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AMBER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：X－windows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。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。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：
mkdir
myproj
cd 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pdb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
-f
leaprc.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。
bond
oxy.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。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：
saveamberparm
oxy
oxy_vac.top
oxy_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，
solvateoct
oxy
TIP3PBOX
9.0
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：
saveamberparm
oxy
oxy.top
oxy.crd
quit
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”
source
leaprc.ff03
oxy=loadpdb oxyt.pdb
bond oxy.1.SG
oxy.6.SG
check oxy
saveamberparm oxy oxy_vac.top oxy_vac.crd
solvateoct oxy
saveamberparm oxy oxy.top oxy.crd
quit
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
-f
oxy.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.in”
oxytocin: initial minimization prior to MD
&cntrl
imin = 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 min_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.in
oxytocin MD in-vacuo, 12 angstrom cut off, 250 ps
&cntrl
imin = 0, ntb = 0,
igb = 0, ntpr = 100, ntwx = 500,
ntt = 3, gamma_ln = 1.0,
tempi = 300.0, 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。
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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
&cntrl
imin = 1,
maxcyc = 1000,
ncyc = 500,
ntb = 1,
ntr = 1,
cut = 10
/
Hold the protein fixed
500.0
RES 1 9
END
END
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”表示肽链残基数目，因为我们学习使用的oxytocin有9个残基。
模拟命令如下：
sander –O –i min1.in –o min1.out –p oxy.top –c oxy.crd –r oxy_min1.rst –ref oxy.crd &
2、整系统能量最优化。
配置文件min2.in如下：
oxytocin: initial minimisation whole system
&cntrl
imin = 1,
maxcyc = 2500,
ncyc = 1000,
ntb = 1,
ntr = 0,
cut = 10
/
命令如下：
sander –O –i min2.in –o min2.out –p oxy.top –c oxy_min1.rst –r oxy_min2.rst &
3、有限制的分子动力学。
第 一步分子动力学保持蛋白分子位置不变，但是不是完全固定每个原子，同时缓解蛋白分子周围的水分子，是溶剂环境能量优化。在这个步骤中，我们将主要目的是对 特定的原子使用作用力使其能量优化。我们要优化溶剂环境，至少需要10ps，我们将使用20ps用来优化我们上两步制作的分子系统的周期性边界的溶剂环 境。
命令配置文件md1.in如下：
oxytocin: 20ps MD with res on protein
&cntrl
imin = 0,
irest = 0,
ntx = 1,
ntb = 1,
cut = 10,
ntr = 1,
ntc = 2,
ntf = 2,
tempi = 0.0,
temp0 = 300.0,
ntt = 3,
gamma_ln = 1.0,
nstlim = 10000, dt = 0.002,
ntpr = 100, ntwx = 500, ntwr = 1000
/
Keep protein fixed with weak restraints
10.0
RES 1 9
END
END
上述参数解释如下：
ntb = 1：表示分子动力学过程保持体积固定。
imin = 0：表示模拟过程为分子动力学，不是能量最优化。
nstlim = #：＃表示计算的步数。
dt = 0.002：表示步长，单位为ps，0.002表示2fs。
temp0 = 300：表示最后系统到达并保持的温度，单位为K。
tempi = 100：系统开始时的温度。
gamma_ln = 1：表示当ntt＝3时的碰撞频率，单位为ps-1（请参考AMBER手册）
ntt = 3：温度转变控制，3表示使用兰格氏动力学。
tautp = 0.1：热浴时间常数，缺省为1.0。小的时间常数可以得到较好的耦联。
vlimit = 20.0：保持分子动力学稳定性速度极限。20.0为缺省值，当动力学模拟中原子速度大于极限值时，程序将其速度降低到极限值以下。
comp = 44.6： 溶剂可压缩单位。
ntc = 2：Shake算法使用标志位。1表示不实用使用，2表示氢键将被计算，3表示所有键都将被计算在内。
tol = #.#####：坐标位置重新设置的几何位置相对容忍度。
我 们将使用一个较小的作用力，10kcal/mol。在分子动力学中，当ntr＝1时，作用力只需要5-10kcal/mol（我们需要引用一个坐标文件做 分子动力学过程的比较，我们需要使用"-ref"参数）。太大的作用力同时使用Shake算法和2fs步长将使整个系统变得不稳定，因为大的作用力使系统 中的原子产生大频率的振动，模拟过程并步需要。
运行命令如下：
sander –O –i md1.in –o md1.out –p oxy.top –c oxy_min2.rst –r oxy_md1.rst –x oxy_md1.mdcrd –ref oxy_min2.rst –inf md1.info&
进行MD的运行时间一般较长，可以使用程序的并行版本提交集群计算。在主频位2.0GHz的P4单机上，大概需要一个钟头。可以随时查看md1.in文件的程序输出。
4、整系统分子动力学模拟。
这一步中，我们将进行整个系统的分子动力学模拟，而不对某些特定原子位置进行限制。因为知识一个小例子，我们将只进行250ps的MD计算。配置文件md2.in如下：
oxytocin: 250ps MD
&cntrl
imin = 0, irest = 1, ntx = 7,
ntb = 2, pres0 = 1.0, ntp = 1,
taup = 2.0,
cut = 10, ntr = 0,
ntc = 2, ntf = 2,
tempi = 300.0, temp0 = 300.0,
ntt = 3, gamma_ln = 1.0,
nstlim = 125000, dt = 0.002,
ntpr = 100, ntwx = 500, ntwr = 1000
/
上面一些参数解释如下:
ntb=2：表示分子动力学过程的压力常数。
ntp＝1：表示系统动力学过程各向同性。
taup = 2.0：压力缓解时间，单位为ps。
pres＝1：引用1个单位的压强。
使用以下命令进行MD：
sander –O –i md2.in –o md2.out –p oxy.top –c oxy_md1.rst – r oxy_md2.rst –x oxy_md2.mdcrd –ref oxy_md1.rst –inf md2.info &
模拟时间较长，在P4单机2.0GHz的上需要7.5个小时。
到 此，模拟全部完成，接下来要对得到的数据进行分析。主要数据文件.out文件，包含系统能量、温度，压力等等；.mdcrd文件，是分子动力学轨迹文件， 可以求系统蛋白的RMSD，回转半径等等。数据分析根据不同的研究目的不同而不同，我们将在后文中进行一些简单的分析。
使用pdbviewer软件 load structure的时候，假设侧链缺失会 有提示错误信息。
直接使用xleap产生该结构的top crd后，再使用ambpdb重新产生structure即可加上侧链
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