该文件夹中有我们进行动力学模拟所需的所有文件。
最后,还需要交代的是,NAMD不同于我们所熟悉的大多数Windows软件:它不具有图形界面。打个比方说,我们平常使用Word,Excel,Photoshop等有图形界面的软件,好像是面对面聊天;而现在使用不具有图形界面的NAMD就像是书信往来:动力学模拟的所有参数设定都需要用户通过一个文本文件通知NAMD,NAMD进行处理计算,然后再通过许多输出文件输出结果。不借助其他软件,用户无法直接看到NAMD的工作状态。
由于进行动力学模拟的准备和结果的可视化分析,必不可少的软件是VMD,下面的讲解中也将大量用到VMD。我们假定读者已经对VMD的基本操作有一定的了解。VMD的入门教程可参见本章附录。
下面,我们将使用NAMD进行简单的分子动力学模拟,并进行初步的分析。我们将要进行动力学模拟的分子是一个76个氨基酸的小肽:泛素。
知识连接:泛素——“死亡之吻” 泛素是一个由76个氨基酸组成的高度保守的多肽链, 因其广泛分布于各类细胞而得名。泛素共价地结合于底物蛋白质的赖氨酸残基,被泛素标记的蛋白质将被特异性地识别,并在蛋白酶体中迅速降解。泛素因此得名——“死亡之吻”。因为被其标记的蛋白都摆脱不了被降解的厄运。 随着研究的进一步深入,蛋白质降解过程中泛素的枢纽作用越来越得到重视。蛋白质降解异常与许多疾病(恶性肿瘤,神经退行性疾患等)的发生密切相关。而泛素在蛋白质降解中的作用机制如能被阐明,将对解释多种疾病的发生机制和有重要意义。 Hershko、Ciechanover、Rose三名杰出科学家在泛素标记的蛋白质降解方面做出了突出贡献,他们荣获2004年度诺贝尔化学奖。 使用NAMD进行分子动力学模拟之前,我们需要为NAMD准备好各种必须的数据文件,以供NAMD使用。这些文件包括:
? 蛋白质分子的PDB文件。该文件负责储存蛋白质中所有原子的坐标。在后续课程中
我们还会了解到,PDB文件还可以储存原子运动的速度等信息。
? 蛋白质分子的PSF文件。该文件负责储存蛋白质的结构信息。注意PDB文件只记录
原子的空间位置,并不储存蛋白质中原子之间的成键情况。成键情况由PSF文件负责记录。
? 力场参数文件(force field file)。力场参数文件是分子动力学模拟的核心,文件
中的数学方程决定了原子在力场中的受力如何计算。常用的四种力场是CHAEMM, X-PLOR, AMBER 和GROMACS。NAMD可以使用以上任何一种力场进行分子动力学模拟。
? 配置文件(configuration file)配置文件的目的是告知NAMD分子动力学模拟的
各种参数,比如PDB文件和PSF文件的储存位置,结果应当储存在哪里,体系的温度等等
上述四种文件中,PDB文件通常是从蛋白质结构数据库(Protein Data Bank)中获得。力场参数文件也可以从网上下载, 而PSF文件和用户配置文件是用户根据具体要求自己生成的。下面我们将首先制作蛋白质结构文件(PSF)。 2.2 生成蛋白质结构文件(PSF)
1、单击 开始菜单→程序 → VMD,打开VMD窗口
2、在VMD主窗口中,单击 File → New Molecule 打开Molecule File Browser对话框;单击Browse?按钮,在弹出的文件浏览中找到 namd-tutorial/1-1-build 文件夹,在此文件夹中选择1UBQ.pdb,单击Load按钮载入1UBQ.pdb。 提示:关于文件后缀名 如果浏览文件时看不到“.psf”“.pdb”等后缀名,可以在“我的电脑”中选择“工具”→“文件夹选项”,在“查看”选项卡中取消“隐藏已知文件类型的扩展名”。强烈推荐读者取消这一项,因为这还涉及到下文中的许多操作。 载入之后在图形窗口(VMD 1.8.5.OpenGL Display)中应当可以看到下图(图):
可以看到,所有的氧原子用红色表示,碳原子以天蓝色表示(碳原子所连的键也是天蓝色,所以整个蛋白骨架为天蓝色),硫原子以黄色表示。注意到没有出现氢原子,这是因为此结构是由X射线晶体衍射得来的,而X射线衍射一般得不到氢原子的精确位置。注意:蛋白周围的红点实际上是水分子,由于没有氢,所以仅显示出一个一个的氧原子。
我们只需要蛋白质分子的结构,因此下面我们将首先除去pdb文件中带有的水分子。 4、单击 Extension → TK Console 菜单项,弹出VMD Tk Console窗口。首先用cd命令改变当前目录到namd-tutorial /1-1-build 下。然后输入下列命令:
set ubq [atomselect top protein] $ubq writepdb ubqp.pdb
(每输入一行命令后按回车键,下同。另外,尤其要注意空格的有无和空格的位置,否则空格位置不对可能造成命令执行错误)
提示:VMD TK Console(VMD控制台)中改变当前目录的方法 在Windows命令行模式中和VMD TK Console 中都是用cd命令改换当前目录的。但是注意二者的使用方法不同。这里简单说明VMD TK Console 中改变当前目录的方法,Windows命令行改变目录的方法将在后面说明。 在VMD TKConsole中,改变目录的命令十分简单。无论是改变到哪一个目录,只需要输入: cd 目标目录 比如本例中,假设需要改变目录到 E:/namd-tutorial/1-1-build ,无论当前目录是什么,只需要在VMD TKConsole中输入以下命令即可: cd e:/namd-tutorial/1-1build 输入以上命令之后,VMD已经在1-1-build目录下生成了文件 ubqp.pdb。这一PDB文件仅包含泛素蛋白,不含水分子。
5、在VMD主窗口中单击1UBQ.pdb,选择Molecule→Delete Molecule菜单项删除当前分子。
6、下面我们将生成泛素蛋白的psf文件。注意:VMD组件中实际上提供了一个全自动的psf文件生成器(选择Extensions→Modeling→Automatic PSF Builder菜单项)。但我们将人工制作所需要的psf文件,以让读者明白制作的详细流程。制作时,需要使用VMD提供的psfgen软件包。
7、首先,打开写字板,输入以下内容:
package require psfgen
topology top all27_prot_lipid.inp pdbalias residue HIS HSE pdbalias atom ILE CD1 CD segment U {pdb ubqp.pdb} coordpdb ubqp.pdb U guesscoord writepdb ubq.pdb