確地反映電荷分布的真實(shí)情況，但計(jì)算耗時(shí)也越多。一般來(lái)說(shuō)，尺寸略小于10nm的網(wǎng)格能夠比較好的反映生物系統(tǒng)中的電荷分布，因?yàn)樯锵到y(tǒng)中原子的最近距離大約是10nm左右。 - PMEGridSizeY: 設(shè)定網(wǎng)格沿單元基向量2（cellBasisVector2）方向的尺寸。定義方式如上。 - PMEGridSizeZ: 設(shè)定網(wǎng)格沿單元基向量3（cellBasisVector3）方向的尺寸。定義方式如上。需要注意的是，單元基向量1，2，3的長(zhǎng)度略有不同，分別為42，44，47。因此雖然PMEGridSizeX,Y,Z設(shè)定都為32，實(shí)際上每個(gè)方向上的網(wǎng)格尺寸也是不同的。¨ Constant Pressure Control (variable volume