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分子动力学模拟概论
分子动力学模拟的发展
分子动力学模拟的基本原理
分子动力学模拟相关软件
分子动力学入门
基本设置
生成蛋白质结构文件()
蛋白质的溶质化
球状水体中泛素()的分子动力学模拟
立方水体中泛素()的分子动力学模拟
简单的结果分析
分析方法
平衡态分子动力学模拟分析
每个残基的 值
麦克斯韦波尔兹曼()能量分布
能量分析
温度分布
比热分析
非平衡态分子动力学模拟分析
热扩散
温度回音
人工操纵的分子动力学模拟()
除去水分子
恒速拉伸
恒力拉伸
结果分析
分子动力学模拟概论
预定目录
分子动力学模拟( !" #)是指利用计算机软件,根据
牛顿力学的基本原理,模拟大分子的相互作用和运动变化的研究方法。生命科学的研究往
往离不开各种仪器,试管和活的有机体,通过实验手段研究生命现象背后的规律。那么,
为什么我们要将生命大分子抽象成二进制数据,由计算机软件模拟其行为呢?
首先,从理论基础上讲,我们能够使用计算机模拟生物大分子的行为。生物体系非
常复杂,但生物大分子如蛋白质,脂肪,多糖等也是许多原子由化学键连接起来形成的,
所有原子的运动规律都符合量子力学方程,在较大尺度上也近似符合牛顿力学方程,它的
行为是要受物理学基本规律支配的。因此我们可以将利用纯数学的手段,近似模拟生物大
分子的行为
其次,从研究需要上讲,我们不仅希望从宏观上研究生命大分子溶液体系的行为,
还想直接研究单个生物大分子在原子尺度上的行为,而这是目前的实验仪器难以达到的。
比如,我们希望直接研究蛋白质从伸展的肽链折叠成球形的具体过程,使用仪器手段只能
收集到间接的数据,但使用软件模拟则可以形象直观的模拟出整个折叠过程,可以具体求
算每个键能、键角的变化,研究某几个氨基酸残基之间的相互作用,以及对蛋白质折叠的
意义。总之,目前的生物学研究需要我们利用计算机模拟生物大分子的行为,以弥补实验
手段的限制,希望能自下而上地阐明生物大分子结构和功能的关系。
最后,从实际意义上讲,分子动力学模拟可以用来指导实验,提供思路和理论依据
分子动力学模拟所得结果的正确性也需要回到实验验证。这样,我们可以将分子动力学模
拟和实验研究结合成一个整体,从而能够全面地,深入地研究生命现象的本质规律。
分子动力学模拟的发展
$暂缺相关文献
分子动力学模拟的基本原理
$暂缺相关文献
分子动力学模拟相关软件
随着分子动力学模拟技术的飞速发展,逐步形成了一些商品化的软件。应用于生物大
分子领域的商品化分子模拟软件主要有 %#&'( 以及 "",分子模拟是其中的一个重要
的模块。%#&'( 中分子动力学模块使用的是由美国哈佛大学 !)!*# 研究小组
等开发的 +,-(+'#!",!.!/ ! ! ' #),同时它
本 身 也 是 一 个 商 品 化 的 软 件 。 而 -! ( -###///&'0!&"
1)则是另一个非常有名分子动力学模拟软件,它是由美国 + 的 )
教授的课题组开发的,商业化程度和易用性要好于 +,-,当前版本 23。以上两个研
究小组都为其软件开发了相应的力场,并且现在已经成为分子动力学模拟的经典力场。此
外免费和部分免费的软件有 4-,5!#,5! #,67869,:;! 等。
在上述软件中,我们选择 4- 作为本章的示范软件。4- 是由美国伊利诺斯大
学理论与计算生物物理研究组开发的一套分子动力学模拟软件,适用于计算生物大分子,
并行计算效率非常高,可以使用 -!,+,-,<68,58-+,86 等
多种力场,而且可以兼容 -!,+,- 的文件格式。4- 支持几乎所有操作系统,
而且免费获取,开放源代码。如配合分子可视化、结果分析软件 = 以及格点计算软件
+0 则可使用更多、更强大的功能,进行更大规模的计算,可以说集众多优势于一身。
不 仅 如 此 , 利 用 4- 还 可 以 进 行 极 具 特 色 的 % ( %! . !
" #,交互式分子动力学模拟)和 (!/ !" #,可控
式分子动力学模拟)。在本教程中,我们将首先讲解使用 4- 进行分子动力学模拟的基
本流程,然后讲解经典的结果分析方法,最后我们将简单介绍 的基本思想和过程。
4- 分子动力学入门
软件基本设置
4- 的最新版本是 版,可以从 '*>??;# /?#! '?/?
免费得到(需要进行免费注册)。此外,我们还需要 = 作为分子可视化和辅助分析软
件,可以从 '*>??;# /?#! '?./?免费得到,最新版本是 =@
。
4- 安装方法:事实上 4- 是不需要安装的。请新建文件夹 /!A
在该目录中新建文件夹 4-,下载完成 4- 软件包后,将压缩文件解压到文件夹
4- 中,就可以使用。 下文中为了叙述方便,我们将默认读者的 4- 主程序位
于?/!?4-目录中(安装 = 程序时可以安装到任意目录,不影响教程
操作)。
该文件夹中有我们进行动力学模拟所需的所有文件。
最后,还需要交代的是,4- 不同于我们所熟悉的大多数 B/# 软件:它不
具有图形界面。打个比方说,我们平常使用 B!/,0 ,'#'* 等有图形界面的
软件,好像是面对面聊天;而现在使用不具有图形界面的 4- 就像是书信往来:动力学
模拟的所有参数设定都需要用户通过一个文本文件通知 4-,4- 进行处理计算,然
后再通过许多输出文件输出结果。不借助其他软件,用户无法直接看到 4- 的工作状态。
由于进行动力学模拟的准备和结果的可视化分析,必不可少的软件是 =,下面的
讲解中也将大量用到 =。我们假定读者已经对 = 的基本操作有一定的了解。=
的入门教程可参见本章附录。
下面,我们将使用 NAMD 进行简单的分子动力学模拟,并进行初步的分析。我们将
要进行动力学模拟的分子是一个 76 个氨基酸的小肽:泛素。
知识连接:泛素——“死亡之吻”
泛素是一个由 76 个氨基酸组成的高度保守的多肽链, 因其广泛分布于各类细胞而
得名。泛素共价地结合于底物蛋白质的赖氨酸残基,被泛素标记的蛋白质将被特异性
地识别,并在蛋白酶体中迅速降解。泛素因此得名——“死亡之吻”。因为被其标记的
蛋白都摆脱不了被降解的厄运。
随着研究的进一步深入,蛋白质降解过程中泛素的枢纽作用越来越得到重视。蛋
白质降解异常与许多疾病(恶性肿瘤,神经退行性疾患等)的发生密切相关。而泛素在
蛋白质降解中的作用机制如能被阐明,将对解释多种疾病的发生机制和有重要意义。
Hershko、Ciechanover、Rose 三名杰出科学家在泛素标记的蛋白质降解方面做出
了突出贡献,他们荣获 2004 年度诺贝尔化学奖。
使用 4- 进行分子动力学模拟之前,我们需要为 4- 准备好各种必须的数据文
件,以供 4- 使用。这些文件包括:
蛋白质分子的 PDB 文件。该文件负责储存蛋白质中所有原子的坐标。在后续课程
中我们还会了解到, 文件还可以储存原子运动的速度等信息。
蛋白质分子的 PSF 文件。该文件负责储存蛋白质的结构信息。注意 文件只
记录原子的空间位置,并不储存蛋白质中原子之间的成键情况。成键情况由
文件负责记录。
力场参数文件(force eld le)。力场参数文件是分子动力学模拟的核心,文件
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资源评论
- woshixiaomage2012-09-04很好的资源,谢谢楼主分享
loisirs7712
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