GROMACS QM/MM教程4:使用连接原子

类别:    标签: gmx   阅读次数:   版权: (CC) BY-NC-SA

链接提供了一个很好的QM/MM教程, 但它有点复杂, 而且缺少一些细节以致初学者很难重复整个教程. 因此, 我们利用一个简单的体系来帮助初学者一步一步地进行一个QM/MM模拟.

前提条件

在开始此教程之前, 我们假定:

建立真空环境下的模拟系统

1. 创建gro和top文件

首先, 建立一个新目录, 并将peptide.pdb保存在此目录下.

运行命令:

gmx pdb2gmx -f peptide.pdb -p peptide -o peptide -ter

这样我们获得了三个文件: 结构文件peptide.gro, 拓扑文件peptide.top和位置限制文件porse.itp.

2. 添加连接(link)原子

这里我们不解释为什么要在QM/MM模拟中引入连接原子, 你自己可以很容易找到答案.

在进行QM/MM模拟之前, 我们需要修改peptide.gropeptide.top文件, 指定哪些原子应包含在QM区域内, 并在mdp文件中指定QM/MM选项.

下面的图片展示了我们如何把整个体系分为QM部分和MM部分.

修改peptide.gropeptide.top文件

如上图所示, 我们向peptide分子中添加了两个连接原子(LA), 因此体系的原子数应该从26变为28. 我们应该把这两个原子的坐标添加到结构文件peptide.gro中.

但如何确定连接原子的坐标呢? 残基GLY2的CA原子和C原子(9号和12号, 原子名称来自peptide.gro)之间的连接原子应位于这两个原子之间, 它和C原子之间的键长应正比于CA原子和C原子之间的键长. 由于C-C键长为0.153 nm, C-H键长为0.108 nm, 其比例为0.108/0.153=0.706(也可参考此链接的adding link atoms部分). 根据peptide.gro中CA原子和C原子的坐标, 可以很容易地获得连接原子的坐标. 因此, 我们在结构文件的最底端增加下列内容:

5GLY LA 27 1.458 1.579 1.544
6GLY LA 28 1.832 1.579 1.695

【李继存 注】实际这里是将LA原子视为氢原子的, 只不过它距所连碳原子的的距离并不是固定值0.108 nm, 而是根据原结构中的C-C距离来确定, 计算方法为C-C距离乘以0.706. 增加连接原子后结构如下

保存修改过的结构文件为qmmm.gro. 连接组的名称并不重要, 你可以用其他名字来替代5GLY6GLY.

修改了分子的结构文件后, 还应修改拓扑文件. 首先, 我们在拓扑文件atoms部分的后面增加下列内容:

27 opls_997 5 GLY LA 9 0.00 0.000
28 opls_997 5 GLY LA 9 0.00 0.000

opls_997是连接原子的原子类型, 我们可以自己在ffoplsaanb.itp文件(OPLS力场文件之一)中进行定义, 只要在ffoplsaanb.itp文件中增加下面的内容即可:

opls_997 LA 1 0.00000 0.000 A 0.00000e+00 0.00000e+00

你可以下载修改后的ffoplsaanb.itp文件. 我们还应在ffoplsaa.atp文件中添加下面内容:

opls_997 0.0 ; LA atoms in QMMM

你可以下载修改后的ffoplsaa.atp文件. 其他相关的OPLS力场文件为ffoplsaabon.itpffoplsaa.itp, 这些文件没有经过修改. 所有上述OPLS力场文件应该保存在当前文件夹下.

其他的修改如下:

[ dummies2 ]
27 12  9 1 0.706
28 16 19 1 0.706
[ constraints ]
9  12 2 0.153
16 19 2 0.153

详细介绍可以参考此链接. 将修改过的拓扑文件另存为qmmm.top.

指定哪些原子应包含在QM区域内

输入命令: gmx make_ndx -f qmmm.gro, 然后输入q保存.

这样, 我们利用make_ndx工具为qmmm.gro生成了一个新的索引文件index.ndx, 在其中增加如下内容:

[MMatoms]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 19 20 21
22 23 24 25 26
[QMatoms]
12 13 14 15 16 17 18 27 28

QM区域中的原子处于QMatoms组中, MM区域中的原子处于MMatoms组中. 你可以下载修改后的索引文件index.ndx.

在mdp文件中指定QM/MM选项

为运行QM/MM模拟, 我们需要指定下面的QM/MM选项如下:

QMMM       = yes
QMMM-grps  = QMatoms
QMmethod   = B3LYP
QMbasis    = 6-31G*
QMMMscheme = normal
QMcharge   = 0
QMmult     = 1

QM/MM选项中的参数取决于你的体系. 你可以下载此教程使用的mdp文件qmmm.mdp.

3. 生成tpr文件

到目前为止, 我们已经准备好了生成tpr文件所需的所有文件.

输入命令:

gmx grompp -f qmmm.mdp -p qmmm.top -n index.ndx -c qmmm.gro -o peptide.tpr

就得到了peptide.tpr. 使用这个tpr文件, 我们就可以开始运行QM/MM模拟了. 由于默认力场不完整, 运行后会出现两个警告. 由于此教程仅为了示例如何运行一个QM/MM模拟, 所以我们可以忽略它们. 然而, 要进行一个有意义的模拟, 你需要学习更多分子模拟的知识, 这超出了此教程的范围.

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