amber中生成小分子模板
第一步：生成小分子模板 蛋白质中各氨基酸残基的力参数是预先存在的，但是很多模拟过程会涉及配体分子，这些有机小分子有很高的多样性，他们的力参数和静电信息不可能预存在库文件中，需要根据需要自己计算生成模板。amber中的antechamber 程序就是生成小分子模板的。生成模板要进行量子化学计算，这一步可以由antechamber中附带的mopac完成，也可以由gaussian完成，这里介绍用gaussian计算的过程。 建议在计算前用sybyl软件将小分子预先优化，不要用gaussian优化，大基组从头计算进行几何优化花费的计算时间太长。gaussian计算的输入文件可以用antechamber程序直接生成，生成后去掉其中关于几何优化的参数即可 将小分子优化后的结构存储为mol2各式，上传到工作目录，用antechamber程序生成gaussian输入文件，命令如下： antechamber -i 49.mol2 -fi mol2 -o 49.in -fo gzmat 这样可以生成49.in文件，下载到windows环境，运行gaussian计算这个文件，如果发现计算时间过长或者内存不足计算中断， 可以修改文件选择小一些的基组。 获得输出文件49.out之后将它上传到工作目录，再用antechamber生成模板，命令如下： antechamber -i 49.out -fi gout -o 49mod.mol2 -fo mol2 -c resp 运行之后就会生成一个新的mol2文件，如果用看图软件打开这个文件会发现，原子的颜色很怪异，这是因为mol2的原子名称 不是标准的原子名称，看图软件无法识别。下面一步是检查参数，因为可能会有一些特殊的参数在gaff中不存在需要程序注入， 命令如下： parmchk -i 49mod.mol2 -f mol2 -o 49mod 这样那些特殊的参数就存在49mod这个文件中了
第二步：处理蛋白质文件 amber自带的leap程序是处理蛋白质文件的，他可以读入PDB各式的蛋白质文件，根据已有的力场模板为蛋白质赋予键参数和静电参数。 PDB格式的文件有时会带有氢原子和孤对电子的信息，但是在这种格式下氢原子和孤对电子的命名不是标准命名，力场模板无法识别这 种不标准的命名，因此需要将两者的信息删除 ATOM 12 1H ARG A 82 12.412 8.891 34.128 1.00 0.00 H 在PDB各式里面，氢原子的信息会在第13或者14列出现H字符，可以应用grep命令删除在13或者14列出现H的行 命令如下： grep -v '^.............H' 1t4j.pdb > x grep -v '^............H' x > 1t4j_noh.pdb 除了删除氢和孤对电子，还应该把文件中的结晶水、乙酸等分子删除，这些分子的信息常常集中在文件的尾部，可以直接删除。 处理过之后的蛋白质文件，只包括各氨基酸残基和小分子配体的重原子信息，模拟需要的氢原子和水分子将在leap中添加 接下来需要进一步整理蛋白质文件，主要关注氨基酸的不同存在形态和小分子的原子名称。 半胱氨酸有两种存在形态，有的是两个半胱氨酸通过二硫键相连，有的则是自由的，两种半胱氨酸在力场文件中是用不同的unit来表示的， 这相当于是两个完全不同的氨基酸，需要手动更改蛋白质文件中半胱氨酸的名字，桥连的要用CYX，自由的用CYS 组氨酸有若干种质子态，和半胱氨酸一样，也需要查阅文献确定这些质子态，并更改残基名称 最后需要修改的是配体分子的原子名，这是工作量最大的事情，仔细观察可以发现，一般PDB文件中配体的各个原子名称，和我们上面通过 antechamber 生成的49mod.mol2中原子名称并不一致，这会造成leap无法识别这些原子，无法为这些原子赋予力参数和静电参数， 因此需要手动更改蛋白质文件中配体分子的原子名称。 进行这一步可以同时用看图软件打开49mod.mol2和蛋白质文件，隐藏蛋白质文件中除配体分子以外的所有结构，旋转两个文件， 让他们姿态相近，以方便观察，并且在各自均标识原子名称，然后用文字编辑软件打开蛋白质文件，核对看图软件中两个分子对 应的原子名称，手动逐一修改。 修改原子名称需要极大的耐心和细心，如果发生错误下一步的操作会无法继续。我现在想到的也只有这个笨办法，如果谁还有别的好法子 ，欢迎告诉我。 现在文件的准备工作都已经完成，该开始正式的模拟了
第三步：生成拓扑文件和坐标文件 用amber进行分子动力学模拟需要坐标和拓扑文件，坐标文件记录了各个质点所座落的坐标，拓扑文件记录了整个体系各质点之间的 链接状况、力参数电荷等信息。这两个文件是由leap 程序生成的 amber中有两个leap程序，一个是纯文字界面的tleap，一个是带有图形界面的Xleap。但是amber的图形界面做得很差，用远程登录使用 图形界面不仅麻烦而且慢，所以我比较偏爱使用tleap，两个leap的命令是完全一样的，其实用哪一个都无所谓。 启动tleap，在shell里输入命令tleap，leap就启动了，shell里会显示 -I: Adding /usr/local/amber8/antechamber-1.23/dat/leap/prep to search path. -I: Adding /usr/local/amber8/antechamber-1.23/dat/leap/lib to search path. -I: Adding /usr/local/amber8/antechamber-1.23/dat/leap/parm to search path. -I: Adding /usr/local/amber8/antechamber-1.23/dat/leap/cmd to search path. Welcome to LEaP! (no leaprc in search path) > 这个>是leap的提示符 下面要调入库文件。amber是模拟生物分子的好手，主要就是依靠专门为蛋白质多糖核酸量身订做的amber力场，力场的所有参数都存 储在库文件里，所以打开leap第一件事便是调入库文件。 amber提供了很多种库，这里我们只用到两个库，gaff和02库，输入命令： >source leaprc.gaff >source leaprc.ff02 之后两个库就调入进来了 这时可以用list命令看看库里都有什么： 这里面罗列的就是库里面的unit，包括20种氨基酸、糖以及核酸还有一些常见离子的参数 下面一步是调入配体分子的模板，首先补全参数，输入命令： >loadamberparams 49mod 然后读入模板文件,输入命令： >MOL = loadmol2 49mod.mol2 其中MOL是unit的名字，要保证这个名字和pdb文件中配体的残基名完全一致，否则系统仍然无法识别pdb文件中的小分子 现在再输入list命令会发现库里面多了一个unit: 那个就是配体分子的模板 下面读入pdb文件，输入命令： >comp = loadpdb 1t4j_noh.pdb 如果输入这个命令之后，屏幕上出现了大量的创建unit或者atom的信息，如下所示，则说明上面一步的pdb文件处理没有做好， 还需要重新处理，通常这种情况都发生在配体分子上面，有时则是因为蛋白质中存在特殊残基。 Creating new UNIT for residue: FRJ sequence: 1 Created a new atom named: O36 within residue: .R Created a new atom named: S33 within residue: .R Created a new atom named: O35 within residue: .R Created a new atom named: N34 within residue: .R 如果屏幕仅仅显示添加原子，这说明输入的PDB文件中缺失了部分重原子，leap根据模板自动补全了这些缺失的原子，这种情况 不会影响进一步的计算 Added missing heavy atom: .R.A Added missing heavy atom: .R.A Added missing heavy atom: .R.A Added missing heavy atom: .R.A 根据体系的具体情况，还可能要将成对的CYX残基中的二硫键相连，有时候还会链接其他原子，比如将糖基链接在氨基酸残基上 ，用bond命令可以完成，命令用法如下： >bond comp.35.SG comp.179.SG 其中comp是刚才读入的分子名称，35和179是残基序号，SG是CYX残基模板中硫原子的名称，用comp.35.SG这样的语法就可以定 位一个原子 如果希望进行考虑溶剂效应的动力学模拟，可能还需要为体系加上水，加水有很多种命令，这里只列举一个： >solvatebox comp TIP3PBOX 10.0 solvatebox命令是说要加上一个方形的周期水箱，comp指要加水的分子，TIP3PBOX是选择的水模板名称，10.0是水箱子的半径 有的体系总电荷不为0，为了模拟稳定，需要加入抗衡离子，系统会自动计算体系的静电场分布，在合适的位置加上离子，命令如下： >addions comp Na+ 0 意思是用钠离子把体系总电荷补平，还可以选择其他库里面有的离子。 完成这一步之后就可以输出拓扑文件和坐标文件了，但是为了方便起见，在运行最后一步之前要先把leap里加工好的分子单独存 成一个库文件，以后可以直接调用这个库文件，免得重复上面的操作： >saveoff comp 1taj.off 这样就生成了一个off文件在那里，下面输出拓扑文件和坐标文件 >saveamberparm comp 1t4j.prmtop 1t4j.inpcrd Checking Unit. Building topology. Building atom parameters. Building bond parameters. Building angle parameters. Building proper torsion parameters. Building improper torsion parameters. total 1 improper torsion applied Building H-Bond parameters. Not Marking per-residue atom chain types. Marking per-residue atom chain types. (Residues lacking connect0/connect1 - these don't have chain types marked: res total affected CMET 1 ) (no restraints) >quit 现在准备好拓扑文件和坐标文件，接下来就可以开始能量优化和动力学模拟了。如果愿意的话还可以用ambpdb这个命令生成一 个pdb文件，直观地看一看生成了什么东西，命令如下： [snowyowls@localhost actualamber]
可以下载之后用看图软件欣赏，如果加了溶剂盒子的话，看的时候可要小心，会恨吓人的样子。
第四步：能量优化 用amber进行分子动力学模拟需要坐标和拓扑文件，这在上一步已经完成了，分别生成了1t4j.prmtop 和1t4j.inpcrd两个文件 ，下面一步就是动力学模拟之前的能量优化了。 由于我们进行的起始结构来自晶体结构或者同源模建，所以在分子内部存在着一定的张力，能量优化就是在真正的动力学之前， 释放这些张力，如果没有这个步骤，在动力学模拟开始之后，整个分子可能会因此散架。 能量优化由sander模块完成，运行sander至少需要三个输入文件，分别是分子的拓扑文件，坐标文件以及sander的控制文件。 现在分子的拓扑文件和坐标文件已经完成，需要建立输入文件，min_1.in Initial minimisation of our structures &cntrl imin=1, maxcyc=4000, ncyc=2000, cut=10, ntb=1,ntr=1, restraint_wt=0.5 restraintmask=':1-283' / 文件首行是说明，说明这项任务的基本情况； &cntrl与/之间的部分是模拟的参数 其中imin=1表示任务是能量优化，maxcyc=4000表示能量优化共进行4000步，ncyc=2000表示在整个能量优化的4000步中， 前 2000步采用最陡下降法，在2000步之后转换为共轭梯度法，如果模拟的时候不希望进行方法的转换，可以再加入另一 个关键词NTMIN，如果NTMIN =0则全程使用共轭梯度法，NTMIN=2则全程使用最陡下降法，此外还有=3和=4的选项，分别是xmin法和lmod法 ，具体情况可以看手册。 第二行的cut=10表示非键相互作用的截断值，单位是埃， ntb=1表示使用周期边界条件，这个选项要和前面生成的拓扑文件坐标文件相匹配， 如果前面加溶剂时候用的是盒子水，就设置ntb=1，如果加的是层水，那就应该选择ntb=0；ntr=1表示在能量优化的过程中要约束一些原子， 约束的是哪些原子呢？后面有。 第三行和第四行都是关于约束原子的信息，restraint_wt=0.5限定了约束的力常数，在这里约束原子就是把原子用一根弹簧拉在固定的 位置上，一旦原子偏离固定的位置，系统就会给他施加一个回复力，偏离的越远，回复力越大，回复力就是由这个力常数决定的，单位是 Kcal/(mol*A)。 restraintmask=':1-283'表示约束的是从1到283号残基，在这个分子中，1-283号残基是蛋白质上的氨基酸残基，从284 号开始，就都是水了，所以这个命令的意思就是，约束整个蛋白质，自由地优化溶剂分子。因为溶剂分子是前面的tleap自动给加上的， 所以一定要额外多关注一些。 下面运行sander来执行这个优化： [snowyowls@localhost actualamber]sander -O -i min_1.in -p 1t4j.prmtop -c 1t4j.i npcrd -ref 1t4j.inpcrd -r 1t4j_min1.rst -o 1t4j_min1.out 命令中，-O表示覆盖所有同名文件，-i min_1.in表示sander的控制文件是min_1.in，-p 1t4j.prmtop表示分子的拓扑文件 ，-c 1t4j.inpcrd表示坐标文件，-ref 1t4j.inpcrd是参考坐标文件，只有在控制文件中出现关键词ntr=1的时候才需要给 sander指定-ref文件，这是约束原子的参考坐标，- ref 1t4j.inpcrd就是说以1t4j.inpcrd中的坐标为准进行约束原子的优化。 以上这四个是输入文件。-r 1t4j_min1.rst表示经过模拟之后新的原子坐标会输出到1t4j_min1.rst文件中，-o 1t4j_min1.out 则表示优化过程中的相关信息都会写入到1t4j_min1.out文件中。 运行起这个命令之后，等拿到 1t4j_min1.rst文件就意味着对溶剂的优化已经差不多了，显然下面还需要对蛋白质本身进行优化， 这个优化还要分两步进行，控制文件分别是min_2.in 和min_3.in min_2.in Initial minimisation of our structures &cntrl imin=1, maxcyc=5000, ncyc=2500, cut=10, ntb=1,ntr=1, restraint_wt=0.5 restraintmask=':1-283@CA,N,C' / 在这里发生变化的是约束原子的范围， ':1-283@CA,N,C'表示1-283号残基中名叫CA，N和C的原子，这些原子实际上是蛋白质主链上 的原子，也就是说这一次的优化是约束了蛋白质主链上的原子之后，对溶剂和侧链原子进行自由优化。 min_3.in Initial minimisation of our structures &cntrl imin=1, maxcyc=10000, ncyc=5000, cut=10, ntb=1, / 在这里不再进行约束原子的优化了，对整个分子进行全原子优化。 三步优化的命令如下： [snowyowls@localhost actualamber]
sander -O -i min_1.in -p 1t4j.prmtop -c 1t4j.inpcrd -ref 1t4j.inpcrd -r 1t4j_min1.rst -o 1t4j_min1.out [snowyowls@localhost actualamber]
sander -O -i min_3.in -p 1t4j.prmtop -c 1t4j_min2.rst -r 1t4j_heat0.rst -o 1t4j_min3.out 接下来就是真正的分子动力学模拟了……
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