GROMACS 学习总结

GROMACS 简单运行过程及常用命令

1. 系统预处理

gmx grompp -f prod.mdp -c eq.gro -p mix.top -o prod.tpr -maxwarn 2
  • grompp 是预处理命令，用于将分子动力学参数文件（.mdp）、初始结构文件（.gro）和拓扑文件（.top）整合成一个可供运行的输入文件（.tpr）。
    • -f prod.mdp 指定参数文件，其中包含模拟的具体参数（如积分步长、温度等）。
    • -c eq.gro 指定输入的结构文件（如已经平衡好的系统结构）。
    • -p mix.top 指定系统的拓扑文件。
    • -o prod.tpr 指定输出文件 .tpr，包含模拟所需的所有参数。
    • -maxwarn 2 表示允许忽略最多 2 个警告（谨慎使用，确保忽略的警告不会影响模拟结果的准确性）。

2. 运行分子动力学模拟

gmx mdrun -deffnm prod -v -nt 5
  • mdrun 是用于运行模拟的命令。
    • -deffnm prod 指定默认文件名，GROMACS 将自动根据此名称输出 prod.log、prod.trr（轨迹文件）、prod.edr（能量文件）等。
    • -v 表示输出详细信息，显示模拟的实时进度。
    • -nt 5 指定使用的线程数，可根据系统配置调整线程数以提高运行效率。

3. 提取能量信息

gmx energy -f final.edr
  • energy 命令用于从 .edr 文件中提取能量信息。
    • -f prod.edr 指定能量文件。
    • 在运行此命令后，会出现一个交互式菜单，可选择提取的能量项（如总能量、温度、压力等）。

常用命令及其意义

1. 能量最小化

gmx grompp -f em.mdp -c input.gro -p topol.top -o em.tpr
gmx mdrun -deffnm em
  • 通过 grompp 和 mdrun 命令运行能量最小化过程，以去除不良的初始结构或原子重叠。

2. 平衡阶段

gmx grompp -f nvt.mdp -c em.gro -p topol.top -o nvt.tpr
gmx mdrun -deffnm nvt
  • 进行等体积等温（NVT）平衡，通过预先设定的温度稳定系统。
gmx grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -p topol.top -o npt.tpr
gmx mdrun -deffnm npt
  • 进行等压等温（NPT）平衡，进一步稳定系统的压力和密度。

RDF 计算

  • 计算径向分布函数（RDF）前，可以先创建一个组列表，然后再进行 RDF 分析。
gmx make_ndx -f example.gro
  • 会出现交互性界面，可以创建自己想要的组。
gmx rdf -f example.xtc -n index.ndx
  • 在交互性界面中选择中心和密度。如果不进行设置，计算会非常慢。

密度分布

  • 使用以下 GROMACS 命令进行密度分布分析：
gmx density -f prod.xtc -s prod.tpr -dens number -ng 2 -symm -sl 200
  • 选择系统分组：例如，可以选择不同类型的离子、分子或溶剂分子等。
  • 可视化：使用 xmgrace -nxy density.xvg 进行绘图。

命令参数说明：

  • -dens：设置密度类型，选项包括：
    • mass：质量密度
    • number：数密度
    • charge：电荷密度
    • electron：电子密度
  • -ng [number]：设置要考虑的分组数（默认值为 1）。
  • -symm：沿中心轴对分组进行对称反射。
  • -d：沿哪个轴计算密度（例如 z 表示 Z 轴；默认值为 z）。
  • -sl [number]：设置切片数量（默认值为 50）。

溶剂可及表面积

  • 溶剂可及表面积 (SASA) 是某种溶质周围可以触及的溶剂的表面积。
gmx sasa -f final.xtc -s final.tpr

冻结部分原子

  • 冻结部分原子使用 freeze 方法，是将其冻结在最初的坐标位置，不允许其移动。在 .mdp 文件中定义：
    • freezegrps = group 冻结某组。
    • freezedim = Y Y Y 冻结 3 个方向。

轨迹分析

1. 距离计算

  • 使用 gmx distance 命令计算两个原子或分子之间的距离。
gmx distance -f traj.xtc -s topol.tpr -select 'com of group "A" plus com of group "B"'
  • -select 选项用于定义要计算的距离。

2. 角度计算

  • 使用 gmx angle 命令计算角度。
gmx angle -f traj.xtc -n angle.ndx -type dihedral
  • -type 选项可选择计算二面角或一般角度。

可视化工具

  • 使用 VMD 或 PyMOL 可视化模拟结果：
    • VMD 可以用来观察轨迹文件（.xtc 或 .trr），并分析系统中的分子运动。
    • PyMOL 常用于静态结构的展示和编辑。

多时间步长 (MTS) 在 GROMACS 中的应用

GROMACS 2021 版本开始支持多时间步长（Multiple Time-Stepping, MTS）功能。该功能允许对不同类型的相互作用力进行不同频率的计算，从而减少计算量并提高效率。例如，键内作用力可以每步进行计算，而较远的非键作用力则可以每隔几步计算一次。这种方式可以显著减少计算时间，但需要谨慎使用，以确保计算精度。

实现方法：

  • mts = yes
  • mts-levels = 2（目前只能设置为 2）
  • mts-level2-forces = nonbonded longrange-nonbonded（定义哪些相互作用归为 level 2 组）
  • mts-level2-factor = 2（level 2 每两步计算一次）

MTS 功能适用于计算中对精度要求不高的部分，但由于该功能尚不够成熟，仍需谨慎使用。

以下是使用GROMACS (GMX) 进行氢键分析的指导，以Markdown格式呈现：

GROMACS氢键分析指南

计划

  1. 准备输入文件
  2. 运行氢键分析
  3. 分析结果

具体步骤

1. 准备输入文件

确保您有以下文件：

  • 拓扑文件 (.tpr)
  • 轨迹文件 (.xtc 或 .trr)

2. 运行氢键分析

gmx hbond -f trajectory.xtc -s topol.tpr -num hbnum.xvg

参数说明：

  • -f: 指定轨迹文件
  • -s: 指定拓扑文件
  • -num: 输出氢键数量随时间变化的文件

可选参数：

  • -sel: 选择特定的原子组进行分析
  • -dist: 设置氢键距离标准（默认0.35 nm）
  • -ang: 设置氢键角度标准（默认30度）

3. 分析结果

  1. 查看氢键数量随时间的变化：

    xmgrace hbnum.xvg

  2. 计算平均氢键数：

    gmx analyze -f hbnum.xvg

  3. 生成氢键存在概率图：

    gmx hbond -f trajectory.xtc -s topol.tpr -hbn hbond.ndx -hbm hbmap.xpm

  4. 将XPM文件转换为可视化格式：

    gmx xpm2ps -f hbmap.xpm -o hbmap.eps

注意事项

  • 确保选择正确的原子组进行分析
  • 考虑使用-nthreads参数进行并行计算以提高效率
  • 对于大型系统，可能需要调整-dt参数以减少计算量

通过以上步骤，您可以全面分析系统中的氢键情况，包括数量、强度和持续时间等特征。

值得注意的事项

  • 使用 AUTOFF 工具生成力场文件后，同时生成多个组分的体系时，top 文件的引用应该先将所有的 _ATP.itp 部分都引用，然后再引用 .itp 文件，否则会报错，原因是需要一次性将所有的 [atomstype] 先进行展示。