NAMD教學二十：拓撲文件

CHARMM力場拓撲文件包含將殘基名稱列表轉換為完整PSF結構文件所需的所有信息。它還包含內部坐標，允許自動分配坐標給晶體PDB文件中丟失的氫和其他原子。

CHARMM力場的當前版本是CHARMM22用於蛋白質，CHARMM27用於脂質和核酸，包括對蛋白質的CMAP校正。各個拓撲文件分別命名為top_all22_prot_cmap.inp、top_all27_lipid.rtf和top_all27_na.rtf。為了在混合系統上進行計算，還提供了組合版，名為top_all27_na_lipid.rtf，

top_all27_prot_lipid.rtf和top_all27_prot_na.rtf都可以在CHARMM31版本中找到。雖然與NAMD一起使用的工具允許同時使用多個拓撲和參數文件，但最好使用這些預先組合的文件。 CHARMM31版本可從MacKerell網站下載：

http://mackerell.umaryland.edu/charmm_ff.shtml

我們將檢查top_all27_prot_lipid.rtf；其他文件相似。文件開頭是頭文件，用以*s開頭的行表示，在本例中用“31 1”表示生成文件的CHARMM版本：

拓撲文件中的註釋由“！”表示，可以在行的任何地方出現。重要的使用信息通常包含在這些註釋中，因此在使用文本編輯器構建結構時，最好在文本編輯器中檢查拓撲文件。文件的下一部分是一長串註釋，其中包含文章的參考文獻和文件中參數的其他來源：

拓撲文件必須定義每個殘基中每個原子的類型、質量和電荷，以便可以構建PSF文件。雖然分配給同一類型原子的部分電荷在殘基之間變化，但它們的質量並不會變化。因此，每種原子類型的質量在文件開頭的mass描述中僅聲明一次。此描述還將一個整數與每個類型名配對，該名稱用於CHARMM格式的PSF文件，但不用於NAMD使用的X-PLOR格式的PSF文件。類型索引是唯一的，但不一定是連續的。注意以下內容，除了有許多類型的氫和碳原子被定義，但是原子質量是相同的：

當指定蛋白質中殘基鏈的連續性時，有必要參考前一殘基或後一殘基中的原子。 CHARMM拓撲文件聲明那些將在相鄰殘基中引用的原子類型，如下所示：

鏈的第一個和最後一個殘基顯然與中間的殘基具有不同的連續性，因為它們少了一個相鄰者。這是通過patch residues，通常稱為patches，來進行處理的。如圖所示，當殘基是段中的第一個或最後一個殘基時，任何殘基都可以指定要應用patch。但是，整個文件的默認設置，如下所示，其中默認patch程序是片段的第一個殘基為NTER，而最後一個殘基為CTER：

DEFA FIRS NTER LAST CTER

雖然原子間的共價鍵連接必須由拓撲文件提供，但枚舉所有所需的角度和二面體將是乏味且容易出錯的，而且非常複雜，因為由肽鍵連接的殘基的每個組合都需要不同的設置。因此，當建立一個片段時，每對或三個連接而成的鍵都會自動生成角度和二面角。此自動生成在每一個片段可能有效也可能無效，而且它不應用於水分子，但默認值在拓撲文件中定義：

AUTO ANGLES DIHE

我們現在準備好了實際的殘基定義，從丙氨酸開始，如下所示。殘基由RESI聲明表示，並帶有殘基名稱（ALA）和總電荷（0.00）。接下來，ATOM聲明列出了中殘基的所有原子，原子名稱（N，HN，CA）、類型（NH1，H，CT1）和部分電荷（-0.47，0.31，0.07）。將原子劃分成整數電荷組的聲明不被NAMD使用，也不應與氫原子組混淆，每個氫原子和與之結合的所有氫原子，NAMD用於加速非結合計算的距離測試。

如上所述，角度項和二面角項將是自生成的，因此不列出這兩項。但是，不太常見的不正確二面角（通常稱為impropers）必須顯式列出。在這種情況下，有兩個improper，維持了肽鍵的平面性，就像二面角一樣，improper中的原子順序可能被顛倒。如下圖所示，impropers由IMPR語句指定，後跟四個原子的集合，其他三個原子與之結合的中心原子通常列在前面。

IMPR N -C CA HN C CA +N O

由於CMAP修正項僅適用於主鏈二面角，因此也應明確列出，如CMAP語句之後所示。

CMAP -C N CA C N CA C +N

顯式氫鍵項不再存在於CHARMM力場中，因此不由NAMD計算。供體和受體聲明，如下所示，指定了有資格形成氫鍵的原子對。 VMD中的psfgen模塊忽略這些語句，並且不將氫鍵信息合併到PSF文件中。

DONOR HN N

ACCEPTOR O C

最後，殘基定義是IC聲明的內部坐標，對於每組四個原子1234，IC按順序指定鍵長1-2、角1-2-3、二面角1-2-3-4、角2 -3-4和鍵長3-4。利用這組數據，原子1的位置可以基於原子2–4的位置來確定，原子4的位置可以基於原子1–3的位置來確定，從而允許基於三原子種子遞歸生成結構中所有原子的坐標。贗角IC聲明由第三個原子前面的一個*表示，其他三個原子與之結合，如12*34所示。 IC語句中的原子順序與IMPR語句不同，提供長度1-3、角度1-3-2、二面角1-2-3-4、角度2-3-4和長度3-4。

上面提到，對於鏈中的第一個或最後一個殘基需要特殊處理，並且這是作為patch實現的。以下是蛋白質的默認第一個殘基patch，NTER。該語法與正常殘基幾乎相同，但是原子聲明可以指添加新的原子（HT1、HT2、HT3），或者修改給定名稱的現有原子（N，CA，HA）的類型和電荷。 DELETE聲明的操作與預期的一樣，刪除原子（HN）和包含它的鍵。

註釋“use in generate statement”表示在生成片段期間使用了NTER的patch，並在生成角度和二面角之前應用。其他類型的patch的例子是LINK的patch，即在片段生成之後應用的patch，如下所示。在這種情況下，patch語句需要兩個殘基作為參數，第一個殘基是沒有CTERpatch的片段的對後一個，第二個殘基是不帶NTER的patch的片段的第一個殘基（註釋將N和C末端顛倒）。原子名稱前面的數字1和2表示命名原子所屬的參數。因為角度和二面角沒有生成，所以它們被枚舉。

這些類型的patch被用來改變質子化狀態（ASPP，GLUP，HS2），產生二硫鍵（DISU），連接血紅素基團（PHEM）及其配體（PLO2，PLIG），甚至去除不需要的自生角（FHEM）。

以下是甘氨酸的完整殘基定義，甘氨酸是最小的氨基酸。將GLY與上述的ALA殘基進行比較。

不像ALA和大多数蛋白质残基，其中CA与HA和CB结合，在GLY中，它与一对氢分子HA1和HA2结合。另外，与N结合的氢称为H，而不是HN。由于这些原因，默认的NTERpatch不能应用于GLY，PATCHING语句用于将GLY的默认第一个残基patch更改为GLYP。类似地，上面的LINKpatch不能用于GLY残基，因此提供额外的补丁LIG1、LIG2和LIG3来链接GLY到非GLY、非GLY到GLY和GLY到GLY。

水也被定义为残基，如下所示，但使用时需要小心。第三个键，NAMD不需要，是允许CHARMM使水分子成为刚性体。这种环结构会混淆自动生成的角度和二面角，因此水分子片段必须在禁用自动生成角和二面角，因此还包括一个显式角。如果此第三个键已从水拓扑中移除，则仍必须禁用自动生成以避免复制角度，除非角度也已移除。

以下離子的殘基定義非常簡單

我們只討論了拓撲文件中與蛋白質和溶劑相關的部分。在拓撲的註釋中，有很多關於蛋白質的附加信息，更不用說脂類和核酸了。

其他文章補充：

需要注意的是，這裡定義的原子類型比周期表中給出的原子類型更具體。由於原子的行為因其所連接的原子而不同，因此質量項被用來定義同一原子的許多類型。例如，如果我們想給出丙烷中出現的不同原子類型，我們可以使用以下質量定義：

MASS 1 H 1.00800 H

MASS 2 CH2 12.0111 C

MASS 3 CH3 12.0111 C

這裡我們定義了兩種類型的碳：CH2碳和CH3碳，其本質區別在於附著在碳原子上的氫原子的數量不同。重要的是要記住，像CH2這樣的原子類型的定義並不能描述整個CH2基團（即亞甲基）。相反，它僅僅描述了那個基團的碳原子。另外，由於丙烷中的氫原子只與碳原子結合，我們只定義了一種氫原子。

MASS 2 CH2 12.0111 C ! carbon bonded to two hydrogen atoms

MASS 3 CH3 12.0111 C ! carbon bonded to three hydrogen atoms

在定義同一個atom的多個類型時，最好包含一個註釋來解釋每種類型之間的差異。 CHARMM註釋的行為與Python註釋相似，只是它們以感嘆號開頭。

GROUP

雖然CHARMM殘基的原子必須全部求和為整數，但這不一定是殘基中原子子集的情況。 GROUP關鍵字表示殘基中原子的子集，其電荷之和為整數。例如，乙烷殘基定義為兩組：

RESI ETHA 0.00

GROUP

ATOM CA CH3 -0.27

ATOM HA1 H 0.09

ATOM HA2 H 0.09

ATOM HA3 H 0.09

GROUP

ATOM CB CH3 -0.27

ATOM HB1 H 0.09

ATOM HB2 H 0.09

ATOM HB3 H 0.09

CHARMM並不總是要求原子以這種方式分組，而且有不止一種有效的方式來分配組。在上一個例子中，我們可以只給出一個包含所有8個乙烷原子的群，或者我們可以把所有的原子放在一個大的群中。在CHARMM中列出非鍵相互作用時，GROUP很重要，因為分組的方式決定了構建哪些非鍵列表。

Internal Coordinates
對於形成合適的二面角的任何四個原子（A、B、C和D），有五個值可用於確定所有四個原子相對於彼此的位置。這些值稱為內部坐標，在CHARMM中的格式如下：

IC A B C D Rab Tabc Pabcd Tbcd Rcd

這裡，IC A B C D表示包含原子A、B、C和D的適當的二面角，這樣A與B、B與C、C與D相連。 Rab表示原子A和B之間的鍵距，Tabc表示原子A、B和C之間的鍵角，Pabcd是所有四個原子形成的二面角。

贗角的格式類似，如下所示：

IC A B *C D Rab Tabc Pabcd Tbcd Rcd

在上面的例子中，C是其他三個原子所連接的中心原子。

如第5課所述，一個內部坐標表可以省略，稍後由CHARMM自動生成。在同一課的第6課中，我們提到IC表只能指定二面角。下面我們將展示兩個示例IC表條目來說明這一點：

IC HA1 CA CB HB1 0.00 0.00 120.00 0.00 0.00

IC HA1 CB *CA HA3 0.00 0.00 -120.00 0.00 0.00

以這種方式指定IC表條目時，必須使用自動角度以確保CHARMM知道自動生成鍵和角度