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2018年12月20日 星期四

Force Field選擇


性能

模擬有機小分子熱力學性質用Charmm generalized >= OPLS-AA >= GAFF，但實際上GAFF已經很好了。它們計算各種有機分子的密度，蒸發焓都很準確，但是介電常數，等溫壓縮係數計算得都一般.GAFF對於帶有硝基的分子不好.OPLS和GAFF對於苯甲醛，甲酸，以及有兩個及以上溴或氯相距較近的情況都不好。对蛋白质构象的模拟: ff99SB+ildn+nmr > CHARMM27 >OPLS »f99。
  • Berger：專門用於磷脂的力場
  • PFF=Polarizable Force Field
  • VAMM=Virtual atom molecular mechanics

材料力場

  • cvff(consistent valence forcefield)：參數用於有機分子，蛋白質模擬，函數形式略複雜.cvff_aug是對其擴展，可以用於研究矽酸鹽，鋁矽酸鹽，磷酸鹽，泥土
  • CFF(consistent family of forcefield)：包括CFF91和CFF95。適用面很廣，涵蓋有機無機小分子，聚合物，多醣和生物大分子，還支持金屬。函數形式挺複雜。參數由從頭算獲得，非鍵參數從CVFF弄來，不適合凝聚相模擬。
  • pcff：基於CFF91，適用範圍做了擴展，主要用於聚合物和有機材料，也能用於無機材料，還有糖，核酸，脂的參數。
  • COMPASS=Condensed-phase Optimized Molecular Potentials for Atomistic Simulation Studies：在pcff基礎上改進的新版本，同樣由從頭算獲得參數，在凝聚相模擬方面大有改善。適用於有機和一些無機分子，高分子，常用於材料領域的各種性質計算，不支持生物分子。模擬超臨界水不錯。能夠適應很寬範圍的壓強和溫度。MS中COMPASS（即2.8）> COMPASS2.7> COMPASS2.6。在MaterialStudio中御用，參數是加密不公開的，雖然LAMMPS也能用，但是參數不全。

普適力場

  • Dreiding：普適型力場，但支持的元素有限，並非涵蓋整個週期表。可以用於有機，生物，主族無機分子。結構，結合能的計算結果精度一般。沒有指定計算電荷的方法，建議用擬合靜電勢電荷，原文用的Gasteiger勉強應付。
  • UFF=Universal Force Field：涵蓋整個週期表的普適型力場。比Dreiding更好。函數不複雜.UFF計算結構，結合能的計算結果精度一般，主要適合找不到適合的力場時湊合用默認。用QEQ電荷。缺少純金屬單質的參數，都是離子的。

反應力場

  • REBO：反應力場，主要用於固體，無非鍵參數。後來添加了C，H的LJ參數的叫做AI-REBO力場。
  • ReaxFF=Reactive force field：ADF，MS，LAMMPS支持，作者本人也有相應的程序但不公開。這是反應力場，引入鍵級概念，可以研究模擬過程中的設計拓撲結構改變的化學反應，挺流行。對於結構新鮮的體系可能差一些。用於爆炸，燃燒過程的反應貌似不錯。支持所有主族和部分過渡金屬元素。電荷由EEM獲得。參數很多很複雜難找全。形式複雜，步長需要比較小，比如0.1〜0.5fs。計算速度慢，貌似介於半經驗與一般分子力場耗時之間，只適合最多用於幾千個分子，再多的話就得和普通力場聯用（類似QM/ MM）。

專業小分子力場

  • MMX：早期的有機小分子力場。
  • MM2/MM3/4=Molecular Mechanics versions 2/3/4：用於小分子。函數複雜。計算小分子結構能量好，適合構象搜索，計算頻率，獲得最穩定結構。由於VDW參數不好，凝聚相問題差.MM3是這一類中最流行的.MM3也有蛋白質參數，叫MM3PRO。
  • MMFF=Merck Molecular Force Field：各方面類似於MM2/ 3，但比之更好。在CFF之後才發展的，也是從頭算計算參數，但提升至MP2級別。參數比較細而且廣泛。凝聚相問題仍不好。

大分子力場

  • CHARMM=Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics，函數形式簡單，包含以下版本：
    • CHARMM19：聯合原子力場，也適用於蛋白質。
    • CHARMM22：全原子力場，適用於蛋白質。
    • CHARMM22/CMAP：適用於隱勢GBSW。名字編號是最初使用這種力場的CHARMM版本得名的。
    • CHARMM27：適用於核酸和脂（膜）。與22結合可以混合使用模擬蛋白+核酸體系。應當用TIP3P，是在這種水模型下擬合的。
    • CHARMM General Force Field(CGenFF)：用於藥物類小分子，也可視為通用有機小分子力場。可結合其它CHARMM全原子力場使用。
    • CHARmm：CHARMM的商業版本，歸Accelrys公司。
  • AMBER=Assisted Model Building with Energy Refinement：適合蛋白和核酸的凝聚相模擬，有機小分子支持得少。函數形式簡單。包含以下版本：
    • ff12力場(parm10.dat+frcmod.ff12SB)：與FF10的區別是對蛋白的骨架和側鏈扭轉項參數做了進一步修正以更吻合實驗。核酸的參數沒變。這是目前最好的amber力場。
    • ff10力場(parm10.dat)：對於ff99的各種參數補丁的集合，相當於parm99.dat + frcmod.ff03 + bsc0 + chi.OL3 +新的離子參數+原子和殘基名的修改以順序PDB format version 3。蛋白的參數和ff99SB相同。
    • ff99SBildn(frcmod.ff99SBildn)：對ff99SB的異亮氨酸，亮氨酸，天冬氨酸，天冬酰胺的側鏈參數改進的補丁。
    • ff99SBnmr(frcmod.ff99SBnmr)：基於NMR數據對ff99SB的骨架參數進行修正的補丁。
    • ff03.r1力場(parm99.dat+frcmod.ff03)：ff99力場的修改版。獲取電荷時通過連續介電模型表現溶劑可極化效應，修改了蛋白phi、psi骨架參數，減少了對螺旋構象的偏愛。核酸參數相對於ff99沒變.ff03.r1與amber9中的ff03略有不同，那時仍用的是ff94的方法得來的碳，氮端基原子電荷，如果仍想用那時代的ff03就調用oldff/ leaprc.ff03。
    • ff03ua力場(parm99.dat+frcmod.ff03+frcmod.ff03ua)：ff03力場的united-atom版本，側鏈的氫原子被united了，骨架上的氫原子和芳香環上的氫原子仍被保留。由於骨架還是全原子故骨架勢參數沒變，側鏈上的參數因用了united故重新擬合。核酸參數完全沒變，且還是全原子。
    • ff02力場(parm99.dat+frcmod.ff02pol.r1)：ff99力場的可極化版，給原子上增加了可極化的偶極子。frcmod.ff02pol.r1是對原ff02的扭轉參數的修正。
    • ff02EP力場(parm99EP.dat+frcmod.ff02pol.r1)：ff02力場基礎上給諸如氧，氮，硫原子增加了偏離原子中心的點電荷以表現孤對電子效應。據稱比ff02稍好點。
    • ff99力場(parm99.dat)：大部分參數來自ff94力場，修改了許多扭轉角的參數。甘氨酸的骨架參數有問題，螺旋和延展構象的平衡性不對。而對於DNA，ff99長時間模擬中亞穩態佔統治地位，即alpha和gamma二面角傾向於分別為gauche+和trans狀態。雖然在RNA中也有這問題，但不嚴重。ff99的這些毛病在ff94裡也有。
    • ff99SB力場(parm99.dat+frcmod.ff99SB)：對ff99的蛋白二面角參數進行修正，二級結構間分佈的比例得到了改善，也解決了甘氨酸骨架參數問題。
    • bsc0(frcmod.parmbsc0)：解決上述FF99在核酸模擬問題上的補丁，同時還改進了RNA的糖苷的gamma二面角扭轉勢。可參考http://mmb.pcb.ub.es/PARMBSC0。
    • ff99SB+bsc0力場：把bsc0補丁用到ff99SB上，相對於ff99同時增進對蛋白和核酸的效果。這個組合使gamma二面角過分偏離了trans型。如果初始結構有很多的gamma角為trans的情況，還是用ff99比較好。
    • ff99SBildn(frcmod.ff99SBildn)：在ff99SB基礎上修改氨基酸側鏈參數的補丁。
    • ff99SBnmr(frcmod.ff99SBnmr)：在ff99SB基礎上修改骨架扭轉項參數以更符合NMR數據的補丁。
    • ff98力場(parm98.dat)：對ff94改進了糖苷的扭轉角參數。
    • ff96力場(parm96.dat)：與ff94扭轉角不同，算出來的能量更接近量化結果。來自Beachy等，由於構象有明顯偏向beta等問題，使用不廣泛。
    • ff94力場(parm94.dat)：來自Cornell，Kollman等，適合溶劑環境。電荷由RESP HF / 6-31G *獲得。
    • ff86力場(parm91X.dat)：將ff84擴展為全原子力場。和ff84一樣對氫鍵也是用Lennard-Jones 10-12勢，故如果想在sander裡用ff84 / 86，得重新帶著-DHAS_10_12選項編譯。之所以相應的文件叫parm91X是因為對原始ff86做了一些修正。（parm91X.dat是parm91.dat的補完版，加入了一些非鍵項，但非鍵項比如Mg、I等的參數都沒調好，只是近似。）
    • ff84(parm91X.ua.dat)：最早的AMBER力場，用於模擬核酸和蛋白質的聯合原子力場。不推薦使用，但在真空或者距離依賴的介電常數下模擬還有用。
  • parmAM1和parmPM3力場(parmAM1.dat/parmPM3.dat)：用這個參數對蛋白質優化可以得出與AM1/ PM3相同的優化結果。如今已沒什麼價值。
  • GAFF力場(gaff.dat)=Generation Amber Force Field：普適型有機小分子力場，函數形式和AMBER力場相同，與AMBER力場完全兼容。
  • GLYCAM-06力場(GLYCAM_06g.dat)：對以前GLYCAM力場做了改進，並且納入了一小部分脂類的參數。
  • GLYCAM-04EP力場(GLYCAM04EP.dat)：將GLYCAM04擴展到可用於TIP5P模型下的模擬。給氧加上非原子中心點電荷表現孤對電子效應。
  • GLYCAM-04力場(GLYCAM04.dat)=glycans and glycoconjugates in AMBER：專用於糖的模擬，和AMBER完全兼容，可一起用於糖蛋白的模擬。官網：http://glycam.ccrc.uga.edu/ccrc/index.jsp
  • lipid11：與Amber力場完全兼容的模擬磷脂和膽固醇的力場。
  • AMOEBA：可極化力場，能模擬水，蛋白，單價離子，有機分子。速度比起一般的固定點電荷力場慢8倍。
  • GROMOS=Groningen Molecular Simulation：適合烷烴，蛋白，核酸凝聚相的模擬，函數形式簡單。A前邊的數字代表此力場所含原子類型數目，後面的是版本號。
    • G43B1：適用於真空下的模擬，現在基本不用。
    • G43A1：是最早的GROMOS96力場，是聯合原子力場（極化的氫才表達出來），用於凝聚相，後面那些都是對這個的小幅改進
    • G43A2：是改進了烷烴中原子類型的二面角參數
    • G45A3：是改了烷烴的VDW參數以更好地符合實驗數據（氣化焓，可壓縮率，壓強，水合熱等）
    • G45A4：是為了改進核酸的模擬，增加了二面角參數，原子類型，改動了原子電荷
    • G53A5和G53A6：調整了參數，分別使生物分子（蛋白，DNA，糖，脂）在環己烷和水中的溶解自由焓貼近實驗值。但是蛋白模擬時的結構比起G45A4卻有了缺陷。
    • G54A7/B7：修改了psi/phi的扭轉角參數以改正模擬蛋白質時對螺旋的穩定性問題，加入了一個-CH3的原子類型，修改了的Na+和Cl-離子以符合其水合能，加入了一個和手性改變相關的improper項。模擬蛋白質的穩定性比G53A6更好了。G54B7是用於真空模擬，是在G53B6基礎上做了類似G54A7對G53A6的改進得到的。
  • OPLS=Optimized potentials for liquid simulations：Jorgensen開發。適合有機小分子，蛋白凝聚相的模擬。函數形式簡單。最初OPLS-UA是聯合原子力場，現在一般都用OPLS-AA全原子力場。
  • MARTINI：流行的粗粒化力場，四個原子（氫也算）湊一個原子，可以做磷脂，蛋白質，聚合物，糖，膽固醇。在gromacs裡可以用。一般25〜40fs一步，不能考慮二級結構的變化，必須事先指定好。http://md.chem.rug.nl/~marrink/coarsegrain.html
  • ENCAD=Energy Calculation and Dynamics：不流行，專門模擬溶液下蛋白和核酸，側重於模擬過程中的能量保守性。
  • Shinoda2007=粗粒化力場，專用於模擬水與表面活性劑體系，平均三個重原子折合一個bead。

水模型

不一定水模型是力場御用的就一定比用其它的水好。對於非極化的水，TIP4P-EW是最好的。對於可極化的水，AOMEBA是最好的。
  • TIP3P：amber、gaff御用的。
  • TIP4P：OPLS御用的。
  • TIP4P-EW：在TIP4P基礎上專為ewald計算優化，對水的凝聚相各種熱力學，結構性質表現得比其它水模型都好。
  • SPC：GROMOS力場御用的。
  • SPCE：對純水體系比SPC，TIP3P都好。但是有人說這個在純水下表現好，在混合體系疏水性略強。
  • shell水模型：在gmx中直接支持。就是給普通的水中間加了個振子表現可極化效應。雖然形式是所有可極化水模型裡幾乎最簡單的，耗時少，但是步長必須設得很短，0.2fs。
  • AMOEBA水模型=Atomic Multipole Optimized Energetics for Biomolecular Application：主要在Tinker中使用，amber也支持。包括比較複雜的可極化水模型，是三點模型，在原子中心上除了單極矩（原子電荷）外還用偶極矩，四極矩來精確描述電荷分佈，並且給予原子由擬合實驗值得到的原子極化率，在外場下產生誘導偶極矩以使電荷分佈能響應實際環境，氫的范德華作用也考慮進去。不是一般的LJ勢。這個水是柔韌的，因此不要用約束算法固定住它的結構。這個水模型管在純水液相狀況下比TIP5P沒什麼改進還多花時間，但普適性比起其它模型都好得多，氣相，溶液相都適用，而不是像固定點電荷水模型只在特定環境下才好。對結構，熱力學數據，結合能重現得都好。

金屬

  • Sutton-Chen：適合FCC金屬模擬
  • 對勢，EAM適合fcc,bcc模擬，近似DFTB勢適合bcc,hcp模擬。柳百新的勢號稱fcc,bcc,hcp都能模擬。

磷脂膜模擬的力場

  • Gromos96：rtp本身自帶了DPPC參數，結果不好。
  • CHARMM27及改進版CHARMM36c：專門且常用的膜力場。
  • Glycam06：支持了少數磷脂分子，非主流。
  • GAFF：GAFF力場沒有膜的參數，直接用在膜模擬效果不好。
  • Lipid11(2012)：Skjevik提出的膜力場，作為amber系列力場的擴展，參數來自GAFF，幾種頭部（PC，PE，PS，PH，P2，PGR，PGS，PI）和幾種尾部可以自由搭配（模塊化）組成磷脂，還支持膽固醇，完全兼容amber力場，leap已支持。非主流。Dickson（2012）的GAFFlipid力場只是一個階段性的膜力場，將會被融合進Lipid11。
  • Berger(1997)：聯合原子膜力場。成鍵參數基於GROMOS87，LJ參數基於OPLS-UA，適合搭配Gromos87，很常用也很好，幾乎是唯一致命的問題在於不直接兼容GROMOS96，若搭配OPLSAA需要很留神。雖然也有 一些人結合Gromos96來模擬膜蛋白，但終於比較古怪，需謹慎。原文只給出了DPPC的參數，後來又有人基於此弄了其它磷脂的。Berger本身沒直接提供參數和拓撲文件，Peter Tieleman基於Berger的參數製作了DPC，POPC，DPPC，DMPC，DLPC，DOPC，PLPC，POPE的ITP文件，都需要lipid.itp中的參數，可以在這裡下載：http://wcm.ucalgary.ca/tieleman/downloads
  • G43A1-S3（2006）：Chiu弄的兼容Gromos43A1的膜力場。支持PC/PE /sphingomyelin和cholesterol。此力場的POPC不建議使用。
  • Kukol(2009)：完全兼容Gromos96 G53A6的膜力場，烷烴鍊是聯合原子，結果很好，和Berger相彷彿，彌補了它不支持Gromos96的遺憾。拓撲文件從原文的補充材料裡得到。包含DPPC，DMPC，POPG，POPC，DMPC的參數。此力場的POPC不建議使用。
  • DAVID POGER(2010)：完全兼容gromos96 G53A6的膜力場。JCC的文章中只提出了DPPC的參數，JCTC的文章中還提出了DLPC，DMPC，DOPC，POPC的參數。網址和gmx的拓撲文件：http://compbio.chemistry.uq.edu.au/~david/research/lipids.htm
  • Stockholm lipids (Slipids) (2012)：Jambeck弄的全原子膜力場。兼容amber。支持DPPC，DLPC，DMPC，POPC，DOPC，SOPC，POPE，DOPE，sphingomylin，PG和PS頭部基團，膽固醇。gromacs的拓撲文件和預平衡的結構從這裡下：http://people.su.se/~jjm/Stockholm_Lipids/Downloads.html
  • MARTINI：粗粒化網址和GMX的拓撲文件：http://md.chem.rug.nl/cgmartini/index.php/downloads
Lipidbook匯總了各種膜力場的參數：http://lipidbook.bioch.ox.ac.uk
ATB帶了幾十種兼容gromos96的膜參數（可能對應的gromos96版本不同），ATB也能自動生成新的磷脂的參數。ATB網址和GMX的拓撲文件：http://compbio.biosci.uq.edu.au/atb/
測試總結（http://md.chem.rug.nl/cgmartini/index.php/blog/269-jungle2):slipid最好，CHARMM36其次，berger很好，Kukol和poger說得過去，後者貌似相對略好。磷脂平均表面積，平均體積，頭部集團距離都很容易算準，所有膜力場都沒問題，但擴散能力，等熱表面可壓縮率大多膜力場難以算準。值得一提的是，一種膜力場當中，某種磷脂算得好絕不代表另外磷脂就算得好。



參考
https://jerkwin.github.io/2015/12/10/力场与拓扑之二-如何选择力场/
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