Gromacs教程1-水

原文：James (Wes) Barnett
翻译：谷歌/康文渊-湖南大学

在本入门教程中，我将向您展示如何创建一个盒子的水，并在恒定的温度和压力下对其进行简单模拟。 最后我们会找出水的密度。

设置

每个GROMACS模拟需要三个基本文件：结构（.gro / .pdb），拓扑（.top）和参数（.mdp）。 结构文件包含系统中每个原子位点的笛卡尔坐标。 该拓扑文件包含有关每个原子位点与其他原子位点进行联系的信息，无论该位点是处于非键联系还是键联系。 这个信息由力场提供。 非键相互作用包括范德华相互作用和库仑相互作用。 键相互作用包括键长，角度和二面角。 参数文件包括运行模拟的时间，时间步长，温度和压力耦合等信息。下面我们将获取/创建这些文件。

在这一点上，我会建议创建一个目录来存储本教程的文件。

拓扑文件

我们将从拓扑文件开始。 通常，拓扑文件使用#include语句来包含要使用的力场。 这个力场包括[atomtypes]，[bondtypes]，[angletypes]和[dihedraltypes]指令。 然后在拓扑文件中通常我们指定包含[atoms]，[bond]和[dihedrals]的不同[moleculetype]指令，这些指令指向力场。 现在不要担心这个太多。 对我们来说水模型包括上述说的所有这些。有关更多信息，请参阅参考手册的第5章。

用以下文本创建一个名为topol.top的文件：

#include "oplsaa.ff/forcefield.itp"
#include "oplsaa.ff/tip4pew.itp"

[ System ]
TIP4PEW

[ Molecules ] 

正如你所看到的，我们已经包含了OPLS-AA的力场。 另外我们还包括了TIP4PEW水模型。 之后你会看到一个[System]指令，其中只包括系统的名称，可以是任何你想要的。 最后，我们列出每种分子类型以及[Molecules]下的分子类型。 现在我们没有（不过马上我们将要得到这些）。

结构文件

TIP4PEW的结构已由GROMACS在拓扑目录中提供。 这个标准位置通常是/usr/share/gromacs/top，但是我已经将它安装在不同的目录中。 如果您正确采购GMXRC，那么它将位于$GMXDATA/top。 在该目录中，您会看到几个.gro文件，其中之一是tip4p.gro。您还会看到上面我们的拓扑文件中包含的文件夹oplsaa.ff。没有特别的TIP4PEW结构文件。TIP4P和TIP4PEW的四点水结构基本相同。 他们仅是力场参数不同。

要使用该结构文件创建一盒水，请执行以下操作：

$ gmx solvate -cs tip4p -o conf.gro -box 2.3 2.3 2.3 -p topol.top

如果你打开topol.top文件，你会看到最后添加了一行SOL和number。SOL是在oplsaa.ff/tip4pew.itp中定义的moleculetype的名称。 当我们运行gmx solvate时，GROMACS在每个方向2.3 nm的盒子中添加了足够的水分子。

参数文件

现在我们需要一组参数文件，以便GROMACS知道如何处理我们的起始结构。 模拟几乎总是有三个主要部分：最小化，平衡和生产。 最小化和平衡可以分解为多个步骤。 这些都需要它自己的参数文件。 在这种情况下，我们将进行两次最小化，两次平衡和一次生产运行。

我们将要使用的文件可以从这里下载。

我们所有五个文件都有一些共同点。 在每个描述中，我只给出一个非常小的注释。有关每个选项的更多信息，请参阅GROMACS页面。

参数	值	解释
cutoff-scheme	Verlet	用于创建邻近列表。 这是现在的默认设置，但我们在这里提供它以避免任何注释。
coulombtype	PME	使用 Particle-Mesh Ewald for long-range (k-space) 点荷联系.
rcoulomb	1.0	Cut-off for real/k-space for PME (nm).
vdwtype	Cut-off	van der Walls forces cut-off at rvdw
rvdw	1.0	Cut-off for VDW (nm).
DispCorr	EnerPress	VDW对能量和压力的长程校正。

应该设置截断距离，同时要记住力场是如何参数化的。换句话说，看看描述力场如何创造的期刊文章是一个好主意。我们在这里选择了1.0纳米作为截止点，这对于OPLS来说已经足够普遍了，但是您可以确定系统选择其他方法。

此外，在每个部分中，我们还将输出能量文件，日志文件和压缩轨迹文件。输出的速率（在模拟步骤中）分别使用nstenergy，nstlog和nstxout-compressed进行设置。我们将在生产运行中输出更多信息。

对于每个部分，除了第二次最小化之外，我们还将通过设置constraint-algorithm = lincs和constraints = h-bonds，使用LINCS算法约束所有涉及氢的键。这使我们能够使用比其他更大的时间步骤。

对于第一次最小化，我们使用最陡峭下降算法，通过设置integrator = steep来最小化系统能量，最大步长为1000步（nsteps = 1000）。如果在此之前能量收敛，则最小化将停止。另外我们进行define = -DFLEXIBLE。这让GROMACS知道使用灵活的水，因为默认情况下所有的水模型都是使用SETTLE算法为刚性模型。在我们拥有的水模型的拓扑文件中，有一个if语句查找要定义的FLEXIBLE变量。第一次最小化的目的是使分子处于良好的起始位置，这样我们就可以无任何错误地打开SETTLE。

在第二个最小化中，我们只需删除define = -DFLEXIBLE并将最大步数增加到50,000。

最后三部分-两个平衡和生产-都使用integrator = md。此外，通过设置dt=0.002来使用2fs时间步长。

参数	值	解释
gen-vel	yes	根据Maxwell-Boltzmann分布为每个原子位点生成速度。只为您的第一个平衡步骤生成速度。这使我们接近我们将耦合系统的温度。
gen-temp	298.15	K中的温度用于gen-vel。 除非你正在做一些奇怪的/有趣的事情，否则这应该与ref-t相同。
tcoupl	Nose-Hoover	用于温度耦合的算法。 Nose-Hoover 为经典温度耦合算法。
tc-grps	System	要结合哪些组。 你可以将不同的原子组分开，但我们只需要耦合整个系统。
tau-t	2.0	耦合的时间常数。 详情请参阅手册。
ref-t	298.15	以K为单位的温度。
nhchainlength	1	Leap-frog integrator 只支持1，但默认情况下这是10。这是设置，所以GROMACS不会发出警告。

对于第一个平衡步骤，有几点需要注意。我们正在添加如下所示的几个参数：

参数	值	解释
gen-vel	yes	根据Maxwell-Boltzmann分布为每个原子位点生成速度。只为您的第一个平衡步骤生成速度。这使我们接近我们将耦合系统的温度。
gen-temp	298.15	K中的温度用于gen-vel。 除非你正在做一些奇怪的/有趣的事情，否则这应该与ref-t相同。
tcoupl	Nose-Hoover	用于温度耦合的算法。 Nose-Hoover 为经典温度耦合算法。
tc-grps	System	要结合哪些组。 你可以将不同的原子组分开，但我们只需要耦合整个系统。
tau-t	2.0	耦合的时间常数。 详情请参阅手册。
ref-t	298.15	以K为单位的温度。
nhchainlength	1	Leap-frog integrator 只支持1，但默认情况下这是10。这是设置，所以GROMACS不会发出警告。

第一次平衡的关键是在加压耦合之前让我们达到正确的温度（298.15 K）。 同时添加温度和压力耦合可能会导致系统不稳定并发生崩溃。 我们不想在一开始就震惊我们的系统。 另外，我们设置了nsteps = 50000，所以以2fs的时间步长，这意味着它将运行100ps。 这对我们在这里所做的工作是足够的，但是在更大/更复杂的系统中，您可能需要更长时间的平衡。

参数	值	解释
pcoupl	Parrinello-Rahman	用于压力耦合的算法。 Parrinello-Rahman在与Nose-Hoover一起使用时正确地产生了等压等温线。
tau-p	2.0	耦合的时间常数。 详情请参阅手册。
ref-p	1.0	压力耦合常数
compressibility	4.46e-5	系统压缩系数

第二个平衡增加了压力耦合。 请注意，我们并没有再次产生速度，因为那样会取消我们刚刚做的一些工作。 我们还为约束设置了continuation = yes，因为我们从第一次平衡开始继续进行模拟。 这部分将运行1ns。 同样，对于其他系统，这可能需要更长一些。

参数	值	解释
pcoupl	Parrinello-Rahman	用于压力耦合的算法。 Parrinello-Rahman在与Nose-Hoover一起使用时正确地产生了等压等温线。
tau-p	2.0	耦合的时间常数。 详情请参阅手册。
ref-p	1.0	压力耦合常数
compressibility	4.46e-5	系统压缩系数

对于生产运行，除了输出更多数据并运行10 ns外，所有内容与上次平衡完全相同。

模拟

我们现在有了我们需要的所有文件来运行模拟的每个部分。 每个部分通常运行gmx grompp，以将我们现在具有的三个文件（.gro，.top和.mdp）预处理为.tpr文件（有时也称为拓扑文件）。

最小化

首先，通过执行以下操作来执行我们的两个最小化步骤：

$ gmx grompp -f mdp/min.mdp -o min -pp min -po min
$ gmx mdrun -deffnm min

$ gmx grompp -f mdp/min2.mdp -o min2 -pp min2 -po min2 -c min -t min
$ gmx mdrun -deffnm min2

在每个部分，我们都使用-f标志在.mdp文件中读取。默认情况下，如果未指定-c和-p标志，GROMACS将使用conf.gro和topol.top作为结构和拓扑文件。此外，我们正在输出处理后的拓扑文件-pp和mdp文件-po。这些是可选的，但可能值得一看，尤其是处理过的mdp文件，因为它已被评论。

在接下来的每一步中，我们使用-c和-t标志读入前一步的最后一个结构文件或检查点文件。默认情况下，GROMACS每15分钟和最后一步输出检查点文件。如果检查点文件不存在，GROMACS将使用由-c定义的结构文件，因此指定两者都是一种很好的做法。在每个gmx mdrun中，我们都告诉GROMACS为每个输入和输出文件使用默认名称，因为会输出多个文件。

注意我们使用-maxwarn 1来进行第二次最小化。只有使用这个标志，如果你知道你在做什么！在这种情况下，我们会收到关于我们可以安全绕过的L-BFGS效率的警告。

为了了解发生了什么，让我们使用GROMACS命令gmx energy来提取这两个部分的势能。执行以下操作并输入与Potential对应的数字，然后再次输入：

$ gmx energy -f min.edr -o min-energy.xvg

相似的行为进行第二次能量最小化的阅读

$ gmx energy -f min2.edr -o min2-energy.xvg

结果.xvg的标题。 文件将包含供Grace绘图程序使用的信息。 我使用gnuplot，所以这些行中的一些会导致错误。 我用.xvg中的＃替换每个@字符。然后我可以使用gnuplot。首先启动gnuplot进行绘图：

$ gnuplot

在gnuplot终端输入如下命令:

> plot 'min-energy.xvg' w l

第二次如下:

> plot 'min2-energy.xvg' w l

第一次的结果类似如下:

image

第二次结果没有改变，所以未在此绘出

Equilibration 1 (NVT)

现在我们有了一个好的起始结构，让我们通过添加温度耦合来完成第一个平衡步骤：

$ gmx grompp -f mdp/eql.mdp -o eql -pp eql -po eql -c min2 -t min2
$ gmx mdrun -deffnm eql

我们来看看整个模拟过程中温度如何变化：

$ gmx energy -f eql.edr -o eql-temp.xvg 

在提示符下选择与温度相对应的数字，然后再次输入。 像上面那样在gnuplot中绘制它。 你应该看到像这样的东西：

image

请注意，温度最初会波动很大，但最终会稳定下来。

Equilibration 2 (NPT)

如前所述，对于我们上次的平衡，我们添加了一个压力耦合：

$ gmx grompp -f mdp/eql2.mdp -o eql2 -pp eql2 -po eql2 -c eql -t eql
$ gmx mdrun -deffnm eql2

您可以使用上述gmx energy检查温度和压力。绘图类似如下：
[站外图片上传中...(image-82c27-1524468467844)]
请注意，压力波动很大，这是正常的。 在这种情况下，完全平衡后的平均值应接近1 bar。

正式模拟

正式模拟部分如下:

$ gmx grompp -f mdp/prd.mdp -o prd -pp prd -po prd -c eql2 -t eql2
$ gmx mdrun -deffnm prd

分析

在prd.edr上使用上面的gmx energy，得到平均温度，压力和密度。 他们是你期望的吗？

这是我的输出：

Energy                      Average   Err.Est.       RMSD  Tot-Drift
-------------------------------------------------------------------------------
Temperature                 298.145      0.019    8.65629  0.0338992  (K)
Pressure                    3.25876       0.97    688.616   -2.75083  (bar)
Density                     995.381       0.15      12.92  0.0705576  (kg/m^3)

如果你看图4中的TIP4PEW论文，你可以看到我们已经达到了正确的密度。 另外请注意，Wolfram Alpha表示标准条件下的水密度为997 kg /立方米。

你也可以使用像vmd这样的程序来模拟你的模拟。 用vmd打开正式模拟的轨迹：

$ vmd prd.gro prd.xtc

快照如下:

image

进行周期性处理

image

总结

在本教程中，我们使用gmx solvate物产生一盒TIP4PEW水。 我们在五个不同的部分对它进行了模拟：最小化1，最小化2，平衡1，平衡2和生产。 每个部分都使用自己的.mdp文件进行了解释。 在每个部分，我们使用gmx energy来提取有关模拟的有用信息。 生产运行后，我们能够找到TIP4PEW水的密度。

问题

如果教程中存在错误或错误，或者如果有什么不清楚的地方，请打开一个问题，我很乐意解决它。 如果您有关于GROMACS的一般问题，请参阅GROMACS文档。 您还可以将关于GROMACS的一般问题通过查阅邮件列表来解决。

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