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[分享] CADD之分子动力学的简介(下篇)

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发表于 2022-11-17 11:28 | 显示全部楼层 |阅读模式

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分享|CADD之分子动力学的简介(下篇)在上篇中,我们了解了分子动力学的基础和基本原理,接下来我们来看一下MD模拟是如何保证准确性的,以及它的主要流程。

MD的准确性如何?

通常一种理论方法的出现,会伴随各种声音的出现,MD模拟也毫无例外,有支持派,当然也有质疑其准确性的。那它对分子结构和原子间相互作用描述的到底准确吗?

在上篇当中提到的范德华相互作用,其是通过LJ势进行描述的,该势中除了有与位置坐标相关的r之外,LJ势中还含有两个参数:σ和ε。以AMBER99SB力场为例,在该力场下脂肪族中的C和羰基中的C,这两个参数的值会不同。当然在不同的力场下,同种原子的这些参数也会有差别。那么这类参数是如何得到的呢?这些参数是拟合自实验数据或量子化学的结果,是通过选定初始参数,做分子模拟,然后看模拟结果和实验值的差别,重新调整参数,继续模拟,直到达到收敛标准。这一过程属于经验描述,都是为了和实验数据相符合,这也就是为什么会出现四点水模型和五点水模型的原因。而且各种力场也会根据新的实验数据去做参数优化,使其更加准确。现如今已发展了很多分子力场,比如生物模拟常用的AMBER, CHARMM, OPLS, GROMOS,材料领域常用的CFF, MMFF, COMPASS等等。

图1是与MD模拟相关的文献发表量(从1977-2017年),并且这些文章发表在顶级期刊。这表明MD模拟在近年来已经变得越来越常见,也逐渐受到了认可。


图1 与MD模拟相关的文献量

MD如何应用?

应用软件
随着计算机性能的发展,能执行MD模拟的软件也逐渐增多。现如今比较主流的MD模拟软件(见表 1),如AMBER,GROMACS,CHARMM等。当然也有一些其他可以进行MD模拟的计算软件,但由于只是该软件的一个模块,计算十分耗时,并不推荐。

表 1 几款常用的MD模拟软件

对于初学者而言,GROMACS是相对来说较为友好的软件。这款软件是开源的,也支持GPU加速,安装简单,很容易上手。鉴于GROMACS官网上已经有很多分子动力学相关教程(包括蛋白、蛋白-小分子、蛋白-磷脂分子层、虚拟位点等),我们这里就不重复介绍已有的蛋白模拟教程,小伙伴们可以在文末找到教程网址,自行操作。

主要过程
无论是哪一种软件,它们的步骤都是相类似的,大致包含以下过程(图2):

图2 主要过程

初始化
初始化是分子动力学里重要的一步,它会读取模型的参数,模拟控制参数。如增加非重原子的缺失;确定溶剂;确定周期性边界条件盒子;确定力场等。(选择恰当的力场是保证体系结果合理的前提,因此力场选择需谨慎!)

能量优化
通常有些结构模型会存在原子重叠(图3),键长和键角的严重扭曲等一些不合理的状态,若以这种状态直接进行分子动力学模拟,得到的数据也是不准确的。为了解决这一类问题,通常会对模拟体系进行能量优化,优化其模型结构。一般会优化几千到几万步。

图3 原子重叠

平衡
平衡分子动力学模拟,总是在一定的系综下进行的,系综大致可分为以下几类:

(系综:代表一定条件下,一个体系的大量可能状态的集合)

微正则系统
系统原子数N,体积V,能量E保持不变。又称为 NVE系综。微正则系综里的每个体系具有同等的能量。

正则系统
系统原子数N,体积V,温度T保持不变,且总动量保持不变。又称为NVT系综。该系综里的各体系可以和其他体系进行交换能量。

等温等压系统
系统原子数N,压强P,温度T保持不变,又称为NPT系综。在等温等压系综下,各体系可以和其他体系交换能量和体积,但系综内各个体系有相同的温度和压强。

等压等焓系统
系统原子数N,压强P,焓值H=E+PV保持不变。在模拟中较少见。

这一步是为了保证体系的稳定,否则在执行后面的操作时,体系会发生崩溃。

数据产出
前几个步骤都是准备工作,为的就是最后的数据产出这一步。数据产出的这一过程就是之前提到的基本原理中力场和势能的应用,要在整个系统平衡后进行。该过程可记录下体系中粒子随时间的变化的坐标、速度和能量。为了可观测到研究体系的性质,并保证此过程具有可重复性,模拟的时间(步长)一定要够久。

当完成以上步骤后,就可以对体系的轨迹进行分析处理,观察体系具有什么现象或性质。

总结

随着算力不断地提升,计算小体系下的毫秒级别和百万原子体系已经可以实现。而且MD模拟也衍生出来更多分支,如增强采样的RMED;适用于大分子体系的粗粒化模拟;提升计算速度的DMD等。MD模拟的参数是由经验参数组成的;模拟可以提供详细的构象分布和时间序列,是对实验的一种补充。所以说这是实验支撑理论,理论补充实验的一个过程。当然经验势函数也是有局限性的,针对不同体系的准确性会有差异。为了提升势函数的精确性及计算效率性,研究人员也在不断改进完善算法。

希望该文能让初学者对分子动力学模拟有初步的了解,欢迎大家一起讨论CADD的相关内容!

GROMACS教程网址  http://www.mdtutorials.com/gmx/

参考文献

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