NAMD教學二：入門

1 NAMD基礎

在本節中，你將學習如何使用NAMD設置基本的分子動力學模擬。你將學習如何使用名稱建立基本分子動力學模擬。你將學習典型的NAMD輸入和輸出文件，尤其是蛋白質能量最小化與平衡的這些文件。

注意：本節中，您將通過執行模擬和適應NAMD其他的功能來產出輸出文件。這些文件在2和3單元​​中也需要。如果你不能產生這些輸出文件，每一節提供的正確版本已經完成，在example-out文件夾中可以找到。

1.1需要什麼(What is Needed)

為了運行任何MD模擬，NAMD至少需要四件事：

•1、蛋白質數據庫（pdb）文件，存儲原子坐標和/或系統的速度。 Pdb文件可以手動生成，也可在http://www.pdb.org上獲取許多蛋白質。更多見附錄A。

•2、蛋白質結構文件（psf），存儲蛋白質的結構信息，如各種類型的鍵相互作用，鍵角、二面角、交叉項等等。更多見附錄B。

•3、力場參數文件。力場是，用一個數學式子表達系統中原子所受到的勢能。 CHARRMM，X-PLOR，AMBER和GROMACS是四種力場，NAMD能夠利用所有這些。參數文件定義了鍵強度、平衡長度等。更多見附錄D。

•4、一個配置文件，用戶在其中指定NAMD運行模擬時的所有選項。配置文件告訴NAMD如何運行模擬。更多見附錄E。

image.png力場拓撲文件。稍後，您將為你的系統製作一個psf文件。執行此操作時，需要力場拓撲文件。這個文件包含有關原子類型、電荷、質量以及原子如何在分子中連接。注意，pdb文件只包含坐標，但沒有連接信息！更多見附錄C。

1.2生成蛋白質結構文件（Generating a Protein Structure---PSF）

在上述四個文件中，通常通過PDB數據庫會獲得初始pdb文件，以及在http://mackerell.umaryland.edu/charmm_ff.shtml獲得分子類型的參數和拓撲力場文件。

請注意，最新版本（c31b1）還包含本教程中使用的更新的CMAP更正項。 psf文件必須由用戶從初始pdb和拓撲文件創建，用戶也要創建NAMD配置文件，根據MD的特定要求編寫conf文件的命令行。

CMAP。 CMAP是一種基於量子計算的能量校正圖，是CHARMM最新加進去的力場。它改善了蛋白質的骨架行為從而產生更精確的蛋白質動態特性。例如，使用帶有CMAP的CHARMM22給出了實驗觀察到的α-螺旋，而沒有CMAP的CHARMM22力場給出某些模型肽的π-螺旋。更多見附錄D。

1. 到https://www.ks.uiuc.edu/Training/Tutorials/namd/namd-tutorial-files/然後進入1-1-build目錄。在終端窗口中，您可以更改使用cd命令的目錄。鍵入cd 1-1-build。你可以通過鍵入dir，看到您所在目錄的內容。在這個文件夾中，您將找到許多以後要使用的文件。

首先，您將從1UBQ.pdb中移除水分子，並創建一個pdb單獨的蛋白質文件。

2. 雙擊打開VMD。 （ps，教程太囉嗦，有時會簡化語言）

3. 導入蛋白質。單擊file，點擊Brower，瀏覽到文件中1UBQ.pdb，點擊Load加載。

注意，來自蛋白質數據庫的X射線結構不包含泛素的氫原子。這是因為X射線結晶學通常不能分析到氫原子。用psfgen生成的pdb文件和psf文件，將包含猜測結構的氫原子坐標。之後，蛋白質的能量最小化將確保它們的位置是合理的。

X射線晶體學。 X射線晶體學方法利用電磁輻射相互作用最強的光 學定律其尺寸接近波長的物質輻射。在分子中，X射線被電子云衍射，因為X射線的波長和電子云的直徑都是埃米量級的。當一組分子按規則排列、晶體陣列時形成的圖案，衍射可用於重建分子3D圖像。然而，氫原子通常不會被X射線晶體學檢測到，因為它們的尺寸太小，只包含一個電子，無法與輻射相互作用。當前可用的X射線結晶學分辨率為0.9埃米。

4. 在VMD中選擇Extensions--Tkconsole菜單項，確保您位於1-1-build目錄中。如果你不是，使用dir命令導航到那裡。然後，鍵入以下命令：

set ubq [atomselect top protein]            設置變量ubq，其為選擇了所有蛋白質原子

$ubq writepdb ubqp.pdb                       用writepdb命令將ubq輸出為ubqp.pdb文件

（在每個命令後按Return鍵。）

在上一步中，在1-1-build目錄中，您創建了文件ubqp.pdb，包含泛素的坐標，但是沒有氫原子的坐標。 （ps：這一步生成ubqp.pdb是單獨選出來蛋白質，因此沒有水分子，也沒有氫原子）

5. 刪除當前分子。點擊分子，使用VMD Main的Molecule—Delete molecule刪除當前的分子，

6. 現在，你將創建泛素的psf文件。注意，VMD​​提供了自動PSF生成器（Automatic PSF Builder），可通過VMD Extensions-- Modeling --Automatic PSF Builder找到它。我們將教你如何手動創建psf文件。在這方面VMD的psfgen包非常有用。為了創建一個psf，您將首先創建一個pgn文件，目的是psfgen文本。

在“終端”窗口中，鍵入nedit以打開文本編輯器。 以下幾行：

package require psfgen                          調用psfgen包

topology top_all27_prot_lipid.inp              調用該拓撲文件

pdbalias residue HIS HSE                       HIS更名為HES，HIS根據質子化有多個名字

pdbalias atom ILE CD1 CD                     將殘基ILE的CD1原子更名為CD

segment U {pdb ubqp.pdb}                    創建一個名U的片段，把氫原子加進來了

                                 
coordpdb ubqp.pdb U                           讀入ubqp.pdb文件，老標籤換成了U

guesscoord                                         猜測缺失原子，例如氫原子的位置

writepdb ubq.pdb                                 輸出更名後的新pdb文件

writepsf ubq.psf                                   輸出更名後新的psf文件

7. 鍵入此命令後，單擊“file”保存文件。確保你在1-1-build目錄中，輸入文件名ubq.pgn。也請確保以純文本（.txt）格式保存文件。退出文本編輯器。

組氨酸殘基。 20個氨基酸之一，組氨酸是唯一一個在生理環境下（pH-7.4）可以離子化的氨基酸。這個作用可以由氨基酸支鏈的pK描述。對組氨酸，pK值為6.04. 這就可能使蛋白質中組氨酸殘基由不同的質子化狀態，在MD模擬中考慮適當狀態是非常重要的。這個狀態是組氨酸的δ氮質子化（在拓撲文件中以殘基名稱HSD列出），其中組氨酸的E氮質子化（HSE），其中兩種氮都質子化（HSP）。

8. 在VMD TkCon窗口中，鍵入以下命令（再次確認您在1-1-build目錄中）：

source ubq.pgn

這將在文件ubq.pgn上運行包psfgen並生成psf和含有氫原子的pdb文件。

在你的屏幕上你會看到不同的信息。警告與結尾有關你的分子是正常的。你的系統應該有1231個原子和631個猜測的坐標。運行psfgen後，1-1-build目錄中將出現兩個新文件：ubq.pdb和ubq.psf。通過在終端中鍵入dir來檢查這一點。你已經創建到了psf文件。是的。您可能想使用寫字板檢查ubq.pdb文件。

多條鏈。 pdb文件通常包含蛋白質聚合物的結構信息。在pdb文件中，每個單體通常標記為單獨的（chain）鏈。 Chain ID顯示在pdb文件中列的殘基名稱後面。在這種情況下，你可以使用VMD把每一個鏈生成單獨的pdb文件。

set chainA [atomselect top "chain A"]

$chainA writepdb chainA.pdb

這些命令應該能用於系統中的每一條鏈。 psfgen包要求每個鏈都有一個pdb文件。