Gromacs 中文教程（II）：结果分析

淮海一粟

MD结果分析

模拟结束后，就可以分析数据了。分析包括三个阶段。首先，有必要对模拟的质量进行检查，如果检查结果表明模拟良好，那么就可利用该模拟对所研究的问题作出回答；最后，不同的模拟结果可以合并。

注：文件名应该反映文件内容，这根据你的模拟系统不同而不同。这里我们假定使用默认文件名，那么就会产生以下文件：

? ? ? ? ? ?

topol.tpr: 模拟开始时包含完整系统描述的输入文件； confout.gro: 结构稳健，包含最后一步的坐标和速度； traj.trr: 全部精确轨迹，包括位置、速度和随时间变化的力

traj.xtc: 压缩的轨迹文件，只包含低精度(0.001 nm)的坐标信息； ener.edr: 随时间变化的有关能量数据 md.log: 模拟过程的日志

附注：许多分析工具都能生成.xvg文件。这些文件能用xmgr或xmgrace查看，也可用python脚本程序xvg2ascii.py在终端显示出来。

Each group writes one report. For general questions a single answer should be given in the report. Questions specific to each simulation should be given in table, indicated with ( T ). Answers to questions from one section should be combined in a single table if possible.

先检查一下结果

在开始分析前，要确定模拟是否正确地完成。有很多原因会导致模拟中断，尤其是与力场和系统平衡不充分引起的问题。为了检查模拟是否正确完成，运行gmxcheck程序：

gmxcheck -f traj.xtc

看看是否执行了10纳秒的模拟。

==Q== How many frames are in the trajectory file and what is the time resolution? ( T )

另一个重要的信息源是日志文件。在文件md.log的末尾有模拟过程的统计数据；包括内存和CPU的使用情况和模拟时间。看看日志文件的末尾，使用'less'命令时，你可以用'G' (shift-g) 命令，跳到文件末尾。

==Q== How long did the simulation run in real time (hours), what was the simulation speed (ns/day) and how many years would the simulation take to reach a second? ( T )

==Q== Which contribution to the potential energy accounts for most of the calculations?

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结果可视化

好玩的环节开始了。虽然很多分析都能归结为从轨迹文件中提取图像，MD当然首先要关注系统的移动。来看看轨迹文件。

首先用gromacs提供的查看器ngmx来看看。虽然该软件的完善程度和视觉效果不及其他查看器，但它能够在拓扑文件信息的基础上画出键。其他查看器可能隐含远程键，这可能导致这些键被认为太长而不画出，或者会在非常接近的原子之间画出键。这是对模拟结果分析的一个常见错误源。使用ngmx载入拓扑和轨迹文件：

ngmx -s topol.tpr -f traj.xtc

看看程序菜单，试试不同的选项。播放动画。观看过程通过右边的选项控制。右击或左击选择选项来改变查看。

==Q== What happens if the protein diffuses over the boundary of the box?

为了视觉美观，我们将从轨迹文件中提取1000帧 (-dt 10)并忽略水分子（当软件询问时，选择 Protein）。而且，我们还将忽略边界的跨越，作出连续轨迹（-pbc nojump）。为了做这些工作，我们使用瑞士军刀般的gromacs工具trjconv，该工具有1001个选项组合。我们用它写出一个多模型的pdb文件，从而能在Pymol中观看。

trjconv -s topol.tpr -f traj.xtc -o protein.pdb -pbc nojump -dt 10

在Pymol中提取轨迹文件： pymol protein.pdb

当所有的帧装入完毕，播放动画。 Mplay

动画播放时，其他控制键仍在运行，可以用鼠标旋转、放大或缩小图像，也可以改变分子外观。 Spectrum Show cell

如果没错的话，你现在能看到蛋白质扩散、翻转跳跃。但我们对内部运动更感兴趣，而不是总体行为。在Pymol中，你能使用命令intra_fit将其他所有帧与第一帧对齐。随后，你可以用定向工具设定蛋白质中心： intra_fit protein and (name c,n,ca) Orient

现在，所有的帧应该都对齐了，你可以看到蛋白质的哪一部分移动得更厉害。这些差异将在以后定量分析。

当然，在cartoon模式下，蛋白质看起来更舒服，试试这个命令： show cartoon

因为.pdb文件里面没有二级结构信息，你可能会看到碳骨架是个粗管状，而看不到正确的二级结构。Pymol可以自动计算蛋白质的二级结构，但只计算一帧，并将其映射到其它的帧。例如，下述命令可以计算第一帧的二级结构： dss

通过设定状态，用于计算的帧可以改变： dss state=1000

最后，同时查看所有帧并检查蛋白质的柔性和刚性部分。 set all_states=1

请随便练习Pymol的使用。试试放大柔性或刚性区域，并检查侧链构象。使用'ray'和 'png'制作一份图像，即使浪费点CPU时间也不要紧。但记住，如果图像太复杂，可能会导致pymol的插件ray-tracer崩溃，这种情况下，你可以直接用'png' 得到屏幕上的图像。

The following part, up to 'quality assurance', is optional and it may be best to first finish the other sections.

如果你有足够机时做此教程，或者你已经做完了前面的功课，那就来做个不错的电影吧。你可能注意到，这些轨迹噪音非常多，那是热噪音，是正常的；但是对于制作好的电影会有影响。我们可以屏蔽这些高频运动，只保留低速和平滑的总体移动。为了达到这个目的，使用g_filter程序：

g_filter -s topol.tpr -f traj.xtc -ol filtered.pdb -fit -nf 5

现在，在Pymol中倒入轨迹文件。计算二级结构 (dss)并显示(show cartoon)，隐藏碳骨架上的侧链 (hide lines, not (name c,n,o)) 并给蛋白质上色，然后orient分子设好视角。现在开始制作电影了： viewport 640,480 set ray_trace_frames,1 mpng frame_.png

现在退出Pymol (quit) 并显示文件路径 (ls)。你能看到，文件的数量多了好些，包括1000个图像。以每秒30帧的速度，将会产生30秒的电影。下载mpeg_encode程序和参数文件movie.param，用它来产生单帧图像的电影（你可能需要编辑参数文件来改变文件名）： mpeg_encode movie.param

质量确认

进行了最初的轨迹图像查看后，该对模拟的质量进行彻底检查了。这个质量检查(QA)包括热动力参数（如温度、压力、势能和动能）的收敛情况。更一般地说， QA试图评价（模拟）是否达到平衡状态。 结构上的收敛也需要检查，这个用起始结构和平均结构的均方差 (RMSD)来表示。随后，还要检查邻近的周期性图像之间没有互相作用，因为这将导致非物理学效应。最后，QA检查包括原子的均方差，这个可以与晶体学数据b-factors进行比较。

能量收敛

我们首先从能量文件中提取一些热动力学数据。研究以下性质：温度、压力、势能、动能、单位盒子体积、密度和盒子尺寸。这些大部分性质已在系统准备步骤中检查过了。用工具g_energy进行能量分析。该程序读出能量文件，也就是模拟过程中产生的扩展名为.edr的文件。g_energy程序将会问需要提取什么参数并将产生一幅图像。输入下面的命令：