氫鍵分析
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2021-10-03
氫鍵分析的實例教程
分子間氫鍵顯著影響著聚合物鏈之間的相互作用。根據自由體積理論，分子間氫鍵的存在提高了聚合物分子鏈之間的引力，使得自由體積降低且聚合物達到臨界自由體積分數所需要的能量升高。此外，分子鏈間的引力升高也導致分子鏈滯后損失增大，阻尼值也隨之升高。因此在研究過程中，我們時常需要對氫鍵數目進行統計分析。
為了獲得氫鍵的相關信息，我們首先要對結構進行動力學計算,MD模擬的求解過程通常包括以下四個步驟[81]: (1)選取合適的模型(包括力場的確定?系綜的選取和邊界條件的確定);(2)設定初始條件;(3)動力學演化(通過一系列動力學平衡過程使系統趨于穩定的平衡態)和統計計算物理量(包括原子平均動能和速度相關函數等)?力場是包含系統所有粒子間相互作用勢的函數,是MD模擬結果可靠與否的首要因素?適合聚合物體系的力場包括PCFF?CVFF?DREIDING、COMPASS?為了確保模擬體系各原子所受合力一致和密度的均一穩定分布，引入統計熱力學中的系綜概念，在實際工作中經常遇到的則是正則(NVT)或者等溫等壓(NPT)系綜?通過引入熱浴(Brendsen?Anderson和Nose-Hoover等)實現對動力學模擬過程中溫度的控制，從而使體系能夠在NVT或NPT系綜下實現MD模擬。
在動力學計算結束之后，我們就可以對氫鍵的相關性質進行分析。如最后一幀氫鍵數目，每一個氫鍵的長度，氫鍵角度等。
最后，有相關需求歡迎通過微信公眾號聯系我們。
展開 一、培訓概述
本培訓旨在提高學員Perl腳本編寫能力，能實現自行編寫腳本，提高Perl腳本進行高級分析的能力。通過四個課時的系統學習，將以軌跡氫鍵腳本、拔拉過程腳本、相互作用能腳本、自由體積分數密度獲取腳本、添加力場腳本以及裂解過程小分子產生腳本為例子，講解腳本的基本運行邏輯，確保學員能夠全面理解并應用所學知識。
培訓內容
軌跡氫鍵腳本的使用（0.5課時）
氫鍵識別與分析原理
軌跡氫鍵腳本的編寫與運行
氫鍵分析結果解讀與應用
拔拉過程的實現及腳本使用（1課時）
拔拉過程模擬原理
拔拉腳本的編寫與參數設置
拔拉模擬結果分析與討論
全過程相互作用能腳本的使用（1課時）
相互作用能計算原理
相互作用能腳本的編寫與運行
相互作用能結果分析與優化建議
基于Perl語言實現軌跡文件自由體積分數密度的獲取（0.5課時）
自由體積分數密度計算原理
Perl腳本編寫與軌跡文件處理
自由體積分數密度結果解讀與應用
基于Perl語言的MS中Forcite模塊的添加力場腳本的使用（0.5課時）
力場添加原理與意義
Perl腳本編寫與Forcite模塊集成
力場對模擬結果的影響分析
裂解過程中小分子產生的腳本獲取方法（0.5課時）
裂解過程模擬原理與步驟
小分子產生腳本的編寫與運行
小分子產生結果分析與后續處理
三、培訓時間與費用
培訓時間：2024年4月20日-21日，共計4個課時。
培訓費用：1800元/人，包含培訓材料、實踐操作指導及課后答疑服務。
展開 關鍵詞：GROMACS；酒精-水混合物；互溶性；分子動力學；氫鍵分析
背景介紹
酒精與水的互溶行為在化學、材料、生物醫藥等多個領域中具有重要意義。例如，藥物溶液設計、溶劑工程、生物膜相互作用等都依賴于對醇-水體系微觀結構的深入理解。傳統實驗雖然能觀察到宏觀性質變化，但在分子尺度上的機理揭示仍需借助分子動力學模擬。
本案例基于GROMACS軟件，模擬分析乙醇-水混合液體系的互溶過程與氫鍵網絡特征，探索兩種液體互溶行為背后的分子機制。
初始模型構建
首先利用Packmol構建水與乙醇兩相體系，各占3×3×3 nm3盒子的一半，packmol輸入文件如圖1所示：
圖1 Packmol 輸入文件
所構建的初始水-乙醇兩相體系模型結構如圖2所示：
圖2 初始乙醇-水兩相結構
首先進行能量最小化：
gmx grompp -f em.mdp -c mix.gro -p top.top -o em.tpr -maxwarn 1
gmx mdrun -v -deffnm em
能量最小化后進行2 ns的平衡模擬:
gmx grompp -f md.mdp -c em.gro -p top.top -o md.tpr -maxwarn 1
gmx mdrun -v -deffnm md
模擬分析
經過2ns的平衡模擬后，可以看到乙醇和水分子已經發生了充分的混合，如圖3所示：
圖3 模擬2ns后乙醇-水混合體系快照
我們進一步統計模擬過程中乙醇與水分子之間氫鍵數目的變化，如圖4所示：
圖4 乙醇與水分子之間氫鍵數目的變化
可以看到，模擬到200ps左右乙醇與水分子之間形成的氫鍵數已經基本不變，說明此時體系已經混合得較為均勻。
展開 分子動力學結果分析
3.1軌跡文件觀察
3.2能量數據作圖
3.3 軌跡修正處理
3.4 回旋半徑分析
3.5 計算蛋白構象的rmsd 變化
3.6計算原子位置的rmsf變化
3.7 蛋白配體構象聚類
3.8蛋白配體相互作用氫鍵分析
3.9 蛋白配體相互作用能分析
實例講解與練習：
（1）水中的溶菌酶純蛋白模擬
（2）t4溶菌酶及配體復合物模擬
答疑 針對后三天學習問題的答疑
了解更多內容 請關注公眾號：第一性原理計算與應用
vx：15010498280
qq：745729222
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3.2能量數據作圖
3.3 軌跡修正處理
3.4 回旋半徑分析
3.5 計算蛋白構象的rmsd 變化
3.6計算原子位置的rmsf變化
3.7 蛋白配體構象聚類
3.8蛋白配體相互作用氫鍵分析
3.9 蛋白配體相互作用能分析
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答疑 針對后三天學習問題的答疑
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關鍵詞：GROMACS；酒精-水混合物；互溶性；分子動力學；氫鍵分析
背景介紹
酒精與水的互溶行為在化學、材料、生物醫藥等多個領域中具有重要意義。例如，藥物溶液設計、溶劑工程、生物膜相互作用等都依賴于對醇-水體系微觀結構的深入理解。傳統實驗雖然能觀察到宏觀性質變化，但在分子尺度上的機理揭示仍需借助分子動力學模擬。
培訓內容
軌跡氫鍵腳本的使用（0.5課時）
氫鍵識別與分析原理
軌跡氫鍵腳本的編寫與運行
氫鍵分析結果解讀與應用
拔拉過程的實現及腳本使用（1課時）
拔拉過程模擬原理
拔拉腳本的編寫與參數設置
拔拉模擬結果分析與討論
全過程相互作用能腳本的使用（1課時）
相互作用能計算原理
相互作用能腳本的編寫與運行
相互作用能結果分析與優化建議
但是，對于動力學的大體系，或者是幾百上千的軌跡過程的氫鍵樹目判斷，確實不太可行的，因此，我們構建了以perl為基礎的腳本文件實現對氫鍵的分析，具體分析結果如下所示。
這是對最后一幀的數據統計，通過對最后一幀的統計，也可以是就算過程中的任意幀的統計，我們可以清洗的或者體系中氫鍵的數量和長度。
分子動力學結果分析
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3.3 軌跡修正處理
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3.5 計算蛋白構象的rmsd 變化
3.6計算原子位置的rmsf變化
3.7 蛋白配體構象聚類
3.8蛋白配體相互作用氫鍵分析
3.9 蛋白配體相互作用能分析
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（1）水中的溶菌酶純蛋白模擬
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答疑 針對后三天學習問題的答疑
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3.6計算原子位置的rmsf變化
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（2）t4溶菌酶及配體復合物模擬
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3.3 軌跡修正處理
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3.6計算原子位置的RMSF變化
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實例講解與練習：
（1）水中的溶菌酶純蛋白模擬（2）T4溶菌酶及配體復合物模擬
答疑
分子動力學結果分析
3.1軌跡文件觀察
3.2能量數據作圖
3.3 軌跡修正處理
3.4 回旋半徑分析
3.5 計算蛋白構象的RMSD 變化
3.6計算原子位置的RMSF變化
3.7 蛋白配體構象聚類
3.8蛋白配體相互作用氫鍵分析
因此在研究過程中，我們時常需要對氫鍵數目進行統計分析。
