GROMACS 是一個使用經典分子動力學理論研究蛋白質動力學的高端的高效的工具。GROMACS是遵守GNU許可的免費軟件，可以從以下站點下載：http://www.gromacs.org，并且可以在linux和 Windows上使用。

在本教程中，將研究一個從漏斗形蜘蛛的毒液中分離的毒素。我們將使用顯性溶劑動力學的方法來進行研究。首先比較真空中和溶解的模型。我們將把毒素肽溶在水盒子里，緊接著用牛頓運動定律加以平衡。我們還將比較償離子在顯性溶劑動力學中的影響。

1 下載pdb文件

1OMB.pdb (http://www.rcsb.org/pdb/)

2 用pdb2gmx 處理 pdb 文件

pdb2gmx –ignh –ff G43a1  –f 1OMB.pdb  –o fws.pdb  –p fws.top –water spce

 

pdb2gmx  此命令將pdb文件轉換成gromacs文件并產生拓撲文件。

-ignh     因為本pdb文件是由 NMR產生的，含有氫原子，因此用-ignh選項忽略文件中的氫原子。

-ff        指定力場（G43a1是Gromos96力場，一個通用原子力場）。

-f         讀入pdb文件，

-o        指定一個新產生的pdb文件（也可以是其它多種類型文件）的文件名。

-p        指定新產生的拓撲文件名。拓撲文件包含了所有力場參數（基于一開始選擇的力場），因此非常重要。

-water    來指定水模型研究表明SPC/E 水模型在水盒子模擬中表現最好。用SPC/E 水模型研究長程靜電相互作用較好。

#注：對于下面將要用到的任何命令，都可以使用“-h”查看該命令的使用方法，比如，對于命令pdb2gmx 可以使用： pdb2gmx –h

3 建立盒子

editconf  -bt  cubic –f fws.pdb  –o fws.pdb  –d 0.9

 

用上面的命令建立了一個簡單的立方體盒子.

-d      決定了盒子的尺寸，即盒子邊緣距離分子邊緣 0.9nm （9?）。理論上在絕大多數系統中，-d 都不能小于0.85nm。

 

注：editconf 也可以用來進行gromacs文件（*.gro）和pdb 文件（*.pdb）的相互轉化。

例如：editconf  –f file.gro –o file.pdb  則將file.gro  轉換為 file.pdb

 

現在就可以用產生的文件進行真空模擬了。真空模擬就是先能量最小化，然后進行動態模擬。 

4 在盒子中放入溶劑  

genbox –cp fws.pdb  –cs  spc216.gro  –o fws_b4em.pdb –p fws.top

 

genbox命令在editconf產生的盒子基礎上生成水盒子。上面的命令行指定了SPC水盒子。

genbox命令可以在給定尺寸的盒子中加入正確數目的水分子。

5 設置能量最小化

em.mdp文件：Gromacs用*.mdp 文件指定所有計算的參數。

它用最速下降法消除原子位置碰撞。編輯文件，將 nsteps 變成400。如果最小化不能收斂，就用nsteps=500 再做一次。（最小化在400步內一般是能收斂的，但不同的平臺可能結果會不一樣。）要重做的話，必須重新運行grompp（注意：預處理器的位置在你的機器上可能不同，用which命令來定位，即 which cpp）

 

em.mdp文件內容：

title       –標題隨便取（最長64 個字，簡單點好）

cpp       –指定預處理器的位置

define     –傳遞給預處理器的一些定義。–DFLEXIBLE 告訴 grompp將spc水模型而非剛性 SPC包含進拓撲文件，以便用最陡下降法進一步最小化能量。 

constraints  –設置模型約束

integrator  – steep，告訴 gompp 使用最速下降法進行能量最小化。cg則代表使用共軛梯度法。

dt         –能量最小化用不用。只在動力學模擬中用（如 md）。 

nsteps     –在能量最小化中，指定最大運行步數。

nstlist     –更新鄰居列表的頻率。 nstlist = 10表示每10 步更新一次。

rlist       –短程鄰居列表的閾值。

coulombtype  –告訴gromacs如何計算靜電。PME為particle mesh ewald 法（參見 Gromacs用戶手冊） 

rcoulomb   –指定庫侖力閾值

vdwtype    –告訴Gromacs如何計算范德華作用(cut-off, Shift 等） 

rvdw       –指定 LJ 或Buckingham勢能距離閾值 

EM Stuff

emtol      –最大的力如果小于此值則能量最小化收斂（結束）（單位kJ mol–1 nm–1）

emstep     –初始步長（nm）

6 用grompp程序進行文件處理

grompp是預處理程序（即the gromacs pre-processor 的縮寫） 

 

grompp –f em.mdp –c fws_b4em.pdb –p fws.top –o fws_em.tpr

 

-f      標簽指定輸入參數文件（*.mdp ）。

-c      輸入結構文件（pdb文件，*.pdb）;

-p      輸入拓撲文件

-o      輸出mdrun的輸入文件（*.tpr ）。

7 使用 genion 和tpr文件添加離子

對生成的 tpr文件加入補償離子以中和系統中的凈電荷。我們的模型中有+ 2.00靜電，因此加入兩個氯離子。將fws_em.tpr 文件拷貝到“ionwet ”子目錄，并且將fws.top 和posre.itp拷貝到這個目錄。用genion 命令添加氯離子：

genion –s fws_em.tpr –o fws_ion.pdb –nname CL- –nn 2 –g fws_ion.log 

-nname   指定陰離子名稱（在Gromos G43a1力場中，用CL-表示氯離子。參見ions.itp 查看wrt力場中離子詳細信息）

-nn      是指定加入的陰離子數目。

-g       輸出genion 的log文件。

 

運行這個命令時，提示提供一個連續的溶劑組，應該是組12（SOL ）。輸入12 ，回車。程序會告知你有兩個溶劑分子被氯離子代替。現在你必須修改fws.top 文件：

添加

#include “ions.itp” （注意：3.2及以后版本會自動添加）

經過包含聲明后，力場在最后減掉兩分子SOL ，加入兩分子Cl 。

8 用fws_ion.pdb來產生能量最小化的輸入文件

你還需要修改pr_md.mdp和md.mdp兩個文件中的溫度耦合參數。

加氯離子后的 pr_md.mdp 和md.mdp文件的溫度耦合參數

; Berendsen temperature coupling using vel rescaling is on

Tcoupl   = v-rescale

tau_t    = 0.1 0.1

tc_grps  = protein non-protein

ref_t    = 300 300

 

記住：如果要加入氯離子，需要重新運行第6步的grompp。首先刪除舊的 fws_em.tpr 文件，然后運行下面的 grompp命令：

grompp –f em.mdp –c fws_ion.pdb –p fws.top –o fws_em.tpr

9 在后臺運行能量最小化

nohup mdrun –v –s fws_em.tpr –o fws_em.trr –c fws_b4pr.pdb –e em.edr –g em.log &

nohup...& 使任務后臺運行

用tail命令檢查最小化的進程

tail  –15 em.log

當能量最小化結束，你將看到log文件中有如下總結文字，表明最速下降收斂了。

用tail -50 em.log ：

設置位置限制性動力學模擬、非限制性動力學模擬以及對結果分析詳見收費內容。

下圖是基于Pymol程序制作的NRM結構圖：