1.4水分子球中泛素：非週期邊界條件模擬
在這一節中，你將研究在真空中放置泛素在水球中的最小化和平衡。
1.4.1 配置文件（Configuration File）
配置警告。當你在的配置文件輸入命令時要非常小心。即使是最輕微的輸入錯誤將導致模擬無法運行。重點不僅僅是運行模擬，而是正確運行它。在提交要運行的模擬之前確保你的文件是正確的！
配置文件解釋。本節將向您介紹一個配置文件。文件已完成並準備好提交。因為您將在節中逐行檢查文件，如果您的時間很短，您可以跳到第1.4.2節，並且稍後檢查此部分的內容。
1、鍵入cd …\1-2-sphere，轉到1-2-sphere目錄。在這裡，您將找到一個配置文件，用於最小化和平衡水球中的泛素。 （ps：對新手來說有更加簡單的方法，直接在目錄導航欄輸入cmd，直接會到當前目錄）
在這個水球系統的泛素能量最小化和平衡產生的文件將放在這個目錄中。放在這裡輸入文件只有配置文件，因為對這個模擬來說它是特別的。 pdb，psf以及參數文件，這些文件可能被許多其他模擬所使用，都放在common目錄中，由每個相應的配置文件調用。
用寫字板打開配置文件，這個配置文件ubq_ws_eq.conf在你1-2-sphere目錄中。配置文件一開始可能看起來很複雜，我們將一行一行地檢查並確定其模擬中的功能。
注意，當“#”出現在一行的開頭時，整行將處理為註釋並被NAMD所忽略。在一行的中間位置，“；#”將用於註釋掉這行的其餘部分。
2 、“Job Description”部分僅包含註釋及其目的，是通知那些查看配置文件的人它是什麼意思。你的註釋應該是
# Minimization and Equilibration of
# Ubiquitin in a Water Sphere
3、“Adjustable Parameters”部分包含五個命令行：
•structure：調用描述系統的psf文件（..\common\ubq_ws.psf）。
•coordinates：調用PDB文件中的初始坐標數據（在本例中為..\common\ubq_ws.pdb）。
•set temperatute：創建一個叫“temperature”的變量，它存儲了系統的初始溫度值。如果你把文本“$temperature”放置在配置文件中，NAMD只是讀取數字“310”的標籤。 （創建變量很有用，因為你可以在一個地方改變變量的值，如果它是在配置文件中多次列出。）
•set outputname：創建一個名為“outputname”的變量
存儲輸出文件的通用名稱。如果您放置文本“$outputname”在配置文件中，NAMD只是將其作為“ubq-ws-eq”的標籤讀取。
•firsttimestep：只是設置模擬的第一個時間步的值。它通常在重新啟動模擬時很有用。例如，如果先前的模擬在時間步驟552結束，則將可以使用命令firsttimestep 553。
4、“Simulation Parameters”部分包含許多命令，按不同類別進行了註釋：
•Input
–paraTypeCharmm：指示參數文件是否用CHARMM 格式的力場。 on表示它是；off表示它不是。 （如果此命令沒有指定時，默認情況下，NAMD假定文件為X-PLOR格式。即是默認值為off）
–parameters：調用力場文件（在本例中..\common\par_all27_prot_lipid.inp）。
–temperature：以開爾文為單位設置系統的初始溫度，（K），旁邊列出的值（在本例中為$temperature或310）。這是通過給原子分配隨機速度來實現的，從麥克斯韋分佈中選取，使得它們的平均動能精確地表示給定的溫度。
•Force-Field Parameters
–exclude：指定要排除哪些原子間的相互作用。參見圖4的一般原子標籤。這個scaled1-4值表示忽略了原子1和2以及原子1和原子3之間的相互作用，原子1和4被削弱。 “1-4”原子的凡德瓦作用力是用參數文件定義的特定“1-4”原子參數來更改。靜電作用力更改顯示在下一個命令中。
–1-4scaling：指定1-4個原子之間要考慮的靜電作用力的程度。它可能是介於0和1之間的十進制數（這裡是1），並分別說明相互作用是“關閉”或“打開”的。
–cutoff：表示靜電作用力和凡德瓦作用力的截斷距離，單位是埃米。否則，整個系統都要考慮這些相互作用，這在計算上可能代價太高了。同時可以使用靜電作用力快速求解器，如PME粒子網格法（第1.5.1節）或MSM多級求和法，相反，截斷參數定義了1/r相互作用勢的分割距離，其中，在原子之間的截斷距離內的短距離部分精確計算，剩餘的長距離部分由解算器近似計算。
–switching：指轉換函數是否用於平滑靜電作用力和凡德瓦作用力在截斷距離處為0.你可以在旁邊列出on和off作為是或者不是的答案。
–switchdist：表示靜電和范德華相互作用的函數形式被修改以允許其值在截斷距離處接近零的距離（以Å為單位），如下圖五所示。
–pairlistdist：旨在加快計算速度。它指定了距離單位埃米。 NAMD只會在這段距離內搜索靜電作用力或凡德瓦作用力的原子。這樣，NAMD就不必搜索整個系統。距離必須大於cutoff，在模擬過程中必須更新列表。見圖五
圖5：左側表示cutoff和switch距離。 右邊表示Pair list distance。
積分參數（Integrator Parameters）
–timestep：指示在模擬中時間步的大小。 MD模擬用離散近似來求解牛頓定律，確定原子軌跡。 timestep告訴NAMD如何離散化粒子動力學。它是以飛秒（此例子是2 fs）為單位指定。
–rigidbonds：指定哪些與氫有關的鍵被認為是剛性的（非振動的）。值all指定所有涉及氫和任何其他原子的線性鍵。 （ps:吐血提醒，此值可選none，all，water，比如選擇了all，那麼連接氫原子的鍵長和鍵角都是固定在某一標準值，因此bond，angle能量都為0）
–nonbondedFreq：指定計算非鍵相互作用的頻率。它用來節省計算時間。
–fullelectrfrequency：以指定計算完全靜電相互作用的頻率。
–stepspercycle：原子在每個循環中被重新分配一次對列表標識（如上所述）。此命令指定一個週期持續多長，即一個週期中的時間步數。
•恆溫控制（Constant Temperature Control）
–langevin：指示模擬是否使用Langevin dynamics；使用值on或off。請參閱下面的“科普”框，有更多關於Langevin dynamics的信息。
–langevinDamping：設置Langevin耦合係數的值，該值量化應用於系統的摩擦力、從系統中移除能量、減慢原子速度等。單位規定為ps-1。
–langevinTemp：Langevin dynamics可應用於所有原子或者係統中的非氫原子。這個命令指定了保持這些原子的溫度，即使摩擦力和隨機力將作用於它們。 （記住$temperature是值310的變量。 ）
–langevinHydrogen：指示模擬中Langevin dynamics是否將應用於氫原子；使用值on或者off表示。
（ps：如果rigidbonds all，那麼這個一定為off。off背後的含義是摩擦力和隨機力不施加在氫原子上，但是其他原子對氫原子的力比如靜電力庫侖力還是存在）
• MSM法求靜電作用力
多級求和法（Multilevel Summation Method MSM）是一種解決系統中的靜電作用力的有效方法，這個系統在三維上沒有完全的周期性邊界，換句話說，應用的的是非週期性邊界或者半週期性邊界。儘管MSM也支持全週期邊界條件，但是粒子網格化（PME）（第1.5節中討論的的個方法對於較小的周期性系統如在水中模擬的泛素更有效。在當前涉及水球的模擬中，MSM是靜電作用的最佳選擇。
MSM使用粒子網格，類似於PME，排列在三維網格上來計算遠程靜電相互作用。電荷被分配到鄰近的的網格點上，這些網格電荷的相互作用導致網格的勢能，這些勢能差值到原來的原子上來確定長程原子間的力。不像PME使用一個單一的網格分辨率，MSM使用一個網格嵌套方法。都有一個實際空間中每個連續“級別”的分辨率來解決1/r庫侖勢的長程尾巴（較遠的長程作用）。不是像PME那樣計算Ewald和，MSM使用連續拆分相互作用勢，在嵌套網格中進行插值
–MSM：指模擬是否使用多級求和法；使用值on和off。
–MSMGridSpacing：最細級別網格之間的網格間距，在一定程度上決定了MSM的準確性和效率。根據誤差與成本分析，網格間距最佳值是比原子間平均間距大一點。因為性能對網格間距非常敏感，最好將此參數設置為其默認值2.5埃米。
–MSMxmin、MSMxmax、MSMymin、MSMmax、MSMzmin、MSMzmax:用於非週期性模擬，MSM需要知道預期的最大和最小坐標，以便建立包含整個模擬過程中所有原子的網格。為防止原子離開模擬空間，可能有必要使用限制勢，如用於水球模擬球面邊界的約束。
進一步控制精度和性能的MSM參數記錄在NAMD用戶指南中。
•Output
–outputName：可以通過一些模擬的NAMD寫出某些類型的輸出數據。此命令指定每個模擬輸出文件的前綴：包含最終系統中所有原子的坐標pdb文件和包含系統中所有原子最終速度的pdb文件；擴展名分別是.coor和.vel（ps：pdb文件格式的後綴不一定都是.pdb,還有可能是.coor和.vel。同時讀入psf和coor用VMD可以生成pdb文件，這裡的coor是二進制，用寫字本打不開的）。因此，此配置文件將寫兩個名為ubq_ws_eq.coor和ubq_ws_eq.vel
–restartfreq：在模擬過程中，NAMD還可以創建重新啟動文件，其中一個是存儲原子坐標的pdb文件，另一個存儲原子速度。這個命令指定寫入到重新啟動文件的時間步數量（這裡，每500步，或1000fs，或1ps）。如果這個命令未設置，NAMD將不會創建重新啟動文件。此外，NAMD將每次存儲前一個週期的文件寫入新文件。文件名後面附加了一個.old擴展；它是在NAMD無法編寫新的重新啟動文件時創建。
–dcdfreq:dcd文件只包含原子坐標，並且在一個模擬週期中寫入文件幾次。因此，它提供了系統運行時的軌跡。此命令指定寫入dcd輸出文件新坐標的時間步數。如果這個命令未設置，NAMD將不會創建dcd文件。
除了所描述的輸出文件外，NAMD還打印出模擬日誌文件（我們將生成一個.log文件）。下面將進一步解釋此輸出。
–outputEnergies：指定係統能量的輸出時間步數的頻率（對於不同的力場相互作用），將能量值寫到.log文件中（這裡，每100步，或200 fs）。
Langevin dynamics是一種控制系統動能的手段，從而控制系統
溫度和/或壓力。該方法對單個粒子使用Langevin方程：
在這裡，右邊的兩個附加項目是粒子所經歷的普通力。第二項代表施加在粒子上摩擦的粒子施加的摩擦。其用摩擦阻尼係數γimi。第三項代表隨機力作用於粒子（作為溶劑相互作用的結果）。這兩個術語用於保持粒子動能以保持系統例如溫度的恆定。因為不必要的高阻尼常數會顯著降低系統的動力，你應該總是找到朗之萬足以維持溫度的最小的係數。值1.0是通常是一個很好的起點。
剛性鍵。在任何MD模擬中使用的時間步應該由系統中發生的最快的過程（即原子的運動）決定。在各種相互作用中，鍵拉伸和角彎曲是最快的，典型的鍵拉伸每10-100飛秒發生一次的振動。使用2 fs的時間步長，它接近於含有氫原子線性鍵振動週期10fs（氫原子振動最快，因為氫的質量很小），必須要求這些氫原子鏈接的鍵是固定的，只有較慢的振動的鍵才能自由移動，比如二面體角度彎曲。對於大分子來說，這些較慢的振動通常比更快的振動更能控制分子的行為，因此，鍵的固定是可以接受的，但精確的模擬應該避免這種固定鍵的情況。我們更喜歡使用MD的timestep是模擬中最快作用（鍵振動週期）的1/10。對於時間步長為1fs的模擬時，人們應該使用rigidBonds來表示水，因為水分子被參數化為剛性分子。
靜電作用。長距離靜電相互作用在許多生物分子過程中起著至關重要的作用，使得在模擬中精確地描述它們變得非常重要。但是，直接計算所有原子對之間的完全靜電相互作用勢，在模擬蛋白質或更大的系統時是不可行的。為了有效計算遠程靜電，NAMD提供兩種快速靜電解算器的選擇：粒子網格法（PME）要求使用周期邊界條件且更適合於恆壓模擬；和多級求和方（MSM）支持沿任意維度的周期或非週期邊界且更適合於非週期或半週期邊界的模擬。
5、“ Extra Parameters”部分可用於一些更加特定的模擬。這裡包括的命令描述了在水球上的球形邊界條件。球形邊界條件防止球體蒸發或擴散。
•Spherical Boundary Conditions球形邊界條件
-sphericalBC：指示模擬中是否使用球形邊界條件；用價值on和off。
-sphericalBCenter：當應用了球形邊界條件時，設置球形中心坐標 X，Y，Z。
這就是為什麼你需要記錄你的水球體的中心
下三個命令行是一定要設置的參數，以確保球形邊界條件正常工作。
-sphericalBCr1：設置第一個邊界勢能開始執行的距離。
-sphericalBCk1：應用於球形邊界的第一個勢能用來保持球聚集在一起。這個命令為勢能設置力的常數值。他的值指定為kcal/mol·Å2。
-sphericalBCEXP1：設置指數只用於勢能的式子；一定是一個正值甚至是整數。
6、 ”Execution Script“部分包括三個命令，前兩個是應用於最小化和最後一個應用於平衡。
•Minimization
-minimize：設置迭代次數，更改原子坐標，尋找局部勢能最小值（本例中是100步）
-reinitvels：勢能最小化是在系統中的所有原子速度設置為0後執行的。此命令重新設置原子速度使系統在指定溫度下開始（在這種情況下，$temperature或310K）。
•run：設置運行MD平衡的時間步數（在本例中為2500，對應於5000 fs或5 ps，因為使用了2 fs的時間步長）。
7、現在，點擊file--exit關閉配置文件。
NAMD User’s Guide。配置文件命令行在前幾節中的的解釋遠未完成。為了解釋關於更一般配置文件，請參見附錄E。有關配置的更深入說明文件命令，有關這些命令可能提供的可接受值，請看NAMD User’s Guide： http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/current/ug
配置文件所需的文件。在配置文件中出現以下參數是NAMD所需要的，coordinates, structure, parameters, exclude,outputname, numsteps and exactly one of the following:temperature, velocities, or binvelocities.
1.4.2 運行模擬執行模擬：namd2 ubq_ws_eq.conf > ubq_ws_eq.log &
（ps：在當前目錄導航輸入cmd，enter，進入cmd界面，輸入以上一行，enter）
設置路徑。您要么需要提供全路徑給namd2（例如，C:\users\…\namd2）或將namd2目錄添加到您的路徑，以便Windows找到它。這可以通過右鍵單擊桌面上的計算機並選擇屬性！高級系統設置-先進-環境變量（精確的過程可能依賴於您的Windows版本）。在“系統變量”下，向下滾動並選擇“路徑”，然後選擇“編輯”。在變量長行的末尾，添加一個分號；然後是包含namd2的目錄的完整路徑。單擊“確定”。現在打開一個新的命令提示符。不管在您所在的目錄中，您應該能夠鍵入namd2並運行它。
沒有留言:
張貼留言