GROMACS分子模拟基础实验教程(5)-为模拟体系添加离子

文摘   科学   2023-05-24 08:00   江苏  

          


今天的内容是:

GROMACS分子模拟基础实验教程第五篇-为模拟体系添加离子

更多前序基础文章可以参考:

基础准备1-分子动力学模拟理论概述

基础准备2-分子动力学模拟的主要步骤

基础准备3-分子模拟基础-获取Gromacs软件

基础准备4-Ubuntu16版Linux下编译安装Gromacs2020

基础准备5-Linux7.6编译安装Gromacs2018版并行版

         

我们接着之前的实验文档:

GROMACS分子模拟基础实验教程(1)-运行环境准备

GROMACS分子模拟基础实验教程(2)-生成蛋白结构拓扑

GROMACS分子模拟基础实验教程(3)-检查和理解拓扑文件

GROMACS分子模拟基础实验教程(4)-定义模拟体系的容器尺寸并加水


下面开始今天的实验记录:GROMACS分子模拟基础实验教程(5)-为模拟体系添加离子
5.1、关于离子加入与mdp参数   

我们先说这一步是要做什么?经过上两步处理:生成了拓扑文件、并添加水溶剂,现在得到了一个带电荷的溶液体系。由于正常生命体不存在净电荷, 所以我们需要往里加入离子进行中和, 以保证模拟体系总电荷为零。
之前pdb2gmx程序处理后,我们所用的蛋白质带有+8e的净电荷(根据它的氨基酸残基计算得到)我这里记录了之前第2步“gmx pdb2gmx -f 1AKI_clean.pdb -o AKI_processed.gro -water spce”的输出,参照如下截图红色框部分:(Total charge 8.000 e
         
GROMACS中添加离子的工具是genion,genion的功能是读取拓扑信息, 然后将体系中的一些水分子替换为指定的离子。genion需要的输入文件称为运行输入文件, 扩展名为.tpr. 这个文件可使用GROMACS的grompp(GROMacs Pre- Processor)模块产生, 后面我们运行模拟时也会用到。

grompp的功能是处理坐标文件和分子结构拓扑以产生“原子级别”的输入文件(.tpr),说它是原子级别的文件,是因为.tpr文件包含了体系中所有原子的相关参数。
         
为了用grompp产生.tpr文件, 我们还需要一个扩展名为.mdp(molecular dynamics parameter)的参数输入文件,grompp会将坐标和拓扑信息与.mdp文件中设定的参数组合起来生成.tpr文件。【.mdp文件通常用于运行能量最小化(EM)或分子动力学模拟(MD)--后面进行能量最小化和分子动力学模拟的时候我们会用到不同的mdp参数文件
      
一个典型的添加离子的mdp参数文件ions.mdp示例如下:
对应的原始文件为http://www.mdtutorials.com/gmx/lysozyme/Files/ions.mdp 

; ions.mdp - used as input into grompp to generate ions.tpr; Parameters describing what to do, when to stop and what to saveintegrator  = steep         ; Algorithm (steep = steepest descent minimization)emtol       = 1000.0        ; Stop minimization when the maximum force < 1000.0 kJ/mol/nmemstep      = 0.01          ; Minimization step sizensteps      = 50000         ; Maximum number of (minimization) steps to perform

; Parameters describing how to find the neighbors of each atom and how to calculate the interactionsnstlist = 1 ; Frequency to update the neighbor list and long range forcescutoff-scheme = Verlet ; Buffered neighbor searchingns_type = grid ; Method to determine neighbor list (simple, grid)coulombtype = cutoff ; Treatment of long range electrostatic interactionsrcoulomb = 1.0 ; Short-range electrostatic cut-offrvdw = 1.0 ; Short-range Van der Waals cut-offpbc = xyz ; Periodic Boundary Conditions in all 3 dimensions


5.2、实操8-使用gmx grompp生成tpr文件  

 
使用下面的命令来产生ions.tpr这个.tpr文件:
gmx grompp -f ions.mdp -c 1AKI_solv.gro -p topol.top -o ions.tpr


执行输出的结果显示如下:

Command line:  gmx grompp -f ions.mdp -c 1AKI_solv.gro -p topol.top -o ions.tpr
Ignoring obsolete mdp entry 'ns_type'
NOTE 1 [file ions.mdp]: With Verlet lists the optimal nstlist is >= 10, with GPUs >= 20. Note that with the Verlet scheme, nstlist has no effect on the accuracy of your simulation.
Setting the LD random seed to -339223553Generated 330891 of the 330891 non-bonded parameter combinationsGenerating 1-4 interactions: fudge = 0.5Generated 330891 of the 330891 1-4 parameter combinationsExcluding 3 bonded neighbours molecule type 'Protein_chain_A'Excluding 2 bonded neighbours molecule type 'SOL'
NOTE 2 [file topol.top, line 18409]: System has non-zero total charge: 8.000000 Total charge should normally be an integer. See http://www.gromacs.org/Documentation/Floating_Point_Arithmetic for discussion on how close it should be to an integer.
Analysing residue names:There are: 129 Protein residuesThere are: 10644 Water residuesAnalysing Protein...Number of degrees of freedom in T-Coupling group rest is 69741.00

NOTE 3 [file ions.mdp]: You are using a plain Coulomb cut-off, which might produce artifacts. You might want to consider using PME electrostatics.
This run will generate roughly 3 Mb of data
There were 3 notes

         

5.3、实操9-使用gmx genion加入离子  

         
现在我们得到了一个二进制的.tpr文件, 它提供了我们体系的原子级别的描述. 将此文件用于genion执行:
gmx genion -s ions.tpr -o 1AKI_solv_ions.gro -p topol.top -pname NA -nname CL -neutral

根据提示选择13 “SOL”也就是用离子替换一些水分子
         
关键输出文本如下:

Select a group: 13Selected 13: 'SOL'Number of (3-atomic) solvent molecules: 10644         
Processing topologyReplacing 8 solute molecules in topology file (topol.top) by 0 NA and 8 CL ions.

Back Off! I just backed up topol.top to ./#topol.top.2#Using random seed -17825805.Replacing solvent molecule 5584 (atom 18712) with CLReplacing solvent molecule 1421 (atom 6223) with CLReplacing solvent molecule 6259 (atom 20737) with CLReplacing solvent molecule 4884 (atom 16612) with CLReplacing solvent molecule 1956 (atom 7828) with CLReplacing solvent molecule 5631 (atom 18853) with CLReplacing solvent molecule 137 (atom 2371) with CLReplacing solvent molecule 3672 (atom 12976) with CL

关键信息在这:
Replacing 8 solute molecules in topology file (topol.top)  by 0 NA and 8 CL ions.

         

原先有10644个SOL水,替换了8个为CL-离子,因此还有10636个SOL水。

注意看命令:
gmx genion -s ions.tpr -o 1AKI_solv_ions.gro -p topol.top -pname NA -nname CL -neutral 
在gmx genion命令中, 我们以结构/状态文件(-s)作为输入,以.gro文件作为输出(-o), 以拓扑文件(-p)来反映去除的水分子和增加的离子, 并且定义了阳离子和阴离子的名称(分别使用-pname和-nname)。
这个-neutral参数很关键,-neutral参数告诉genion只需要添加必要的离子来中和蛋白质所带的净电荷 (-neutral, which in this case will add 8 Cl- ions to offset the +8 charge on the protein),也就是说系统自动添加了8个Cl-氯离子,来中和系统所带的8个正电荷,并没有添加NA离子

PS:另外对于genion, 除了简单地中和体系所带的净电荷以外, 你也可以同时指定-neutral和-conc选项来添加指定浓度的离子
         
linux执行tail topol.top就可以看到,目前分子拓扑中的配置如下(新增了溶剂分子SOL和负离子CL)
         
         

5.4、实操10-使用pymol或vmd等查看体系  

         
现在我们可以使用pymol或vmd等可视化软件查看最新生成的1AKI_solv_ions.gro(如果还没有安装PyMOL或VMD,可以现在安装一下)
         
使用VMD打开1AKI_solv_ions.gro查看

         
使用PyMOL,打开1AKI_solv_ions.gro查看(选择使用二级结构模式查看 Color by ss,可以清晰得看到体系的水分子和加入的CL离子)
         
 
下一篇:GROMACS分子模拟基础实验教程(6)-能量最小化       

今天的分享就到这里了  

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