NAMD教學五：水盒子中的泛素：週期性邊界條件模擬

1.5水盒子中的泛素：週期性邊界條件模擬

在本節中，您將研究在在周期性邊界條件下，水盒中泛素的最小化和平衡模擬計算。

週期性邊界條件。週期邊界條件的使用涉及到用相同的虛擬單元包圍被研究的系統。周圍虛擬系統中的原子與真實係統中的原子相互作用。這些模擬條件有效地消除了水分子的表面相互作用，創造比真空包圍的水球更加真實的體內環境。

1.5.1配置文件（Confguration File）

1、鍵入cd ..\1-3-box，轉到1-3-box目錄。在這裡，你會找到一個配置文件，用於最小化和平衡水盒子中的泛素。最小化和平衡在一個水盒系統你的泛素的所有輸出文件都將放在這個目錄。

2、使用WordPad打開配置文件ubq_wb_eq.conf，配置文件中包含一些不同於水球配置文件的命令。在此，我們指出並解釋這些差異。

3、此文件中與上一節水球模擬配置文件的唯一區別在於“Simulation Parameters”部分，其中添加了三種新的參數類別。 “Output”部分也已修改。新命令如下：

•週期性邊界條件（Periodic Boundary Conditions

-定義三個週期單元的基向量，用來給出週期單元的形狀和大小。這三個基向量是cellBasisVector1、cellBasisVector2和cellBasisVector3。在這個文件中，每個向量都垂直於另外兩個向量，由每個向量指定的單個x、y或z值表示。例如，cellBasisVector1是x=42Å，y=0Å，z=0Å。每個矢量相互垂直，形成一個矩形的三維盒。

–cellOrigin：用Å埃米指定週期性細胞中心的坐標。這就是為什麼在你溶劑化蛋白質後需要計算你的水盒子的中心。

–wrappwater：此命令可用於週期性邊界條件。如果水分子越過週期性邊界，離開細胞，將此命令設置為“on”將把其坐標轉換為細胞另一側的鏡像點。任何東西都無法逃脫。命令可以設置為“on”或“off”。

–wrapAll:與wrapWater相同，但這適用於所有分子。 （ps：下圖對該命令的一個直觀描述）

PME計算靜電作用

粒子網格法【Particle Mesh Ewald（PME）】是處理週期邊界條件下系統中靜電相互作用的一種很有用方法。 Ewald求和方法是計算週期系統中長程力的一種有效方法。粒子網格是在系統中創建的三維網格，系統電荷分佈在該網格上。根據這個電荷，系統中原子的勢能和力是確定的。因此，你選擇的網格大小應該使其足夠精確地表示系統的構象。

–PME：指示模擬是否使用粒子網格Ewald求和方法；使用值yes和no。

–PME Gridspace：設置PME網格點數量和基向量（cellBasisVector，即物理尺寸）之間的最小比率。由於網格將復制系統中的電荷分佈，因此應選擇足夠大的PME Gridspace，以便網格間距能夠準確地複制電荷分佈。但是，它不應該太大，以至於會減慢模擬速度，並造成不必要的精度。

一般來說，在生物系統中，網格密度略大於1/Å是複制電荷分佈的好選擇，在生物系統中，最接近的原子的鍵間距為1Å。這對應於PME Gridspace為1.0。然後，NAMD將自動設置PME網格大小（見下文），一般網格數量和尺寸比例會小於1Å，因為cellBasisVector需要時公因子的倍數（例如公因子2、3和5）。

或者，可以使用PMEGridSizeX、PMEGridSizeY和PMEGridSizeZ手動定義PME網格大小。它們分別沿cellBasisVector1、2和3設置PME網格的大小（而不是隱含的x、y和z方向）。為加速計算傅立葉變換，PMEGridSizeX應該被選擇，以便它可以被2，3，或5分解。如果cellBasisVector1=（60,0,0），那麼PMEGridSizeX的一個好選擇可能是64，因為60/64=0.9375和64=2的6次方。請注意，由於cellBasisVector在每個方向上的定義值略有不同，因此網格間距（長度）的大小在每個方向上都會有所不同。還請注意，在使用PME方法時，命令cutoff確定了該方法的長程力和短程力之間的區分；它不僅僅關閉交互。

•恆壓控制（可變容積）（Constant Pressure Control(variable volume)）

–useGroupPressure:NAMD根據原子間的作用力及其動能計算系統壓力。此命令指定是否應將涉及氫的相互作用計算為所有氫原子，或僅計算氫原子組之間的相互作用；使用“yes”和“no”值，如果設置了rigidBonds，則必須將其設置為“yes”

- useFlexibleCell:指定是否允許週期性單元的三個維度獨立變化；使用值yes或on。

–useConstantArea:NAMD允許您在改變z維度，同時保持x-y橫截面積不變；使用“yes”和“no”值。

–Langevin piston：指示模擬是否使用Langevin活塞來控制系統壓力；使用值on和off。

–LangevinPistonTarget：以bar為單位指定Langevin活塞要保持的壓力。 （1 atm=1.013 bar，即是一個大氣壓）以下是NAMD允許您指定的Langevin活塞參數。

–langevinPistonPeriod：設置Langevin活塞的振盪時間常數（fs）。

–langevinPistonDecay：以fs為單位設置Langevin活塞的阻尼時間常數。

–langevinPistonTemp：以K為單位設置Langevin活塞的“噪音”溫度；應設置為等於溫度控制方法的目標溫度（此處由langevinTemp設置）。

•Output

–xstFreq:擴展系統軌跡文件包含週期單元參數的記錄，基本上記錄了單元邊界在運行時的軌跡。此命令指定在時間步中記錄配置的頻率。如果設置此命令，將輸出三個xst文件：1個final和2個restarts。

–outputPressure：指定每次將系統壓力輸出到.log文件之間的時間步數。

請注意，指定球形邊界條件的命令已完全刪除，因為此模擬使用周期性邊界條件。

最小化和平衡。通常，MD最小化和平衡模擬涉及不止一個最小化平衡循環，通常固定和釋放系統中的分子。例如，通常來說，先最小化系統，然後平衡在空間中固定的蛋白質原子，然後再次最小化系統並再次平衡，這一次蛋白質可以自由移動。在第一步，固定蛋白質使水分子馳豫（向著平衡移動），通常比蛋白質快得多。這節省了計算工作量，並防止進入人為的不穩定的啟動結構。

1.5.2 執行你的模擬

在cmd中輸入：namd2 ubq_wb_eq.conf > ubq_wb_eq.log &

關於重新啟動模擬的說明。通常，分步驟運行模擬是必要的或有用的。例如，你可以完全平衡一個蛋白質系統，然後希望以這種平衡結構為起點進行幾種不同類型的模擬。在這種情況下，您希望從已平衡的結構重新開始模擬。如果注意到以下幾點，可以使用配置文件/common/sample.conf作為重新啟動仿真的模板：

•將“if{0}{”的第一個實例更改為“if{1}{”，這樣NAMD認識到它應該從重啟restart文件中獲取坐標、速度和系統尺寸。通過在if{n}語句中括起一組命令，n=0時，NAMD將忽略的命令，並在n不等0時讀取它們。

•如果使用的是velocity restart文件，請確保未指定溫度。你應該註釋掉temperature命令行，即在其前面放置一個#。

•對於週期性邊界條件，如果使用重新啟動文件，請確保不重新指定週期性單元，因為NAMD將從重新啟動文件中讀取尺寸。

•確保所有其他模擬條件都與您希望完成的任務精確匹配。例如，如果系統已經平衡，則可能不再需要最小化。