蛋白质配体复合物-分子动力学模拟Gromacs

前言

本人菜鸟，记录一下自己学习使用Gromacs的过程。

蛋白质配体复合物模拟一般过程：

获取蛋白质结构文件、分子对接后的配体结构文件 → 准备蛋白质拓扑  →  选择力场  →  小分子拓扑 → 复合物拓扑 → 添加盒子、溶剂 → 添加离子 → 能量最小化 → NVT、NPT平衡 → 开始模拟 → 分析结果

软件：gromacs2021

---

目录

1.准备蛋白质结构文件、分子对接后的配体结构文件

2.准备拓扑、选择力场

3.小分子拓扑

4.创建复合物拓扑

5.添加盒子、溶剂

6.添加离子

7.能量最小化

8.NVT、NPT平衡

9.开始模拟

10.分析结果

---

开始

1.准备蛋白质结构文件、分子对接后的配体结构文件

首先得到分子对接后的蛋白质结构文件与配体结构文件（通常得分最高的或你选择的构象）

2.准备蛋白质拓扑、选择力场

在服务器上输入如下命令

gmx pdb2gmx -f CBHI.pdb -o CBHI_processed.gro -water spc

gmx会提示选择一个力场，输入6，选择Amber99sb-ildn力场

注：如果出现如下报错

说明pdb文件中对氢原子的命名与力场rtp文件中命名规则与顺序不同。解决方法：①如果需要保留初始氢原子，需要找到该力场的rtp文件查看文件中的命名规则对氢原子重命名。②在上面的命令行中末尾加上 -ignh 命令，用此选项忽略文件中的氢原子, 统一使用氢原子命名规则, 以免出现氢原子名称不一致的情况。

选择完力场得到三个文件.gro, topol.top和.itp

 

3.手动小分子拓扑

由于力场无法自动处理配体，我们需要第三方的方法获得配体的力场参数，下面使用两种方法。

3a

使用ACPYPE在线版处理配体，进入网站Bio2Byte home page

 提交之后

 3b

使用ACPYPE离线版处理配体

使用AmberTools中的antechamber模块可以快速地生成所需要的配体分子原子电荷以及定义原子类型，通过以下命令可调用antechamber：

antechamber -i Ligand_Rank1.pdb -fi pdb -o PNPC.mol2 -fo mol2 -c bcc -nc 0 -rn PNP -at gaff2

得到PNPC.mol2

注：

-at gaff2：指定使用GAFF2力场；
-c bcc：使用AM1-BCC2方法计算原子电荷；
-nc 0：指的是分子的净电荷为0；
-rn PNP：指定小分子的残基名为“PNP”；
-fo mol2：输出的mol2文件中保留原子类型以及原子电荷。

使用acpype.py处理配体

acpype.py -i PNPC.mol2 -n 0 -d

运行完成后，在当前目录下出现一个“PNPC.acpype”的文件夹，文件夹中的“PNPC_GMX.itp”与“PNPC_GMX.gro”为gromacs所需要的文件。

4.创建复合物拓扑

4a

将之前处理得到的蛋白质文件（CBHI_processed.gro）复制并改名为complex.gro

cp CBHI_processed.gro complex.gro

接下来复制PNPC_GMX.gro的坐标部分粘贴到complex.gro文件中蛋白质原子最后一行的下面

由于添加了57个原子到.gro文件中, 将complex.gro文件中第二行的数字增加57

4b

在topol.top文件中插入一行，内容为

; Include ligand topology
#include "PNPC_GMX.itp"

如图

最后在文档的末尾修改[ molecules ]部分，添加PNP信息

  

5.添加盒子、溶剂

定义单元盒子

gmx editconf -f complex.gro -o newbox.gro -bt dodecahedron -d 1.0

得到newbox.gro  填充溶剂水

gmx solvate -cp newbox.gro -cs spc216.gro -p topol.top -o solv.gro

得到solv.gro文件

6.添加离子

点击下载em.mdp文件，存放到同工程目录下。 

然后输入命令

gmx grompp -f em.mdp -c solv.gro -p topol.top -o next.tpr

如果出现平衡电荷数警告，在命令后端加上 -maxwarn 1

gmx grompp -f em.mdp -c solv.gro -p topol.top -o next.tpr -maxwarn 1

翻看上面的输出信息，可以看到整个体系携带的电荷数。

由于生命体系中不存在净电荷，必须在体系中添加离子。

-pname 阳离子的名称 -nname 阴离子的名称 -np 阳离子个数 -nn 阴离子个数

gmx genion -s next.tpr -o solv_ions.gro -p topol.top -pname NA -np 19 

运行上面的命令后会提示选择溶剂，选择15 SOL。

得到solv_ions.gro文件

5.能量最小化

gmx grompp -f em.mdp -c solv_ions.gro -p topol.top -o em.tpr

得到em.tpr文件，运行EM。

gmx mdrun -v -deffnm em

得到四个文件.edr .trr .log .gro

6.NVT、NPT平衡

点击下载nvt.mdp npt.mdp文件，存放到同工程目录下。 

平衡蛋白质配体复合物与平衡任何其他蛋白质水溶液体系一样. 但需要有些特殊考虑:

        a.对配体施加限制

        b.处理温度耦合组

a.对配体施加限制

gmx genrestr -f PNPC_GMX.gro -o posre_PNPC.itp -fc 1000 1000 1000

在topol.top文件中添加如下几行

; Ligand position restraints
#ifdef POSRES
#include "posre_PNPC.itp"
#endif
如图

b.热浴

对只有几个原子的组在控制其动能的涨落时, 温度耦合算法不够稳定，不要对体系中的每一单个物种使用独立的耦合。创建一个特殊的组, 其中包含蛋白质和配体。

gmx make_ndx -f em.gro -o index.ndx

通过下面的命令合并"Protein"和"PNP"，其中">"是make_ndx的提示符：

> 1 | 13
> q

接下来开始nvt平衡

gmx grompp -f nvt.mdp -c em.gro -r em.gro -p topol.top -o nvt.tpr -n index.ndx

运行之后得到nvt.tpr文件

gmx mdrun -deffnm nvt

next..

gmx grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -r nvt.gro -t nvt.cpt -p topol.top -o npt.tpr -n index.ndx

运行之后得到nvt.tpr文件

gmx mdrun -deffnm npt

7.开始模拟

依次运行命令

gmx grompp -f md.mdp -c npt.gro -t npt.cpt -p topol.top -o md_0_1.tpr

-v 可显示计算结束时间

gmx mdrun -deffnm md_0_1 -v

GO!

注：

①如果要使用gpu加速，可在末尾加上 -nb gpu 来使用gpu加速计算，-v 可显示计算结束时间。

gmx mdrun -deffnm md_0_1 -nb gpu -v

②如果模拟过程中因突发状况导致模拟终止，可使用如下命令续跑。

在同一个文件夹下运行（假设你的任务名称是 md_0_1）

gmx mdrun -s md_0_1.tpr -cpi md_0_1.cpt -deffnm md_0_1

8.分析结果

附官方使用翻译手册