(完整版)三種常用分子模擬軟件介紹

1、三種常用分子模擬軟件介紹NAMD(NAnoscaleMolecularDynamics)是用于在大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)上快速模擬大分子體系的并行分子動(dòng)力學(xué)代碼。NAMD用經(jīng)驗(yàn)力場(chǎng)，如Amber，CHARMM和Dreiding，通過(guò)數(shù)值求解運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算原子軌跡。軟件所能模擬的體系的尺度，如微觀，介觀或跨尺度等微觀。是眾多md軟件中并行處理最好的，可以支持幾千個(gè)cpu運(yùn)算。在單機(jī)上速度也很快。模擬體系常為為10,000-1,000,000個(gè)原子。軟件所屬的類(lèi)型，如MD,DPD，DFT，MC，量化，或交叉等全原子md，有文獻(xiàn)上也用它做過(guò)cgmdo軟件能研究的相關(guān)領(lǐng)域，使用者的背景最好是？使用的力場(chǎng)有cha

2、rmm,x-plor,amber等，適合模擬蛋白質(zhì)，核酸，細(xì)胞膜等體系。也可進(jìn)行團(tuán)簇和CNT系統(tǒng)的模擬軟件原理經(jīng)典，操作簡(jiǎn)單。但需要對(duì)體系的性質(zhì)足夠了解。軟件中主要涉及的理論方法范疇經(jīng)典的md，以及用多種方法計(jì)算自由能和SMD模擬。數(shù)據(jù)分析時(shí)候一般很少涉及復(fù)雜的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的原理，但知道一些最好。軟件主要包含的處理工具namd是計(jì)算部分，本身不能建模和數(shù)據(jù)分析（unix的哲學(xué)kiss）。但vmd同namd系出同門(mén)，已同namd實(shí)現(xiàn)無(wú)逢鏈接。vmd的tcl腳本一定要搞懂，別的就不多介紹了。2與此軟件密切相關(guān)的軟件vmd，及其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件（excel，OOo-calc等足夠了）NAMD

3、在window環(huán)境下的編譯安裝1.下載NAMD_2.7b2_Win322解壓到任意目錄下（建議最好直接是C：或D：下）添加windows的環(huán)境變量：右鍵單擊我的電腦屬性高級(jí)-環(huán)境變量（在右下角）-在系統(tǒng)的Path變量里添加你NAMD所在文件夾，比如我的SystemRoot%system32;%SystemRoot%;%SystemRoot%System32Wbem;C:ProgramFilesCommonFilesThunderNetworkKanKanCodecs;C:NAMD_2.7b2_Win32注意：添加的變量名稱(chēng)要和文件夾得名稱(chēng)一致（如果文件夾得名稱(chēng)你改為namd，那么變量名稱(chēng)為C：

4、NAMD）namd2.7需要后面跟conf文件才可以正確運(yùn)行，并且要在conf文件所在目錄執(zhí)行命令。如：我的命令窗口顯示C:DocumentsandSettingsHP因此我的conf文件要放在C:DocumentsandSettingsHP這個(gè)文件夾下，然后執(zhí)行命令C:DocumentsandSettingsHPC:NAMD_2.7b2_Win32namd2da.conf即可。GROMACSGROMACS是用于研究生物分子體系的分子動(dòng)力學(xué)程序包。它可以用分子動(dòng)力學(xué)、隨機(jī)動(dòng)力學(xué)或者路徑積分方法模擬溶液或晶體中的任意分子，進(jìn)行分子能量的最小化，分析構(gòu)象等。它的模擬程序包包含GROMACS力場(chǎng)(蛋

5、白質(zhì)、核苷酸、糖等)，研究的范圍可以包括玻璃和液晶、到聚合物、晶體和生物分子溶液。GROMACS是一個(gè)功能強(qiáng)大的分子動(dòng)力學(xué)的模擬軟件，其在模擬大量分子系統(tǒng)的牛頓運(yùn)動(dòng)方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。GROMACS支持幾乎所有當(dāng)前流行的分子模擬軟件的算法，而且與同類(lèi)軟件相比，它還具有一些特有的優(yōu)勢(shì)：GROMACS進(jìn)行了大量的算法的優(yōu)化，使其計(jì)算功能更強(qiáng)大。例如：在計(jì)算矩陣的逆時(shí)，算法的內(nèi)循環(huán)會(huì)根據(jù)自身系統(tǒng)的特點(diǎn)自動(dòng)選擇由C語(yǔ)言或Fortran來(lái)編譯。GROMACS中對(duì)Altivecloops的計(jì)算，無(wú)論是在Linux還是MacOSX系統(tǒng)上，它都要比其它軟件快3-10倍，而且GROMACS提高計(jì)算速度的同時(shí)也保

6、證了計(jì)算精度。GROMACS具有友好的用戶(hù)界面，拓?fù)湮募蛥?shù)文件都以文檔的形式給出。在程序運(yùn)行過(guò)程中，并不用輸入腳本注釋語(yǔ)言。所有GROMACS的操作都是通過(guò)簡(jiǎn)單的命令行操作進(jìn)行的。而且運(yùn)行的過(guò)程是分步的，隨時(shí)可以檢查模擬的正確性和可行性，可以減少時(shí)間上的浪費(fèi)。GRMACS操作簡(jiǎn)單，功能豐富，而且對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)易于上手。而且可以通過(guò)詳細(xì)的免費(fèi)使用手冊(cè)，用戶(hù)可以得到更多的信息。在模擬運(yùn)行的過(guò)程中，GROMACS會(huì)不斷報(bào)告用戶(hù)程序的運(yùn)算速度和進(jìn)程。GROMACS具有良好的兼容性。輸入文件和輸出的軌跡文件的格式都是獨(dú)立于硬件的。GROMACS能通過(guò)二進(jìn)制文件來(lái)寫(xiě)入坐標(biāo)，這樣就提供了一個(gè)壓縮性很強(qiáng)的

7、軌跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法，壓縮方式的精度可以由用戶(hù)來(lái)選擇。GROMACS還為軌跡分析提供了大量的輔助工具，用戶(hù)不必再為常規(guī)分析編寫(xiě)任何程序。GROMACS還提供了軌跡的可視程序，而且許多可視化工具都可以顯示。GROMACS允許并行運(yùn)算，使用標(biāo)準(zhǔn)的MPI通訊。GROMACS程序包中包括各種常見(jiàn)的蛋白質(zhì)和核酸的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。包括20種標(biāo)準(zhǔn)的氨基酸以及其變異體，4種核苷和4種脫氧核苷，以及糖類(lèi)和脂類(lèi)。GROMACS的運(yùn)行過(guò)程，主要由一系列的文件和命令組成。GROMACS一般的模擬過(guò)程可以分成以下三個(gè)階段：前處理過(guò)程：生成模擬對(duì)象的坐標(biāo)文件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)文件以及平衡參數(shù)及其外力作用參數(shù)等文件。模擬過(guò)程：首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)

8、行能量最小化，避免結(jié)構(gòu)的不合理而在模擬中出現(xiàn)錯(cuò)誤；然后是對(duì)系統(tǒng)升溫過(guò)程，先給系統(tǒng)的各個(gè)原子以Boltzmen分布初速度，再模擬較短的時(shí)間以達(dá)到初步的平衡；最后進(jìn)行真正的分子動(dòng)力學(xué)模擬，即平衡過(guò)程。此過(guò)程一般時(shí)間步長(zhǎng)為1fs,運(yùn)行時(shí)間在ns量級(jí)，以保證模擬系統(tǒng)盡可能找到勢(shì)能的最低點(diǎn)。當(dāng)然，對(duì)于其他的操作，如施加外力(模擬AFM加力)需要在平衡之后進(jìn)行。在MD模擬的過(guò)程中，用戶(hù)可以運(yùn)用配套的可視化軟件，如VMD等隨時(shí)觀測(cè)模擬的過(guò)程及系統(tǒng)的狀態(tài)。(3)后處理過(guò)程：MD模擬結(jié)束后，GROMACS會(huì)產(chǎn)生一系列文件,如.pdo文件(受力分析文件)、.trr文件(模擬過(guò)程結(jié)果文件)、.edr文件(能量文件)

9、等。同時(shí)，GROMACS本身還提供了多種分析程序，可以對(duì)這些文件進(jìn)行分析，可以得到分子體系的各種信息。2GROMACS安裝流程解壓縮fftw，lam-mpi，gromacs源碼3tar-zxvffftw-3.1.2.tar.gztar-xvfgromacs-3.3.1.tar.gztar-zxvflam-7.1.3.tar.gz編譯lam-mpicdlam-7.1.3./configure-prefix=/home/lam-7.1.3-without-fc-with-rsh=ssh-xmakemakeinstall注：-without-fc是不編譯mpif77，可以去掉添加mpi環(huán)境變量exp

10、ortPATH=$PATH:/home/lam-7.1.3/bin(appendto.bashrc)編譯fftw單雙精度版cdfftw-3.1.2./configure-enable-float-enable-mpi-prefix=/home/fftw-3.1.2makemakeinstallmakedistclean./configure-disable-float-enable-mpi-prefix=/home/fftw-3.1.2設(shè)置fftw環(huán)境變量exportCPPFLAGS=-I/home/fftw-3.1.2/includeexportLDFLAGS=-L/home/fftw-3.

11、1.2/lib編譯gromacscdgromacs-3.3.1./configure-prefix=/home/gromacs-3.3.1-enable-mpimakemakeinstallmakedistclean./configure-prefix=/home/gromacs-3.3.1-program-suffix=_d-enable-mpi-disable-float(5)設(shè)置gromacs環(huán)境變量exportPATH=$PATH:/home/gromacs-3.3.1/bin(appendto.bashrc)(6)編譯gromacs源包里的其它文件(可選)makecontrib注：這

12、步可以省去update:gromacs-4.0，fftw-3.2.1，lam7.1.4與上面的方法完全相同，只需更換目錄即可。模擬步驟Belowispresentedageneralisedprocedureforperformingasimulation.Theexactstepsandprocessesinvolvedwillvarydependingonexactlywhatisbeingattempted.Useasageneralguideonly!1Clearlyidentifytheproperty/phenomenaofinteresttobestudiedbyperformi

13、ngthesimulation.2Selecttheappropriatetoolstobeabletoperformthesimulationandobservetheproperty/phenomenaofinterest.Itisimportanttoreadandfamiliariseyourselfwithpublicationsbyotherresearchersonsimilarsystems.Toolsinclude:-softwaretoperformthesimulationwith,considerationofforcefieldmayinfluencethisdeci

14、sion.-forcefieldwhichdescribeshowtheatoms/particleswithinthesysteminteractwitheachother.Selectonethatisappropriateforthesystembeingstudiedandtheproperty/phenomenaofinterest.Veryimportantandnon-trivialstep!3Obtain/generatetheinitialcoordinatefileforeachmoleculetobeplacedwithinthesystem.4Generatethera

15、wstartingstructureforthesystembyplacingthemoleculeswithinthecoordinatefileasappropriate.Moleculesmaybespecificallyplacedorarrangedrandomly.5Obtain/generatethetopologyfileforthesystem,using(forexample)pdb2gmx,PRODRGoryourfavouritetexteditorinconcertwithchapter5oftheGROMACSManual.6Describeasimulationb

16、ox(e.g.usingeditconf)whosesizeisappropriatefortheeventualdensityyouwouldlike,fillitwithsolvent(e.g.usinggenbox),andaddanycounter-ionsneededtoneutralizethesystem(e.g.usinggromppandgenion).Inthesestepsyoumayneedtoedityourtopologyfiletostaycurrentwithyourcoordinatefile.7Runanenergyminimisationsimulatio

17、nonthesystem(usinggromppandmdrun).Thisisrequiredtosortoutanybadstartingstructurescausedduringgenerationofthesystem,whichmaycausetheproductionsimulationtocrash.8Selecttheappropriatesimulationparametersfortheequilibrationsimulation(definedin.mdpfile).Youneedtobeconsistentwithhowforcefieldwasderived.Yo

18、umayneedtosimulateatNVTwithpositionrestraintsonyoursolventand/orsolutetogettheTalmostright,thenrelaxtoNPTtofixthedensity,thenmovefurther(ifneeded)toreachyourproductionsimulationensemble(e.g.NVT,NVE).9Runtheequilibrationsimulationforsufficienttimesothatthesystemrelaxessufficientlytoallowtheproduction

19、runtobecommenced(usinggromppandmdrun,theng_energyandtrajectoryvisualisationtools).10Selecttheappropriatesimulationparametersfortheproductionsimulation(definedin.mdpfile),inparticularbecarefulnottore-generatethevelocities.Youstillneedtobeconsistentwithhowtheforcefieldwasderivedandhowtomeasuretheproperty/phenomenaofinterest.11Runtheproductionsimulationforsufficienttimesothatproperty/pheno-menaofinterestcanbeobservedinrequireddetail(usinggrompp/tpbconvand