• 原始文档 QM/MM SIMULATION

• 2017年02月14日 15:20:45 翻译: 郑伟中; 校对: 李继存

此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:

• GROMACS和Gaussian软件已正确安装(本教程使用的GROMACS为3.3.1版本).

• 电脑使用Linux操作系统.

• 已经下载了此教程所用分子的结构文件(peptide.pdb).

• 对GROMACS和Linux操作系统有一定的基础.

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:

• 对于力场, 选择 6(OPLS力场)

• 对N端类型, 选择 3 (None)

• 对C端类型, 选择 3 (None)

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.gro和peptide.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.gro和peptide.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:

【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5GLY或6GLY.

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:

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:

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:

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.itp和ffoplsaa.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:

• 对于bonds部分, 我们需要把两个QM原子之间所成键的类型改为5.

• 对于angle部分, 我们应该除去QM区域内的键角. 如果形成键角的三个原子中至少有两个原子属于QM原子, 那么我们就认为这个键角处于QM区域内.

• 对于dihedrals部分(正常或异常二面角), 我们应移除QM区域内的二面角. 如果形成二面角的四个原子中至少有三个原子属于QM原子, 那么我们就认为这个二面角处于QM区域内.

• 在拓扑文件中增加dummies2部分和constraints部分:

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:

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:

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:

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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