力場構建
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-19
力場構建的實例教程
力場構建
在整個模擬工作的前期，最為關鍵的事情就是得到準確的力場參數和文件。對于蛋白質等生物分子，Gromacs可以自動識別氨基酸并產生準確的力場文件，但是對于某些特殊的小分子，Gromacs并不能識別和產生力場參數。這時候需要自己構建合適的力場或者利用現有的網站去生成。在此推薦一個力場生成網站：http://zarbi.chem.yale.edu/ligpargen/index.html。該網站需要認為畫出小分子的結構，然后會自動識別并產生分子的OPLS全原子力場。
結語
本文簡要介紹了Gromacs的操作流程和力場產生的方式。在實際的操作過程中，用戶需要準確了解每個命令中的用途以及如何針對自己的需要選擇合適的力場類型以及mdp文件中的設定例如計算時長，輸出頻率，溫度和壓力的耦合方式等。另外，力場的構建是模擬準備工作中非常關鍵的一步。由于Gromacs可以識別的分子有限，對于許多工作來說，分子力場的構建非常棘手。本文僅以opls力場為例，用現有的網站輔助生成。實際工作中針對不同的需求，在力場構建時還會需要到一定的文獻調研和編程能力。
最后，有相關需求和疑問，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
展開 本文介紹一種建立力場的方式以及在蛋白質-小分子模擬過程中需要注意的重要問題。
首先，我們選擇需要模擬的蛋白質和小分子。蛋白質的構象可以從在線的PDB庫找到（https://www.rcsb.org/ )。小分子的構象可以通過相關的網頁或者軟件進行構建。然后通過手動或者對接的方式將蛋白和小分子組合。這樣就可以初步得到蛋白-配體復合物的構象。如下圖：
之前的模擬介紹過如何生成蛋白質的力場。如果此時使用gmx pdb2gmx -f AA.pdb -o AA.gro命令來建立力場時，會發現gromacs無法識別小分子并產生相關的力場。在此我們介紹一種生成力場的工具：CGenFF (https://cgenff.umaryland.edu/ )，我們可以通過該網站提供的工具產生mol2文件。其中要注意的是生成力場是一定要對配體把缺失的H原子補上，以生成準確的全原子力場。注意生成的mol2文件可能存在一些小錯誤需要手動修改。
在此我們還需要準備需要的力場文件，然后利用我們提供的腳本來進行力場的建立。大概命令為：python ff_charmm2gmx.py AA AA_fix.mol2 aa.str charmm36-mar2019.ff。力場生成后需要準確將力場文件以及對應的模擬參數文件逐個寫入top文件。如圖所示：
力場生成后我們可能還需要手動修改蛋白-配體結構文件。在此我們就可以通過使用對應命令來構建盒子并且添加溶劑。如圖所示
之后的模擬就可以按步驟利用對應的mdp文件生成tpr并且進行模擬。
展開 今天以KALP15蛋白為例，主要介紹基于Gromacs進行膜蛋白體系的構建和模擬。
1. 蛋白結構預處理。首先通過可視化軟件（VMD、pymol等）檢查結構文件中的分子成分，去除不需要的組分。然后通過pdb2gmx命令講原始結構文件進行轉換并選擇相應力場。
2. 選擇合適的膜組分。根據自身需要選擇合適的磷脂成分（https://people.ucalgary.ca/~tieleman/download.html 可下載相關結構和力場）。并且在該步驟利用蛋白和磷脂力場構建需要的topol文件。
3. 選擇合適的蛋白和磷脂取向。由于膜蛋白的取向和在膜上的高度是固定的，因此要根據文獻報道確定合適的取向和位置。該步驟可使用trjconv和editconf等命令可以進行構象的調整。如圖所示
4. 磷脂對蛋白質的包裹。由于上個步驟中構建的體系僅僅是調整了取向，磷脂還是非常松散，因此需要將磷脂進行收縮堆積。這里參考使用了InflateGRO方法。通過genrestr命令對蛋白質進行位置限制，保證蛋白質位置不變，僅僅改變磷脂位置，讓其自身進行縮放，可縮放多次，直至達到結構的設定數值。
5. 模型構建完成之后，需要使用genion和solvate命令添加離子和水。但是此時需要注意，該步驟填充的水和離子會出現雙層膜之間，這種結構是不合理的，需要手動去除雙層膜熟睡核心的水分子。完成后結果如圖所示：
6. 隨后就可以通過grompp命令產生tpr文件并使用mdrun命令進行計算。
7. 結果分析：對于蛋白可以采用二級結構、RMSD等參數刻畫蛋白質特征，對于膜或者磷脂來說則可以通過序參數表征膜的有序程度例如有序相和無序相等。如圖所示：
也可以通過density命令分子膜的密度等特征。如圖所示：
在膜蛋白體系的模擬中，有許多其他的小問題需要注意。
展開 以下內容分步驟對文獻模擬過程進行分析：
1、建立基礎模型
構建TBP、CH2ClBr、LiBPh4、KBPh4、Mg(BPh4)2、H2O分子模型，如圖1所示。
TBP CH2ClBr LiBPh4 KBPh4
Mg(BPh4)2 H2O
圖1 不同物質的分子結構模型
2、構建分子動力學模型
利用Materials Studio (MS)中的Amorphous cell模塊構建混合有機相模型，模型包含10個LiBPh4分子、10個KBPh4分子、10個Mg(BPh4)2分子、40個TBP分子、40個CH2ClBr分子和60個H2O分子。結構模型如圖2所示。其模型參數設置如圖3所示。（文獻原文中并未說明分子動力學使用使用什么力場構建，此處以COMPASSII 進行后續模擬的過程，該力場使用最多，最廣泛，準確度更高）
圖2 混合有機相模型
圖3 模型參數設置
3、結構優化
使用Forcite 模塊對上述混合有機相模型分別進行結構優化和能量優化，使其達到最佳的模型結構和穩定的能量體系。模型參數如圖4所示。收斂和能量數據如圖5所示。
圖4 Forcite 模型參數
圖5 模型的收斂以及能量數據
3、動力學優化
對上述結構優化后的模型繼續進行動力學優化。參數設置如6所示。（文獻原文中并未提供優化所選用的系綜以及動力學的計算時間，這里選擇NVT作為系綜，模擬的時長為200ps）。動力學計算結果如圖7所示。
展開 構建水分子結構
新建一個3D Atomistic.xsd文件，命名為H2O，點擊
新建水分子結構。
圖1 水分子構建
構建AC模型
步驟如下圖所示，單擊選擇Modules中的Amorphous Call，Calculation；計算精度Quality選擇 Ultra-fine ；填寫密度；選擇水分子，分子數為1000（注意：模型的長寬高要大于25?），運行Run，如下圖所示，顯示正在運行，運行完成，構建成功。
圖2 AC盒子的構建步驟
3. 選擇運行模塊Forcitefield
新建立一個3D Atomistic.xsd，復制一個H2O模型，將新建立的模型改名為H2O.xsd文件，粘貼復制的H2O模型。點擊選擇Forcite，Calculation，彈出Forcite Calculation ，選擇Energy 中Forcitefield中的COMPASSII，點擊旁邊的More，取消默認的兩個勾選，單擊面板中的兩個Calculate，確保模型中所有的原子具有正確的力場，可以點擊一個原子，在信息欄里查看力場是否正確建立。如H的力場是h1o，然后將Charges 改為Use current，運算精度可以為Ultra-fine（根據自己電腦配置和需要選擇）。然后進行結構優化，點擊Setup，選擇Geometry Optimization，接著點擊Job Control，選擇運行的核心數。
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但是對于一些非常見的分子例如配體等力場的構建，gromacs無法自動處理，需要我們額外處理。之前我們曾推薦過一個較好的力場生成工具(
http://zarbi.chem.yale.edu/ligpargen/index.html)可以產生opls力場的作用參數。今天我們介紹一種產生適用性更強的基于ambertools的生成力場的方法。
圖1 不同物質的分子結構模型
2、構建Amorphous cell模型
利用Materials Studio (MS)中的Amorphous cell模塊，在COMMPASSII力場條件下構建兩個模型：（1）模型包含10個PIP分子和320個水分子；（2）10個PIP分子、40個TBP分子、1個含2重復單元PPTA。
（文獻原文中并未說明分子動力學使用使用什么力場構建，此處以COMPASSII 進行后續模擬的過程，該力場使用最多，最廣泛，準確度更高）
圖2 混合有機相模型
圖3 模型參數設置
3、結構優化
使用Forcite 模塊對上述混合有機相模型分別進行結構優化和能量優化，使其達到最佳的模型結構和穩定的能量體系。模型參數如圖4所示。
圖3 Forcite 力場構建及結構優化的步驟
4. 動力學計算
選擇生成的H2O.xsd文件，進行動力學計算。點擊More，選擇Ensemble中NPT，Pressure改為0.0001，Time step為1； Total simulation time 為500；關閉Forcite Dynamics，點擊運行。
小分子配體可以廣泛應用在生物領域例如藥物設計等，其中在生物應用領域，蛋白質是最為廣泛的藥物靶點。本文介紹一種建立力場的方式以及在蛋白質-小分子模擬過程中需要注意的重要問題。
首先，我們選擇需要模擬的蛋白質和小分子。蛋白質的構象可以從在線的PDB庫找到（https://www.rcsb.org/ )。小分子的構象可以通過相關的網頁或者軟件進行構建。然后通過手動或者對接的方式將蛋白和小分子組合
并且在該步驟利用蛋白和磷脂力場構建需要的topol文件。
3. 選擇合適的蛋白和磷脂取向。由于膜蛋白的取向和在膜上的高度是固定的，因此要根據文獻報道確定合適的取向和位置。該步驟可使用trjconv和editconf等命令可以進行構象的調整。如圖所示
4. 磷脂對蛋白質的包裹。由于上個步驟中構建的體系僅僅是調整了取向，磷脂還是非常松散，因此需要將磷脂進行收縮堆積。
另外，力場的構建是模擬準備工作中非常關鍵的一步。由于Gromacs可以識別的分子有限，對于許多工作來說，分子力場的構建非常棘手。本文僅以opls力場為例，用現有的網站輔助生成。實際工作中針對不同的需求，在力場構建時還會需要到一定的文獻調研和編程能力。
最后，有相關需求和疑問，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
計算實例——熟練掌握GROMACS計算一整套流程
4.1 純相、多相混合體系模擬計算
冰、水、甲烷等、超臨界二氧化碳等
乙醇等極性溶劑
石油化工領域等、聚合物分子等
4.2 界面模擬計算
氣液界面、固液界面、油水界面
表面活性劑的界面模擬
4.3 物理場下的模擬計算
靜電場、微波場、高斯脈沖場
4.4 石墨烯、納米管的模擬
5 使用AmberTools建立分子GAFF力場（力場的精確構建方法
