Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метод молекулярной динамики при изучении структуры и конформационной динамики макромолекул на поверхностях твердых адсорбентов и в нанокластерах. Учеб
.pdf
Силовое поле MARTINI
ij
r
612
24
ijij
ijLJ
rr
V
ij
ij
Силовое поле MARTINI разработано для множества биомолекул:
липидов, аминокислот, а также для некоторых полимеров.
Это силовое поле основано на так называемом отображении «четыре к
одному». Четыре тяжелых атома представлены в виде единственного центра
взаимодействия.
Для того, чтобы отобразить геометрическую специфику малых
кольцевых молекул и некоторых других, отображения «четыре к одному»
бывает недостаточно. Подобные молекулы отображаются с более высоким
разрешением – «два к одному». Рассматриваются четыре типа центров
взаимодействия (групп, зерен, бусин): полярный (P), неполярный (N),
аполярный (A), заряженный (Q). Кроме этого эти зерна отличаются по
способности соединения с водородом: донор (d), акцептор (a), доноракцептор (da), нет соединения (n). Также для полярных зерен указывается
степень полярности от 1 (низкая полярность) до 5 (высокая полярность).
Примеры отображений представлены на рисунке 5 [22, 24, 26].
Потенциалы взаимодействия для несвязанных взаимодействий
1) Потенциал Леннард-Джонса
Потенциал взаимодействия между двумя частицами i и j на расстоянии
:
. (1.94)
Сила взаимодействия определяется глубиной потенциальной ямы
которая зависит от типов взаимодействующих частиц. Значение
,
изменяется от 5.6 кДж/моль (для взаимодействий между сильно полярными
группами) до 2 кДж/моль (для взаимодействий между полярными и
аполярными группами).
71
Эффективный размер частиц определяет параметр
ij
15
rel
ijrel
ji
el
r
qq
V
0
4
i
q
j
q
2
)(
2
1
bijbb
ddKV
b
d
ij
d
b
K
2
))cos()(cos(
2
1
aijkaa
KV
, который равен
0.47 нм для частиц нормального типа. Для частиц специального класса -
частиц, описывающих кольцевые молекулы,
равен 0.43 нм, а
берется
как 75% от нормального значения. Для заряженных и наиболее полярных
частиц
увеличивается до 0.62 нм.
Потенциал Леннард-Джонса обрезается на расстоянии 1.2 нм,
сглаживается на расстоянии от 0.9 до 1.2 нм.
2) Кулоновский потенциал
Взаимодействие заряженных групп между собой описывает
Кулоновский потенциал с относительной диэлектрической постоянной
:
, (1.95)
где
и
заряды групп атомов. Потенциал обрезается на расстоянии
1.2 нм.
Потенциалы взаимодействия для связанных взаимодействий
Взаимодействие между связанными друг с другом группами атомов i и
j:
, (1.96)
где
расстояние,
- равновесное расстояние между бусинами,
- текущее
- силовая константа равна 1250 кДж(моль*нм2). Между
связанными частицами взаимодействия Леннард-Джонса исключены.
Взаимодействие между тремя бусинами i, j и k, образующие между
собой угол:
, (1.97)
72
где
a
ijk
a
K
))cos(1(
2
1
dijkldd
KV
d
ijkl
d
K
2
)(
2
1
dijklidid
KV
d
ijkl
id
K
- равновесный угол между бусинами,
силовая константа.
Взаимодействие между четырьмя бусинами i, j, k и l, образующие
между собой двухгранный угол:
, (1.98)
- текущий угол,
-
где
- равновесный торсионный угол,
- текущий торсионный угол,
- силовая константа.
Взаимодействие между четырьмя бусинами i, j, k и l, образующие
между собой несобственный двухгранный угол:
, (1.99)
где
несобственный торсионный угол,
- равновесный несобственный торсионный угол,
- силовая константа
- текущий
Частицы антифриза
Специфической проблемой крупнозернистого моделирования является
то, что температура замерзания воды слишком высока по сравнению с
реальной водой. В зависимости от условий моделирования вода замерзает
при температуре от 280 до 300 К. В процессе замораживания частицы
движутся, после заморозки характер расположения частиц стохастический.
Переход в замороженное состояние является быстрым и необратимым.
Для того, чтобы предотвратить эту нежелательную заморозку, можно
было бы ввести дополнительные стохастические силы. На практике более
эффективно вводить частицы антифриза. Частицы антифриза нарушают
упаковку из частиц воды одинакового размера. Параметр в потенциале
Леннард-Джонса между частицами воды и антифриза изменяется до 0.57 нм.
Небольшое количество частиц воды заменятся на частицы антифриза. При
73
этом образование центров кристаллизации предотвращается, заморозки не
наблюдается.
Эффективная шкала времени
Для большей вычислительной эффективности масса всех зерен,
состоящих их четырех тяжелых атомов, установлена равной 72 а.е.м., это
равно четырем молекулам воды. Для зерен, состоящих из двух тяжелых
атомов, масса установлена равной 45 а.е.м.
В связи с увеличением массы частиц по сравнению с классической
молекулярной динамикой, шаг моделирования может быть установлен
равным 30-40 фс, который соответствует эффективному времени 120-160 фс.
Крупнозернистая молекулярная динамика быстрее, чем полноатомная,
потому что взаимодействия между зернами являются более гладкими по
сравнению с атомистическими. Эффективное трение отсутствует.
Эффективное время выбрано на основе сравнения коэффициентов диффузии
в крупнозернистом и полноатомном моделировании, оно в 3-8 раз больше.
При интерпретации результатов крупнозернистого моделирования
используется стандартный коэффициент преобразования равный 4, который
является эффективным коэффициентом ускорения в диффузионной динамике
воды по сравнению с реальной водой [22, 24, 26].
74
2 Молекулярно-динамическое моделирование с помощью
программного комплекса NAMD
Для молекулярно-динамического моделирования больших
молекулярных систем требуются огромные вычислительные мощности.
Одним из способов достижения такого моделирования является
использование параллельных компьютеров.
Программный комплекс NAMD был разработан для того, чтобы
эффективно работать на параллельных машинах, в том числе с
использованием графических процессоров с архитектурой CUDA. Данный
программный комплекс позволяет производить молекулярно-динамическое
моделирование молекулярных систем микроканонического, канонического,
изобарно-изотермического ансамблей
Для запуска моделирования требуются четыре файла:
1) файл описания силового поля в формате программ CHARMM и X-
PLOR,
2) файл описания молекулярной структуры X-PLOR формата с
расширением psf,
3) файл начальных координат молекулярной системы pdb формата,
4) конфигурационный файл.
Файл pdb формата используется для чтения и записи координат,
скорости, силы или других данных. Это стандартный формат для задания
координат большинства программ молекулярной динамики [27, 29].
Параметры конфигурационного файла
На рисунке 2.1 изображен пример конфигурационного файла NAMD.
Ниже приведены некоторые параметры конфигурационного файла.
75
Входные файлы
1) coordinates <координатный pdb файл> - указывает на файл
начальных координат pdb формата, может быть задано только одно значение.
Рисунок 2.1 Пример конфигурационного файла NAMD.
76
2) structure <psf файл> - структурный файл, описывающий
молекулярную систему для моделирования, может быть задано только одно
значение.
3) parameters <параметрический файл> - параметрический файл,
который определяет все или часть параметров, необходимых для
моделирования молекулярной системы (файл, описывающий силовое поле).
По крайней мере, один файл параметров должен быть указан при каждом
моделировании. Разрешены несколько файлов для систем, требующих более
одного параметрического файла. Файлы будут читаться в том порядке, в
котором они записаны в файле конфигурации. Если считываются
дублирующие параметры, печатается предупреждение об этом и
используется последнее значение.
4) velocities <скоростной pdb файл > - pdb файл, содержащий
начальные скорости для всех атомов.
5) binvelocities < двоичный скоростной файл > - двоичный файл,
содержащий начальные скорости для всех атомов.
6) bincoordinates < двоичный координатный файл перезапуска> -
бинарный файл перезапуска, содержащий начальные координаты.
7) cwd < каталог по умолчанию> - каталог по умолчанию для входных
и выходных файлов [27, 29].
Выходные файлы
1) outputname < префикс выходных файлов > - в конце каждого
моделирования записываются два файла: один, содержащий окончательные
координаты, и другой, содержащий окончательные скорости всех атомов.
Этот параметр определяет префикс для этих двух файлов, а также префикс по
умолчанию для файла траектории и файла перезапуска. Координаты будут
сохранены в файл с расширением coor. Скорости будут сохранены в файл с
расширением vel.
77
2) binaryoutput < использовать двоичные выходные файлы? > -
позволяет использовать двоичные выходные файлы. Если эта опция не будет
установлена в значение «нет», то конечные выходные файлы будут записаны
в двоичном виде, а не в формате pdb.
3) restartname < префикс файлов перезапуска > - префикс для
использования в именах файлов перезапуска. Производятся файлы
перезапуска, содержащие текущие позиции и скорости всех атомов на
некотором шаге моделирования.
4) restartfreq < частота генерации файлов перезапуска > - число
временных шагов между генерацией файлов перезапуска.
5) restartsave < использовать временной шаг в имени файлов
перезапуска? > - добавляет текущий временной шаг к имени файла
перезапуска, сохраняя последовательность файлов перезапуска, а не только
один последний.
6) DCDfile < выходной файл координат траектории > - имя двоичного
координатного траекторного файла. Этот файл хранит координаты
траектории всех атомов. Если файл DCDfile определен, то параметр DCDfreq
также должен быть определен.
7) DCDfreq < временной шаг между записями координат в траекторный
файл > - число временных шагов между записью координат в траекторный
файл. Начальные положения не будут включены в файл траектории.
8) DCDUnitCell < записывать данные ячейки в dcd файл? > - если эта
опция установлена в «да», то dcd файлы будут содержать информацию об
элементарной ячейке. По умолчанию эта опция включена, если производится
моделирование периодических ячеек во всех трех измерениях.
9) velDCDfile < выходной файл скоростей на траектории > - имя
двоичного траекторного скоростного файла. Этот файл содержит скорости
всех атомов на данной траектории.
10) velDCDfreq < временной шаг между записью скоростей в
траекторный файл > - число временных шагов между записью скоростей в
78
траекторный файл. Начальные скорости не будут включены в файл
траектории. Скорости в dsd файлах хранятся во внутренних единицах
программного комплекса NAMD и должны быть умножены на коэффициент
DBVELFACTOR = 20.45482706 для того, чтобы преобразовать в ангстрем/пс.
11) forceDCDfile < выходной файл сил на траектории > - двоичный
файл всех атомных сил на траектории.
12) forceDCDfreq < временной шаг между записью сил в траекторный
файл > - количество временных шагов между записью сил в файл траектории.
Начальные силы не будут включены в файл траектории. Силы сохраняются в
ккал/моль/ангстрем. Рекомендуется, чтобы параметр forceDCDfreq был
кратным параметру fullElectFrequency [27, 29].
Стандартный выход
Стандартными единицами, которые используются в программном
комплексе NAMD, являются ангстрем для длины, ккал/моль для энергии,
кельвин для температуры, бар для давления.
1) outputEnergies < временной шаг между выводом энергии > -
количество временных шагов между выводом выходной энергии. Это
значение определяет, как часто должны выводиться текущие значения
энергии в стандартный выход, который может быть перенаправлен в файл.
По умолчанию это делается на каждом шаге.
2) outputMomenta < временной шаг между выводом импульса > - число
временных шагов между выводом выходного импульса. Если шаг определен,
то линейный импульс и момент импульса будут выводиться на стандартный
вывод.
3) outputPressure < временной шаг между выводом давления > количество временных шагов между каждым выходом давления [27, 29].
Создание структурного psf файла
Для создания psf файла программа psfgen.
79
Создание psf и pdb файлов для использования в программном
комплексе NAMD состоит из следующих этапов:
1) подготовка отдельных pdb файлов, содержащих отдельные сегменты
макромолекул, растворителя и так далее перед запуском программы psfgen,
2) чтение в соответствующих файлах топологии и наложения имен
остатков и атомов, найденных в pdb-файле на те, что содержатся в файле
топологии,
3) создание структуры,
4) применение дополнительных изменений для данной структуры,
5) чтение координат из pdb файлов,
6) удаление нежелательных атомов,
7) добавление координат недостающих атомов водорода и других
атомов,
8) Запись psf и pdb файлов для использования в программном
комплексе NAMD [27, 29].
Параметры силового поля
В программном комплексе NAMD взаимодействия Ван-дер-Ваальса
всегда обрезаются на расстоянии отсечки. Основной параметр, который
влияет на взаимодействия Ван-дер-Ваальса - это параметр переключения.
Этот параметр устанавливает, на каком расстоянии гладкая функция
переключения будет использоваться для усечения потенциальной энергии
Ван-дер-Ваальса плавно на расстояние обрезания.
Есть два случая для расчета электростатических взаимодействий. В
одном случае электростатические взаимодействия отсекаются на расстоянии
среза. При использовании этой схемы, все электростатические
взаимодействия за пределами определенного расстояния игнорируются или
принимаются равными нулю. Если параметр переключения включен, то
вместо разрыва в потенциале на расстоянии среза, функция сдвига
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]