基于GROMACS的分子动力学模拟的研究

基于GROMACS的分子动力学模拟的研究

分子动力学模拟可以通过多款软件进行，根据需要不同可以选择不同的软件，但GROMACS是应用比较广泛的。生物大分子的结构动力学决定其生物学功能，而分子动力学模拟是研究其结构动力学的有效手段，因此采用GROMACS 进行分子动力学计算分析从而指导进一步的实验工作。本文重点介绍了GROMACS的特点、基本流程以及制约因素等，并展望了未来的应用前景。

Abstract：Molecular dynamics simulation can be carried out through a variety of software，depending on the need to choose a different software，but GROMACS is widely used. biological functions of biological macromolecules is determined by its structural dynamics，and molecular dynamics simulation is an effective means to study its structural dynamics. Therefore，GROMACS is used to carry out molecular dynamics analysis to guide the further experimental work. This review mainly introduces the characteristics，basic process and the control of GROMACS，and the prospect of future prospects.

Key words：Molecular dynamics simulation；GROMACS；Field

蛋白质的空间结构在行使其功能时起着重要的作用，其功能与动力学特征密切相关，不同结构决定了蛋白质的不同功能。蛋白质分子内部运动和构象变化对其正常功能有重要作用，这些过程包括蛋白质的折叠和拉伸，配体和底物的结合等。要了解蛋白质的特性并找到其发挥生物功能的分子基础模型，只有氨基酸顺序和三维结构是不够的，还必须研究蛋白质的结构和功能的关系等。

目前，通过测定蛋白质空间结构的方法可以观察到当蛋白处于不同的构象时，其对应的功能状态也不同，但在这些不同的构象变化的细节仍不清楚。因此利用计算机研究蛋白质的动态结构和动力学信息，在一定程度上弥补了实际实验上的不足。在过去的几十年中，随着计算机软硬件技术的快速提升，在生物大分子等方面的模拟逐渐发展为在原子水平上研究蛋白质、脂类等生物大分子的结构和动力学性质的一个很重要工具，从而辅助实验进行一定的解析。计算机对生物大分子的模拟研究使人们进一步了解生命现象的基本过程，对生物大分子结构和功能的研究更加深入和系统。利用分子动力學模拟计算生物大分子的空间结构，从而得到系统内部的构象随着时间变化的各种信息，有助于我们进一步理解蛋白质、核酸等生物大分子的运动特征。

1957年，Alder和Wainwright[1]最早利用分析动力学及硬球模型实现了第一次模拟。1977年，McCammon[2]等人发表了第一篇蛋白分子模拟研究论文。虽然模拟时间很短，但是使人们看到分子动力学技术对研究蛋白质分子功能的重要作用。1980年，Andersen[3]等人创造了一个恒定的压力分子动力学方法。分子动力学模拟在诞生至今的几十年中不断发展完善，已经成为应用最广泛的分子模拟方法之一。随着分子动力学模拟的快速发展，也逐渐形成了一些比较完善的应用于生物领域的模拟软件，例如NAMD[4]、GROMACS[5]等。GROMACS是一

个非常有效并且免费的的软件，遵循GNU许可，可以从网站http：///上进行下载得到。本文主要介绍GROMACS的基本过程。

1 GROMACS简介

GROMACS[6]，一款开源的分子动力学仿真软件包，最初是由荷兰格罗宁根大学（Groningen University）开发。目前主要由瑞典乌普萨拉大学、斯德哥尔摩大学和德国的马普学会高分子研究所维护和管理。它开创了分子动力学模拟的先河，成为迄今为止应用很广泛的动力学模拟软件之一。

GROMACS设计的初衷主要是应用于生物大分子的分析计算。其模拟程序包除了包含Gromacs力场，还包含了其他动力学软件的力场如CHARMM力场[7]、AMBER力场[8，9]，这些力场的加入也让其应用性更加广泛。GROMACS 软件主要是用来研究分子体系的动力学，还可用于分子动力学，随机动力学等方法来模拟自然的分子动力学，分子能量优化，构象分析，等等。相比于其他的软件GROMACS提供了极高的性能，而且它允许使用标准的MPI通讯进行并行运算。同时GROMACS支持很多常用的算法，与其他动力学模拟软件相比还具有独特的优势，使其脱颖而出。

2 模拟流程

分子动力学模拟的步骤主要包括四步。

2.1初始结构处理在分子动力学模拟中，分子结构文件需要转化成分子的拓扑文件以供后续模拟使用。运行pdb2gmx程序后会要求我们选择合适的分子力场。运行pdb2gmx程序这一步会将原始的pdb文件转化成结构文件以及相应的拓扑文件。同时考虑到体系在真实环境中的状态，首先需要采用editconf程序给体系添加一个盒子，然后采用genbox程序选择合适的溶剂化模型。溶剂化模型一般分为显性溶剂化模型和隐形溶剂化模型。同时为了使体系在分子动力学模拟过程保持中性，我们还需要采用genion程序添加抗衡离子。然而在准备模拟的时候，体系中有很多原子距离太近，或者新加入的粒子位置不一定合理，导致局部能量过高。如果能量过高可能导致运动速度过快，从而使体系不稳定，最终导致模拟失败。因此在开始模拟之前，首先需要进行能量最优化，使系统达到稳定的状态。能量优化的过程是改变系统中局部高能量原子的位置，降低这些部位的能量。

2.2体系优化进行能量最优化的程序是mdrun，它是GROMACS的核心程序。能量最优化会消除高能量原子之间不合理的结构关系，使能量降低到局部极小值。所有的模拟都是采用mdrun程序进行的，类似于amber软件中的sander 程序，就好像GROMACS的心脏一样。

进行能量最小化后，就可以在控制压强和温度的前提下对体系进行平衡模拟，使体系能量达到全局最小值时，整个体系达到平衡态。首先在NVT系统中，该系统称为等温等容系。然后经过NVT平衡，温定了系统的温度，还需要稳定