Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://erg.biophys.msu.ru/erg/wordpress/wp-content/uploads/2009/03/bpmanual.pdf Дата изменения: Tue Sep 8 16:16:25 2009 Дата индексирования: Mon Oct 1 19:52:06 2012 Кодировка: Windows-1251

Современные методы молекулярного моделирования
Д.В. Зленко, П.A. Мамонов, А.М. Нестеренко

8 октября 2007 г.


Аннотация

Методы молекулярного моделирования в настоящее время стали незаменимым инструментом изучения биомолекулD позволяющим решать широкий класс задачD зачастую недоступных эксE периментальным методамF Методы молекулярного моделирования широко используются для исE следования структурноEфункциональных взаимосвязей в биомолекулахD поиска новых лекарствD исследования свойств отдельных молекул и их ансамблейD в том числе липидных мембранF В рамках задачи вы ознакомятесь с теоретическими основами и вычислительными алгоритE мами молекулярного моделированияF Вам будет предложено создать атомную модель молекулы аминокислотыD при помощи методов вычислительной квантовой химии рассчитать ее равновесE ные геометрические характеристикиD а также исследовать ее поверхность потенциальной энергииF Полученные данные будут использованы для создания молекулярноEмеханической модели олиE гопептидаF На заключительном этапе эта молекулярноEмеханическая модель будет использована для изучения ее динамических характеристик с использованием методов молекулярной динамиE киF Целью работы является освоение методов квантовоEхимических расчетов с использованием пакета g qewi и методов молекулярноEдинамических расчетов с использованием пакета qywegF Методы квантовой химии позволяют вычислять равновесные конфигурации молеE кул и энергии произвольных конформацийD а также получать строгие энергетические характериE стики различных движений и электронноEспиновых состоянийF Методы молекулярной динамики позволяют оценивать подвижности молекул и отдельных участков молекулD а также оценивать энергию межмолекулярного и внутримолекулярного взаимодействийF В ходе выполнения данной задачи вы научатесь работать с вышеупомянутыми пакетами проE граммF Задача построена таким образомD что бы показать не только принципы работы соответE ствующих пакетов программD но и обучить вас применению этих принципов к исследованию проE извольных молекулярных системF В частностиD такихD которые ранее не изучались численными методамиF


Оглавление
1 Методы молекулярного моделирования 2

IFI IFP IFQ

Введение F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F Молекулярная динамика F F F F F F F F F F F IFPFI Основы метода молдинамики F F F F IFPFP Структура пакета qyweg F F F F Квантовая химия F F F F F F F F F F F F F F F IFQFI Общие замечания о вычислительных IFQFP Программа gEqewi F F F F F F

FFFFF FFFFF FFFFF FFFFF FFFFF методах FFFFF

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F

F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F

F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F

F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F

F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F

F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F

F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F

P P P Q S S T
10

2

Практическая часть

PFI PFP

PFQ

PFR

Постановка задачи F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F КвантовоEхимические расчеты F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F PFPFI Создание полноатомной модели аминокислоты F F F F F F F F F F F PFPFP Оптимизация геометрии нашей системыF F F F F F F F F F F F F F F PFPFQ Получение необходимых характеристик системыF F F F F F F F F F МолекулярноEдинамические расчеты F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F PFQFI Составление файла силового поля для валентных взаимодействий PFQFP Составление молекулярной топологии F F F F F F F F F F F F F F F F PFQFQ Составление файла топологии F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F PFQFR Составление файла параметров F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F PFQFS Оптимизация констант жесткости F F F F F F F F F F F F F F F F F F PFQFT Создание исследуемой системы и запуск молекулярной динамики Корректировка констант жесткостиF Двугранные углыF F F F F F F F F F F PFRFI Общие замечания о топологии и корректировке F F F F F F F F F F PFRFP Снятие профилей двугранных углов в квантовой химии F F F F F PFRFQ Снятие профилей в молекулярной механикеF F F F F F F F F F F F F Требования к оформлению отчета F F F Синтаксис qyweg F F F F F F F F F F Основные команды ОС vinux F F F F F F Основные команды текстового редактора FFFF FFFF FFFF sw F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F

IH IH IH II IP IQ IQ IR IU IU PI PQ PT PT PT QH
32

3

Приложения

QFI QFP QFQ QFR

QP QP QT QU

I


Глава 1

Методы молекулярного моделирования
1.1 Введение

В современном мире методы вычислительной квантовой химии и молекулярной динамики приE обретают вс? большее и большее значениеF Раст?т производительность вычислительных машинD увеличивается качество алгоритмов вычисленийY это вед?т к росту круга задачD доступных исслеE дованиюF Раст?т и доля практических задачD решаемых при помощи вычислительных методовF В рамках данной задачи большого практикума мы рассмотрим процесс расчета геометрииD силовых констант и характера молекулярных движений молекулы аланина в водеF
1.2
1.2.1

Молекулярная динамика
Основы метода молдинамики

Для расчетов молекулярной динамики применяются различные програмные пакетыD как тоX qywegD umD ghrwwD emerF В нашем случае мы будем говорить о пакете qywegF Мы будем говорить о методах молекулярной динамики на примере пакета qywegD однако все нижесказанное справедливо для любых реализаций МДF Этот пакет представляет собой набор программD предназначенных для расчета траекторий движения отдельных частей молекулыD апE проксимированной механической системой физических материальных точекD связанных набором сил 1 Алгоритм вычислений сводится к итерационному процессуD на каждом шаге которогоX IF По имеющемуся набору координат материальных точек @ядер атомовA вычисляются значеE ния силD напримерD кулоновскиеD валентные и все прочиеF PF Далее вычисляются значения ускорений для каждого центраD в соответствии со значением действующей результирующей силы и массы этого центраF QF Затем решаются уравнения движения в предположенииD что силы и ускорения не меняются во времениF Координаты центров системы для некоегоD как правилоD очень незначительногоD времени записываются в памятьF Это время называется шагом интегрированияF Новые координаты и скорости передаются на следующий шагF Такая механистическая модель далека от идеалаD но она достаточно адекватно описывает движения молекулярных структурD если достаточно точно вычислены силовые константы и шаг интегрирования не слишком великF МолекулярноEдинамические расчеты являются весьма ресурсо?мкимиD в связи с чем размер исследуемых систем невеликF Поэтому особенно важной становится проблема построения такой границы системыD которая не вносила бы в е? поведение заметных искаженийF На настоящий
1

online- reference- manual.html

Более подробную информацию о пакете можно получить по адресу .
P

http://www.gromacs.org/external/


Глава 1.

Методы молекулярного моделирования

Q

момент наиболее адекватной представляется граница в виде тFнF периодических граничный условийF Исследуемая система окружается виртуальным параллелепипедом @ящикомAD границы коE торого любая частица систему может свободно пересекатьF Но при пересечении граниD частица переносится на другую сторону системы @из координаты частицы вычитается поперечный размер ящикаAF ТFоF системаD с одной стороныD ограниченаD с другой стороны граница представлена не стенкойD а продолжением исследуемой системы " е? копиейF Необходимо ввести ещ? одно понятиеF Для ускорения расчетовD пренебрегают электростатичеE скими и ВанEдерEВаалсовыми взаимодействиями атомовD находящихся на большом расстоянииF РасстояниеD начиная с которого взаимодействия считаются малыми и не учитываются называют радиусом обрезания F Конкретная величина радиуса обрезания определяется пользователемF Макроскопические характеристики такой небольшой молекулярной системы сильно флуктуиE руютF Для поддержания среднего давления и температуры разработаны специальные алгоритмыD называемые баростатом и термостатом соответственноF Термостат вносит в систему тепловой шумD приближая распределение скоростей к нормальному Максвелловскому распределению для заданной температурыF Баростат изменяет объем ящика для создания давленияD равного заданE номуF В качестве частиц системы могут быть указанны как атомы так и другие частицы " в термиE нах разработчиков пакета " hummy etomsD виртуальные объекты соответствующие по свойствам и геометрии группам атомовD например группе "СНQ или "СНP"F Введение таких частиц позE воляет сократить объ?м вычисленийF Рассмотрим более подробно структуру пакета qywegF
1.2.2 Структура пакета GROMACS

Типы файлов:

IF СтруктурныеF BFpd формат базы данных rotein ht fnkF Хранит координаты атомовD как полученные в ходе расчетаD так и экспериментальныеD напримерD при помощи рентгеноструктурE ного анализаF В последнем случае нужно иметь в видуD что незначительные ошибки в определении положения некоторых атомов могут привести к возникновению больших сил и неустойчивости моделиF Координаты в этом формате записываются в ангстремах с точностю до QEго знакаF BFgro внутренний формат координатного файла пакета qywegD хранит координаты и скорости частицD а так же информацию о размерах расчетной области пространства " ящикаD внутри ?стенок? которого существует исследуемая системаF Координаты запиE сываются в нм с точностью до REго знакаF BFgWT то жеD что и qyD однако его точность вдвое вышеX до VEго знака после запятойF PF Файлы топологииF BFtop yology (leF формат файловD содержащих информацию о топологии молекулыD тFеF о всех длинах и ж?сткостях всех связейD о равновесных значениях углов и их ж?сткоE стях и тFдF Так же в BFtop файле содержится название системыD состав е? @сколько и каких молекул входит в системуA и ссылки на другие файлыD содержащиеD напримерD параметры некоторых молекулF BFitp snlude oology (leD файлы содержащие геометрические и силовые параметры отдельE ной молекулыF Как правилоD это топологии молекулD не вошедших в стандартный набор qywegF Расширение BFitp имеют так же файлы силового поляD содержащие инфорE мациюD о параметрах ВанEдерEВаальсовых взаимодействий атомов @BnFitpAD а так же имена и параметры типов связей и углов @BonFitpAF Пакет организован таким обраE зомD что пользователь может создать BFtop файл содержащий в себе всю информацию о данной конкретной системе в явном видеF Или жеD в случае системы состоящей из


Глава 1.

Методы молекулярного моделирования

R

многих различных молекулD создать BFtop файлD содержащий лишь информацию о коE личестве и типах молекул и ссылки на соответствующие BFitp файлы с параметрами для молекул каждого типаF Последний вариант удобнееF BFtp etom oology (leF файлыD хранящие информацию о типах частицD массы и ВанEдерE Ваальсовы радиусыF BFrtp esidue oology (leF файлы со стандартными топологиями остатков (Residue Topology) F Сюда входят стандартные топологииD напримерD аминокислотD нуклеотидовD некоE торых растворителей и тFдFF BFhd rydrogen ht fseD файлы содержащие информацию о количестве и положении проE тонов в молекулеF Эти файлы необходимы для правильного расположений протоновD тFкF рентгеноструктурный анализ не да?т информации о их положенииF Подробнее структура файлов топологии описана нижеF QF Файлы параметров или snputEфайлыF BFmdp woleulr hynmis rmeters " текстовые файлы содержащие параметры расчетовD в частностиD шаг интегрированияD количество шаговD параметры термоE и баростатиE рования и все прочие параметры моделиF BFtpr бинарный стартовый файлD начальные условия расчетаF Является результатом объедиE нения структурного файлаD файла топологии и файла параметровF RF Траекторные файлы и файлы энергийF BFtrrD BFxt бинарные файлыD содержащие координаты и скорости всех частиц системы во все моE менты времени @полный и сжатый вариантыD соответственноAF BFedr бинарный файл содержащий информацию о силахD о компонентах энергии системы и об их изменении во времениF Также в этих файлах хранится информация о температуреD давлении и поверхностном натяжении в системеF SF ИндексEфайлыF BFndx предназначены для передачи программам пакета qyweg информации о группах атомовD связей или других структурD с которыми необходимо провести те или иные действияF НапримерD требуется выбрать из траекторного файла координаты центра масс определ?нной молекулы воды или все длины С"Н связейF BFndx файлы текстовые и могут быть созданы и отредактированы вручнуюF TF Файлы результатовF BFxvg текстовые файлыD создаваемые многочисленными утилитами пакета qyweg и соE держащие различную информациюD напримерD автокорреляционную функциюD вычисE ленную для какогоEлибо параметра или временной ход температуры в системеF BFmtx файлы матрицD хранящиеся в бинарном форматеD используютсяD например при хранеE нии матрицы Гессе в ходе расчета нормальных колебаний системыF
Программы пакета GROMACS. * Подготовка структуры. Набор программ, осуществляющих преварительную обработку структурных файлов. p db2gmx:

Мощный инструментD обрабатывающий BFpd файл с интересующей структурой и геE нерирующий для не? BFgro и BFtop файлыF Утилита также осуществляет протонирование сиE стемы согласно имеющемуся BFhd файлу и созда?т ящикF При работе pdPgmx обращается к базе стандартных топологий BFrtp иD в случае отсутствия в ней молекулD присутствующих в системеD выда?т сообщение об ошибкеF


Глава 1.

Методы молекулярного моделирования

S

editconf:

Осуществляет конвертацию структурных файловD может создать ящик и разместить в н?м исследуемую системуF Также способна повернутьD сместить и центрировать систему относительно ящикаF Заполняет свободное место в ящике указанным растворителемF

genb ox:

* Вычислительные програмы.Програмы для непосредственной установки расчета, продолжения расчета и пр.. mdrun:

основная программа пакетаF Осуществляет расч?т молекулярной динамики системы по описанному выше алгоритмуF Получает на вход бинарный BFtpr файлD на выходе да?т траE екторный файл @BFtrrA и файл энергий @BFedrAF Также на выходе записвается BFgWT файл с финальными координатами и BFlog файлD в котором в текстовом формате записываются промежуточные результаты и другая дополнительная информацияF препроцессорD обрабатывает структурные файлы @BFgroAD файлы топологии @BFtopA и файл параметров @BFmdpAF На выходе да?т inputEфайл для mdrun @BFtprAF Препроцессор осуE ществляет сборку полного файла топологииD а также осуществляет предстартовую проверку параметров моделиF Этот раздел составляет основную массу программF Среди них есть программы умеющие изE влекать информацию из бинарных траекторных файловF В частностиD gtr j экстрагирует из траекторного файла координатыD скорости и силыD а genergy экстрагирует необходимую информацию из файла энергийF mkendx предназначена для создания индекс файловF

grompp:

* Обработка траекторий.

1.3
1.3.1

Квантовая химия
Общие замечания о вычислительных методах

КвантовоEхимические расчеты основаны на численном решении уравнения Шредингера различE ными методамиF Исходно первым быстрым численным методом был метод ХартриEФокаD где волновая функция системы электронов искалась как линейная комбинация атомных волновых функцийF Такое приближение носит название Метода Молекулярных Орбиталей как Линейной Комбинации Атомных Орбиталей @ММОEЛКАОAF Особенность метода ХФ заключается в томD что межэлектронные взаимодействия заменяются взаимодействием каждого электрона с усредE ненным полемD создаваемым всеми электронамиF Из названия метода видноD что молекулярная орбиталь аппроксимируется линейной комбиE нацией атомных орбиталейF Базис атомных орбиталей задаются исходно пользователем и наE зывается базисом расчетаF Как правилоD для аппроксимации атомных орбиталей выбирается в качестве базисной функции линейная комбинация гауссианF Точность расчета в большой мере определяется величиной базисаF Ограниченный метод ХратриEФока пригоден для систем с замкнутыми электронными обоE лочкачиD то есть на каждой орбитали находится по два спаренных электронаF Для разомкнутых систем применяется неограниченный метод ХартриEФокаD который затрачивает вдвое больше процессорного времениD чем ограниченныйF Метод ХартриEФока имеет два очень существенных недостаткаF ВоEпервыхD отсутствует учет энергии корелляцииD или энергии ВанEдерEВаальсовских взаимодействийF За счет усреднения поE ля всех электроновD корелляция движения электроновD которая может присутствовать в системе усредняется и не учитываетсяF ВоEвторыхD в таком расчете не учитываются взаимодействия возE бужденных электронов с невозбужденнымиD вычисленные энергии возбужденных состояний не верныF ИзEза этого метод ХартриEФока нельзя использовать для расчета спектровF Улучшить расчет в рамках ХартриEФока можноD воспользовавшись теорией возмущений М?ллераEПлессетаD которая позволяет учитывать дополнительные межэлектронные взаимодейE ствияD не вошедшие в уравнения ХФD как возмущениеF


Глава 1.

Методы молекулярного моделирования

T

Существует еще два мощных метода расчетаX расчет при помощи Теории Функционала ПлотE ности @hpA и расчет методом МногоEКонфигурационного Взаимодействие @wggpAF Теория функционала плотности позволяет вычислить энергию системы для заданного эмпиE рического функционалаF Метод очень удобен в примененииD то есть не нужно задавать никаких специальных параметров расчетаD кроме собственно функционала плотностиF Расчеты с hp позволяют корректно учесть энергию корелляцииF wggpD напротивD расчет очень сложный как для его корректной настройкиD так и для проE цессораX wggp " самый долгий вид расчетаF К нему уместно прибегать если нужна очень высоE кая точность вычислений и если вам необходимо расчитать спектр молекулыF Метод основан на представлении конечной волновой функции линейной комбинацией основного и возбужденных состоянийF Возможно комбинирование wggp и метода теории возмущенийF ИногдаD наоборот требуется упрощения расчетаF Существует ряд полуэмпирических методов для расчета по типу ХартриEФокаX wQD ewIF Такой расчет занимает существенно меньше проE цессорного времени и хорошо подходит для оценочных расчетовF Существуют дополнительные поправкиD улучшающие расчетF К таким поправкам относитE ся учет окружения @расстворителяAF Он может производиться в рамках Модели Поляризуемого Континуума @gwA или в модели СамоСогласованного Реакционного Поля КирквудаEОнзагера @gpAF Оба метода конструируют полостьD куда помещается система и вычисляют наведенный на непрерывном диэлектрике исследуемой системойF gp строит сферическую областьD а gw строит область со сложной поверхностьюD образующуюся при совмещении сфер с центрами на каждом атоме системыF gw на сегодняшний день представляется наилучшим способом учета окруженияD однако если ваша система имеет большое число атомовD то необходимо самостояE тельно задавать полостьD что может оказаться неудобнымF Кроме того в g qewi gw не поддерживается некоторыми видами расчетовD например rpD yrpF Существует множество компьютерных программD осуществляющих квантовоEхимические расE четыF Самые известныеX qussinD EqewiD uEqewiD gEqewiF Программы qussin и uEqewi платныеD мы пользуемся программами Eqewi и gEqewiF Программа gEqewi используется на наших компьютерах в непараллельном режимеD расчеты на клаE стере НИВЦ могут использовать до QP процессоров одновременноF
1.3.2 Программа PC-GAMESS

Запуск программы pgmess из любого окна терминала осуществляется коммандойX nie EIW pgmess Ei input(leFinp Eo input(leFout Ef 8

xie EIW префикс понижения приоритета " требуетсяD чтобы пока расчет идетD можно было спокойно работатьF Символ 8 необходимD чтобы освободить расчет от консолиF Параметры расE чета и координаты системы должны быть указаны в файле inputfileFinpD результаты расчета программа будет выводить в файл outputfileFoutF sxEфайл qewi состоит из так называемых группF Начинается группа со слова 6имягруппы и заканчивается словом 6endF Первый символ каждой строки sxEфайла считается за комE ментарийD поэтому устанавливайте его всегда в пробел для удобстваF Комментарии в sxE файле начинаются со знака 3F Таким образом вы можете закомментировать любую строкуD доE бавив перед ней 3F Подробно опишем все необходимые нам группы и параметры каждойX
$CONTROL

Задаются основные параметры расчетаF

SCFTYP

Задает тип конечной волновой функции @по умолчанию rpAF RHF " расчет простым ограниченным методом ХартриEФокаD дальнейшие настройE ки в группе 6gpF ROHF " расчет ограниченным методом ХартриEФока для систем с незамкнутыми оболочкамиD тFеF пространственные части спинEорбиталей со спинами CIGP и EIGP не различаютсяF UHF " неограниченный метод ХартриEФокаD тFеF проE странственные части спинEорбиталей со спинами CIGP и EIGP оптимизируются незавиE


Глава 1.

Методы молекулярного моделирования

U

симоF MCSCF " расчет методом мультиEконфигурационного взаимодействияF ДальE нейшие настройки в группах 6wggp и 6hiF
MAXIT

Максимальное количество итераций в процедуре самосогласованияF По умолчаE нию PHD можно увеличитьD если gp не сходитсяF Одновременно рекомендуется измеE нить контроль сходимости в группе 6gpF

DFTTYP

Если значение параметра заданоD расчеты выполняются методом теории функE ционала электронной плотностиF Задает тип функционалаF Мы будем всегда пользоE ваться B3LYP5 " гибридный функционалF Задает цель расчетаF ENERGY " расчет энергии системыD нахождение молекулярных орбиталей и парE циальных зарядов в данной геомерииF OPTIMIZE " оптимизация геометрии систеE мыF GRADIENT " выполняет расчет по типу ENERGYC расчет градиентов энерE гии системы по координатам ядер атомовF HESSIAN " выполняет расчет по типу GRADIENT C матрица вторых производных энергии системы по координатам ядер атомовF Указывает должна ли программа выполнить расчет или только проверить входE ной файлF x выполнить расчет @по умолчаниюAF CHECK " проверить синтаксис и прF входного файлаF
UNIQUE

RUNTYP

EXETYP

COORD

Задает тип координат используемых для задания положений атомов системыF " использовать декартовы координатыD задаются только уникальные с точE ки зрения симметрии атомыF CART " использовать декартовы координатыF ZMT " использовать координаты EматрицыF Задает полный заряд системы @в зарядах электронаAF Задает мультиплетность системы в соответствии с формулой waPCID где " спин системыF Задает количество степеней свободы системы за вычетом смещения и вращения системы как целогоF В случае x частиц и нелинейной молекулы равно QxETF СоответE ствующие внутренние координаты должны быть заданы в группе 6weF Именно они будут оптимизироваться при оптимизации геометрии системыF Если параметру приE своено значение H @по умолчаниюA для оптимизации будут использованы декартовы координаты атомовF В последнем случае внутренние координаты можно не задаватьD однако сходимость процедуры оптимизации геометрии при этом существенно ухудшаE етсяF Задаются параметры касающиеся взаимодействия qewi операционной систеE Задает лимит времени исполнения программы в минутахF

ICHARG MULT

NZVAR

$SYSTEM

мойF

TIMLIM

MWORDS

Задает количество миллионов слов @по V байтA оперативной памяти доступной программеF Всего памяти на компьютере IHPR МбD доступную память можно посмотE реть программой gkrellmP или htopF

$BASIS

Можно задать один из предопределенных наборов базисных орбиталей который будет использован при расчетахF
GBASIS

Задает тип используемого для расчетов набора базисных орбиталейF N31 " исE пользовать валентнорасщепленный набор контрактированных гауссовских функцийF Каждая невалентная атомная орбиталь представлена линейной комбинацией x гаусE совских функций с фиксированными коэффициентамиF Каждая валентная атомная орбиталь описывается линейной комбинацией из двух функцийD одна из которых предE ставляет собой линейную комбинацию трех гауссовских функций с фиксированными коэффициентами а другая одну гауссовскую функциюF PM3 " полуэмпирический баE зисD при указании такого базиса интегралы ХартриEФока будут вычисляться неявноD


Глава 1.

Методы молекулярного моделирования

V

но с помощью упрощенных схемF MINI, MIDI, MAXI " базисы группы японского ученого ХузинагиD урезанныйD стандартный и расширенный наборы соответственноF
NGAUSS

Задает количество контрактированных гауссовских функций используемых для описания невалентных атомных орбиталей при использовании валентнорасщепленных наборов базисных орбиталей @xQIAF Задает количество поляризационных функций dEтипа которые следует добаE вить в набор базисных орбиталей каждого тяжелого атомаF Значение параметра не может превосходить QF Задает количество поляризационных функций pEтипа которые следует добавить в набор базисных орбиталей каждого атома водородаF Значение параметра не может превосходить QF

NDFUNC

NPFUNC

DIFFSP

Флаг @параметр принимающий два возможных значения " ИСТИНА @FFA либо ЛОЖЬ @FpFAAD указывающий на необходимость добавить в набор базисных функций тяжелых атомов диффузные функции @с большой экспонентойAF ФлагD указывающий на необходимость добавить в набор базисных функций водоE родов диффузные функцииF

DIFFS

$GUESS

Можно выбрать алгоритм генерирующий начальные вектора разложения молекулярE ных орбиталей по базисным функциям которые затем оптимизируются процедурой самосоE гласованияF Значение этого параметра непосредственно задает используемый алгоритм HUCKEL использовать расширенный метод Хюккеля в базисе wsxsF Если установить MOREADD начальные орбитали будут читаться из группы 6igF Группу 6ig с орбиталями можE но скопировать из файла xgr предыдущих расчетов этой системыF Количество орбиталейF Актуально для GUESS=MOREADF

GUESS

NORB $ZMAT

В группе задаются координаты в которых будет выполняться оптимизация геометрии и ряд других параметровF ФлагD указывающий использовать тFнF делокализованные координатыD представляюE щие собой линейные комбинации внутренних координатF

DLC

AUTO

ФлагD указывающий автоматически сгенерировать xe линейно независимых делокализованных координатF МассивD содержащий xe линейно независимых внутренних координатX связейD угловD двугранных углов и прFF

IZMAT

$PCM

Если во входном файле присутствует группа 6gw расчеты будут выполнены с учетом влияния на систему окруженияF Учет влияния окружения производится в рамках модели непрерывной однороднополяризуемой средыF В простейшем случае достаточно указать наE звание растворителяX SOLVNT задает тип растворителяF Допустимые значения этого параметраX eiD xiexiD iexyvF В группе задаются параметры контролирующие процедуру оптимизации геометрииF Задает максимальное количество шагов оптимизации геометрии @по умолчанию

$STATPT

NSTEP

PHAF

METHOD

Задает алгоритм оптимизацииD в числе которых метод НьютонаEРафсона @NRAD метод квадратичной аппроксимации@QAA и метод рациональной оптимизации функE ции @RFOAF Задает порог сходимости алгоритма оптимизацииD по умолчанию HFHHHI ХартриF

OPTTOL $SCF

В группе производятся настройки процедуры самосогласования в методе ХартриEФокаF


Глава 1.

Методы молекулярного моделирования

W

DIRSCF SOSCF DI IS $FORCE

ФлагD указывающийD записывать ли двухэлектронные интегралы на диск @FpFA или держать их в памяти @FFAF

ФлагD указывающий использовать метод gp второго порядка для контроля схоE димостиF ФлагD указывающий использовать метод hss для контроля сходимостиF Установки внутри этой группы актуальны для RUNTYP=HESSIANF ФлагD заставляющий qewi выписывать матрицу Гессе во внутренних коордиE натахF ФлагD заставляющий qewi исключать из гессиана поступательные и вращаE тельные движения системыF ФлагD позволяющий указывать более QxET внутренних координатF

PRTIFC

PURIFY

DECOMP $DATA

В группе задаются координаты атомов молекулярной системыF Группа имеет фиксироE ванную структуруF В случае gyyhaxsi и отсутствия симметрии группа выглядит следующим образомX

6hee IX однострочный комментарий с названием задачи PX точечная группа симметрииF Без симметрии E СI QX ИМЯАТОМА ЗАРЯДЯДРА @ в ангстремах A RX и тFдF пока не будут заданы все атомы молекулярной системой FFF 6ixh


Глава 2

Практическая часть
2.1 2.2 Постановка задачи Квантово-химические расчеты

На данном этапе перед студентами ставится задача моделирования молекулы аминокислоты @алаE нинA методами вычислительной квантовой механикиD с последующим использованием полученE ных результатов для создания молекулярноEмеханической модели аланинаF ЗадачиX IF Создание полноатомной модели аминокислотыF PF Оптимизация геометрии молекулы с учетом влияния растворителя и получение равновесE ных значений геометрических характеристик системыF QF Определение парциальных зарядов на атомах и характера ковалентных связей в молекулеF RF Исследование поверхности потенциальной энергии @ППЭA системыX E определение жесткостей валентных связей и угловD E расчет колебательного спектра молекулыD E снятие профилей потенциальной энергии системы при вращении вокруг торсионных угловF FFF
2.2.1 Создание полноатомной модели аминокислоты

Для рисования молекул будем пользоваться программой wyvF IF Нажимаем кнопку fuilder и переходим таким образом в режим создания молекулыF Вы видите кнопки различных атомов на верхней панелиF Конструирование аланина начинаем с метанаD нажав на кнопку C H4 F PF Теперь мы будем заменять отдельные атомы химическими группамиF НапримерD выделим один из водородов метана и снова нажмем кнопку C H4 " мы получили этанF Аналогичным + образом вы добавляете N H3 и C OO- группыF Чтобы удалить лишний водород на атоE ме кислородаD выделите атом кислорода и нажмите !IF Соответственно чтобы добавить водород к аминоEгруппеD выделите азот и нажмите CIF QF Готовую аминокислоту сохраните в файл с расширением hfF RF Теперь составьте такое соединениеX к gEконцу и xEконцу аланина прикрепите через пептидE ную связь по метильной группеD то есть добавьте ацетат и метиламин на концы аланинаF IH


Глава 2.

Практическая часть

II

SF Сохраните этот трипептид в другой файлF TF Закройте wyv и откройте полученные вами hfEфайлы в текстовом редакторе qswF Обратите внимание на тоD в каком порядке расположены атомыF Придайте атомам вашей системы естественныйD по вашему мнениюD порядокF Пользуйтесь командами dd " удаE лить строкуD yy " копировать строку и p " вставить строкуF Отредактируйте названия атомов для вашего удобстваD помнитеD что hfEфайл чувствителен к количеству пробеловD редактируйте строки с координатами в sxiEmodeF ДобавьтеD если таковой нет строчку svi в начало файлаF После слова svi напишите название вашей системы на английском языкеF Удалите ненужные строки комментариевF UF Закройте и сохраните ваши hfEфайлыF Теперь у вас есть два hfEфайлаD которые содерE жат координаты первого приближения двух системX аланина в состоянии цвиттерEиона и аланина в пептидном окруженииF
2.2.2 Оптимизация геометрии нашей системы.

Все работы по постановке расчетов просьба производить в директории GqmF Для создания входного файла можно воспользоваться шаблоном ? GtempltesGoptFinpF Для тоE го чтобы конвертировать hfEфайл со структурой молекулы в формат группы 6hee входного файла qewi следует воспользоваться утилитой elX el Eipd strutureFpd Eogmin strutureFinp Во вновь созданном файле strutureFinp в группе 6hee будут находиться координаты атомов в нужном форматеF Копируем содержимое файла ? GtempltesGoptFinp в strutureFinpD от файла strutureFinp оставляем только группу 6heeF После того как входной файл созданD можно запустить расчет командойX pgmess Ei strutureFinp Eo lFoptFout Не забывайтеD что перед командой следует написать nie EIWD а после поставить 8D чтобы отсоединить расчет от терминалаF Поставьте таким образом P расчета с группой 6gw и P расчета без 6gw " всего вы должны поставить R расчета оптимизацииF Необходимо распределить ваши расчеты по четырем компьютерамF На всех четырех компьюE терах ваша домашняя папка общаяD поэтому просто создайте четыре разных каталогаD поместите туда четыре sxEфайла соответственно и запустите расчет на каждом компьютереF Чтобы запустить расчет на соседнем компьютереD не садясь за негоD можете использовать командуX ssh имякомпьютера Таким образом вы оказываетесь на удаленном компьютере и можете поставить там расчетF По завершении работы программы будет создан выходной файл lFoptFout с результатами расчетовF Внимательно изучите выходной файлF Когда градиенты становятся меньше 10-4 ХартE риGбор @атомные единицы энергии и длиныA процедура оптимизации геометрии завершается и в выходной файл выводится сообщение esyxe ysx vygeihD за которым следуют оптимизированные координатыD начинающиеся со строки gyyhsxei yp evv eyw ei @exqAF Эти координаты следует извлечь из выходного файла и создать на их основе файл в формате X

x ystem xme e FFF
x " число атомов в системеY e " символ атомаY D D " декартовы координаты атомаF Затем его следует открыть программой визуального редактирования и сравнить со стартовой структуE ройF Запишите и геометрические характеристики @длины связейD валентные и торсионные углыA


Глава 2.

Практическая часть

IP

оптимизированной системы " они понадобятся для создания топологии аланина для программы молекулярной динамикиF
2.2.3 Получение необходимых характеристик системы.

Полученные на предыдущем этапе оптимизированные координаты мы используем для нового расчетаF Мы рассчитаем колебательный спектр нашей молекулыD найдем жесткости связейD ваE лентных углов а также извлечем из выходного файла другую информацию необходимую для написания топологии аланина для моделирования молекулярной динамикиF IF Для создания входного файла воспользуемся шаблоном GtempltesGhessinFinpF Ниже приE веден пример входного файла @смF Таблица PFIAF

6ontrl sftyparhf dfttypafQvS runtypahessin oordaunique ihrgaH multaI nzvraQ 3 exetypahek 6end 6system mwordsaQQ timlitaTHHH 6end 6sf dirsfaFtF diisaFtF 6end 6sis gsisanQI ngussaT ndfunaQ 6end 6guess guessahukel 6end 6pm solvntawter 6end 6zmt izmt@IAaIDIDP IDIDQ PDPDIDQ 6end 6fore purifyaFtF prtifaFtF 6end 6dt ter moleule gI y V HFHHHHHHHHHH EHFHPUIPQUWQV HFHHHHHHHHHH r I HFUSHUUVVRQP HFSRVRRQPRII HFHHHHHHHHHH r I EHFUSHUUVVRQP HFSRVRRQPRII HFHHHHHHHHHH 6end
Таблица PFIX Листинг файла hPohessFinp " получение матрицы Гессе системыF Обратите внимание на тип расчета @runtyp a hessinA а также на группу 6zmtF В ней мы задаем массив координатD в которых будет выведена матрица Гессе вторых производных полной энергии молекулярной системыF Диагональные элементы этой матрицы являются 2 жесткостями соответствующих степеней свободы @ xE AF Эти координаты задаются в виде 2
i

массива swe@IAF Элементы массива задаются через запятуюF Первый элемент указывает тип внутренней координаты @I " расстояние между атомами P " плоский уголD Q " двуE гранный уголAD за ним следуют номера атомов задающие соответствующую координату @два индекса в случае расстояния между атомамиD три индекса в случае плоского углаD и четыре индекса в случае двугранного углаAF Затем таким же образом задается следующая коордиE ната и тFдF Всего должно быть задано QxET линейно независимых@3A внутренних координатF Допускается задание до Qx внутренних координатD чтобы среди них наверняка оказались QxET линейно независимыхF Необходимо установить флаг higywF Во входной файл также добавилась новая группа 6pygiF Флаг spg указывает укаE зывает программеD что матрица Гессе должна быть выведена во внутренних координатах @по умолчанию она выводится в декартовых координатахAF Закончив редактирование входE


Глава 2.

Практическая часть

IQ

ного файла запустите расчетD предварительно удалив оставшиеся с предыдущего запуска временные файлы g qewiF PF Запустите расчет в режиме exetypahekF QF Если вы ввели линейно зависимые внутренние координатыD программа скажет вам об этом строкой "FOUND 27 LIEARLY INDEPENDENT INTERNALS. NEED 29.". Это означаетD что вам необходимо указать еще P внутренние координатыF RF Если внутренние координаты прошли проверкуD запустите расчет exetyparunF SF Если вы некорректно оптимизировали геометрию вашей системыD программа напишет об этом строкой "THIS IS NOT A STATIONARY POINT. VIBRATIONAL ANALYSIS IS NOT VALID."F В этом случае возможны два вариантаX либо ваша оптимизация геометрии прошла не до концаD либо настройки расчета для оптимизации отличались от текущихF TF Для начала извлеките из выходного файла парциальные заряды на атомах рачитанные по Малликену @"TOTAL MULLIKEN AND LOWDIN ATOMIC POPULATIONS")они понадоE бятся при создании топологииD а также информацию о кратностях связей и валентностях атомов системы ("BOND ORDER AND VALENCE ANALYSIS")F UF Найдите в выходном файле матрицу Гесса во внутренних координатах ("HESSIAN MATRIX IN INTERNAL COORDINATES")и выпишите ее диагональные элементыF Отметьте каким внутренним координатам они соответствуютF VF Найдите в выходном файле таблицу частот нормальных колебаний ("NORMAL COORDINATE ANALYSIS IN THE HARMONIC APPROXIMATION")и выпишите их частоты и интенсивностиF Не забудьте что первые шесть не являются нормальными колебаниямиD тFкF включают смещениеGвращение системы как целогоF Постройте ИКEспектр системыF Теперь для получения всей необходимой информации и создания топологии аланина нам остаE лось снять профили потенциальной энергии молекулы при вращении вокруг торсионных угловF Непосредственно в qewi сканирование ППЭ системы вдоль торсионных углов не реализоваE но и необходимо снять эти профили по точкам @делая для каждого значения торсионного угла расчет типа ixiqAF Эта процедура автоматизирована @смF ??AF
2.3
2.3.1

Молекулярно-динамические расчеты
Составление файла силового поля для валентных взаимодействий

Геометрическая структура молекулы может быть описана набором длин связей " расстояний между атомамиD значениями углов и торсионных углов @общим числом QxET1 AF Если нас интеE ресует не только мгновенное геометрическое состояние молекулыD а ещ? и динамика изменения этой структурыD необходимо знать силовые характеристики всех перечисленных валентных взаE имодействийF Если быть более точнымD в пакете qyweg необходимо определить профили потенциальной энергии для всех связейD углов и тFдFF Профили @аналитические функцииA выбиE раются пользователем из стандартного набора @смF страницу QSAF В текстовом редакторе @qimD ltr idit или любом другомA необходимо создать новый доE кументF Для редактирования топологий более уместно использовать qswD поскольку он умеет раскрашивать синтаксис этого типа файловF Необходимо помнитьD что символ Y означает комE ментарий и вс?D что написано в строке за этим символомD программами читаться не будетF Каждая строка данного файла содержит информацию о какомEлибо типе связиD угла или двугранного угE лаF В Таблица PFP приведена часть файла силового поля для валентных взаимодействийF Каждая смысловая строка данного файла начинается с ключевого слова 5de(ne @определитьAD затем " имяF Имя связи начинается с gD далее следует произвольная комбинация символов
1

3N-6 количество степеней свободы, задаваемых жесткостей может и должно быть больше.


Глава 2.

Практическая часть

IR

5define gSH P HFIIHUU IFQSVTeCHU Y rEg ond in QErd grP group of pentne 5define gSH P IHWFQRWT UFISQSeCHP Y rEgEr in rEmetylmine 5define giI P HFH ITUFRPQHW Y plnr groups RH 5define gdSH Q IHFRRRPT IIFSHVPQ UFURHHI EPPFVVTQQ VFVUIIU EITFPQQHP Y grPEgrPEgrPEgrP dihedrl in hexne
Таблица PFPX Листинг файла 'vipFitp " файла силового поля qywegF @буквD цифр и подч?ркиванийAD как правило кодирующая химические элементыD к которым отE носится данная связьD а так же параметры расчетовD при помощи которых данная связь была определенаF НапримерX 5define gggri Здесь видноD что описывается связь между двумя углеродамиD рассчитанная для гексанаF Далее через пробел следует тип связиF Это числоD обозначающее функциюD при помощи коE торой описывается потенциальная энергияF НапримерD I " означает связьD аппроксимированE ную параболойD а Q " потенциалом Морзе @смF Таблица QFIAF После типа связиD так же через пробелыD задаются параметрыF В случае параболической связи " длина @в нмA и ж?сткость @в k J ћ mol-1 ћ nm-2 A AF Процедура задания углов и двугранных углов аналогичнаF Имена углов начинаются с gD двугранных углов с gdD неправильных двугранных углов с giFТипы и необходимые паE раметры представлены в таблицеF Более подробную информацию можно почерпнуть на сайте wwwFgromsForg или ТУТF Файл необходимо сохранить в рабочую директорию с расширениE ем itp и осмысленным названиемF На данном этапе в файл силового поля необходимо записать равновесные значения для длин связейD углов и двугранных углов @ноль в пакете qyweg соответствует цисоидной конформации связиAF В качестве параметров ж?сткости углов и свяE зей следует использовать диагональные элементы матрицы ГессеD полученной на предыдущем этапе работыF Параметры торсионных углов прописывать не следует вовсеD но необходимо их перечислить и дать названияF Не забывайте писать комментарии к строкам вашей топологииD давайте связям и углам осмысE ленные названияF Вашу топологию должно быть удобно читатьF
2.3.2 Составление молекулярной топологии

В текстовом редакторе @qimD ltridit или любом другомA необходимо создать новый документF Ниже приведена часть файла молекулярной топологии @смF Таблица PFQAF Теперь подробно опишем каждый пункт файла топологииX IF Директивы препроцессораD подключающие файлы силового поляF 5inlude 4имяфайла4 Список возможных для qyweg силовых полей описан ниже @смF Таблица QFPAF Здесь же вы должны подключить файл с определенными вами константамиF PF Директива moleuletype F Одна строкаD содержащая имя молекулы " произвольноеD жеE лательно до RE?х символовD затем в строку исключенияF Исключения @nrexlA " это число соседей данного атомаD для которых НЕ будут вычисляться Кулоновские @A ВанEдерE Ваальсовы @dA взаимодействия с данным атомомF Это необходимо в связи с темD что атомы связаны ковалентными связямиD углами и тFдFD в которых уже учтены вклады d и взаимодействийF В нашем случае nrexl устанавливается в QF QF Директива toms " атомыF Каждая строка содержит следующие параметрыX @A Номер атома " по порядку от первого до nEогоF


Глава 2.

Практическая часть

IS

5inlude 4ffqRQPFitp4 5inlude 4lipidFitp4 moleuletype Y xme nrexl hg Q toms Y nr type I g P rg Q rg onds Y i I I pirs Y i j I T I U ngles Y i P P j P IQ funt I I j I I k R IQ l RP RS PS resnr residu I hg I hg I hg tom gI rII rIP gnr H H H hrge EHFQQTS HFPPSH HFPPSH mss IPFHII IFHHV IFHHV

gSP Y rEgrPEx gSQ Y gEx

gSH Y r to gr gSI Y r to gx

dihedrls Y i j k QQ QT QW QT QW RP PV QH UW

gdSI Y idge dihedrlD ner the roxyl gdSH giT

Таблица PFQX Листинг файла hgFitp " файла топологии молекулы липидаF


Глава 2.

Практическая часть

IT

@A Тип атомаF Должен соответствовать типуD обозначенному в BFtp файле подключенE ного вами силового поляF Тип атома определяет его d взаимодействие с другими атомамиF @A Номер остаткаF В нашем случае " это ID во всех строкахF @dA Имя остатка " в нашем случаеD одно и то же имя во всех строках @такое же как было указано вышеD в директиве moleuletype AF @eA Имя атомаF ОбычноD это символ из таблицы Менделеева с добавкой " номером или значащей буквойD напримерD Са " стандартное имя СEальфа атома аминокислотF А водородыD соедин?нныеD напримерD с атомом СIP называют НIPI и НIPPF @f A Группа по зарядуF Пользователю необходимо разбить молекулы на доменыD по его мнеE ниюD обладающие некоторой обособленностью и объединить их в группыF qyweg будет рассчитывать взаимодействия между этими группами как между точечными зарядамиD вне зависимости от тогоD на каком расстоянии находятся доменыF Группы нумеруются начиная с нуля и у всех атомовD принадлежащих одной группе в соответE ствующей колонке должно стоять одно и то же числоF @gA Заряд частицыF Эффективный электрический заряд атома или dummy частицыF @hA МассаF Масса атома или dummy частицы @в аFеFмFAF RF Директива onds " связиF Каждая строка содержит следующие параметрыX @A Номера центровD которые соединяет данная связьF @A Имя связиF Имя связи всегда начинается с 4g4F SF Директива pirs " ближнее взамодействиеF Для атомовD между которыми взаимодействия не учитываютсяD благодаря nrexlD можно все же учесть взаимодействия с помощью дирекE тивы pirsF Для этого просто в столбик необходимо перечислить пары номеров атомовF TF Директива ngles " углыF Каждая строка содержит следующие параметрыX @A По порядкуD через пробелы или табуляции " номера атомовD связанных данным угломF @A Имя углаD начинающееся с 4g4F UF Директива dihedrls " двугранные углыF Также здесь описываются неправильные двуE гранные углыF Они необходимы при описании структурыD которая не должна менять свою конформациюD например C атом должен соответствовать vEизомеруD а не hF Каждая строE ка содержит следующие параметрыX @A По порядкуD через пробелы или табуляции " номера атомовD связанных данным двуE гранным угломF @A Имя двугранного углаD начинающееся с 4gd4или 4gi4F Описывает структурыD которые не должны менять свою конформацюD например СEальфа атом должен соответствовать vEизомеруD а не hF Каждая строка содержит следующие паE раметрыX @A По порядкуD через пробелы или табуляции " номера атомовD связанных данным непраE вильным двугранным угломF @A Имя неправильного двугранного углаD начинающееся с 4gi4F Файл необходимо сохранить в рабочую директорию с расширением itp и осмысленным назваE ниемF


Глава 2.

Практическая часть

IU

2.3.3

Составление файла топологии

Файл топологии с расширением top " основной файл топологииD передаваемый препроцессоруF В нашем случае он не будет содержать в явном виде никаких параметровD а только ссылки на нихF Комментарии обозначаются точно так жеD как и в BFitp " точкой с запятойF Ниже приведен пример основного файла топологии @смF ??AF

5inlude 4ffqRQPFitp4 5inlude 4hghydroFitp4 5inlude 4gFitp4 system Y xme filyerD TR hg 8 IPHS wter moleules moleules Y gompound hg yv 5mols TR IPHS
Таблица PFRX Листинг файла конечной топологии " hgFtopF Таблица PFSX domdXdpptop В нашем случае BFtop файл должен содержать следующие указанияX IF Ссылку на файл силового поляF В нашем случае 'qRQPFitpF Синтаксис ссылки следующийX 5inlude 4ffqRQPFitp4 PF Ссылку на файл с определ?нными нами параметрами валентных взаимодействийF СинтакE сис точно такой жеX 5inludeD и имя файла с расширением в кавычкахF QF Ссылку на файл молекулярной топологии аминокислотного остаткаD созданный нами ранееF Синтаксис сохраняетсяF RF Ссылку на молекулярную топологию растворителя " tipRpFitpD это топология водыD с доE полнительной @четв?ртойA частицейD описывающей неподеленные электронные пары кислоE родаF В нашем случае мы используем spFitp " более простую модель водыF Эта строка необходима только для системD содержащих растворитель3 SF Директиву system D хранящую имя исследуемой системы " абсолютно произвольная строE каD без специальных знаковF TF Директиву moleules D в каждой строке которой через пробелы обозначеныX @A Имя молекулыD такое жеD как в соответствующем файле молекулярной топологииY @A количество таких молекул в системеF Количество молекул и их названия должны точно соответствовать структурному файлу и файлам молекулярных топологийF Молекулы должны перечисляться в таком порядкеD в котором они идут в qyGqWTEфайлеD это очень важно3
2.3.4 Составление файла параметров

В этом разделе рассматривается построение основного файлаD определяющего расчетыF Файл параметров @BFmdpA содержит информацию о способе расчетов @алгоритмеD радиусах обрезания


Глава 2.

Практическая часть

IV

эффективных взаимодействий и дрFAD количестве и длине шага интегрированияD термостатироваE нииD способе отображения результатов и многое другоеF Мы рассмотрим только часть параметE ровD которые могут быть заданы в явном видеF Более подробная информация доступна на сайте wwwFgromsForg или ТУТF Каждая строка файла параметров начинается с ключевого словаD означающего тот или иной параметрD затем следует символ a и значениеD характеризующее параметр @чисто или словоAF Комментарии в файле параметров обозначаются так же точкой с запятойF Можно использовать файл параметров @Таблица PFTA и отредактировать исходя из наших целейF Рассмотрим перечисE

Y gommon fetures title a сpp a integrtor a ldseed a dt a nsteps a Y un ontrol nstomm a ommmode a nstlist a nstype a rlist a roulom a rvdw a Y yutput ontrol nstxout a nstvout a nstfout a nstlog a nstenergy a

o GinGpp sd IPQVRS HFHHI IHHHH IH liner IH grid IFH IFH IFH IHH IHH IHH IHHH IHH

Y emperture oupling is on in two groups tgrps a ystem tut a HFI reft a QHH Y ssotropi pressure oupling is now on poupl a erendsen poupltype a isotropi tup a HFS ompressiility a RFSeES refp a IFH
Таблица PFTX Листинг файла estimFmdp с параметрами wh расчета ленные в файле параметрыX IF Общие.
title cpp

Название системыD после знака равенства " произвольная строкаF

Путь до предпрепроцессораD программыD занимающейся сборкой файлов топологии и проверкой их соответствия структурному файлу @указан верный путьAF


Глава 2.

Практическая часть

IW

integrator

Алгоритм вычисленийF В нашем случае понадобятся интеграторы sdD em и nmD для молекулярноEдинамических расчетов и анализа колебательного спектра моE лекулD соответственно здесь приведен пример файла предназначенного для обычных молекулярноEдинамических расчетовF

ld_seed 2

Стартовое число для генератора случайных чисел термостатаD встроенного в интеграторF dt " шаг интегрирования в псD оптимальны значенияD от HFS до HFPS фс @10-15 секAF nsteps " количество шаговF Должно быть такимD что бы суммарная длина траектории составила IH нс @10-9 секA или большеF

PF Параметры расчетов.
nstcomm

Частота с которой удаляются движения центра массD в шагах интегрированияF

comm_mo de

Способ удаления движений ЦМD в нашем случае " кодовое слово liner " тFеF удаление поступательных движенийF nstlist " частота обновления списка блиE жайших соседейD для расчета d и взаимодействий @в шагах интегрированияAF Алгоритм поиска соседейD самый простой и быстрый способ @которым мы и будем пользоватьсяA " по сеткеD кодовое слово gridF Радиус обрезания списка ближайших соседей @в нмAF Радиус обрезания электростатических взаимодействийF Радиус обрезания ВанEдерEВаальсовских взаимодействийF

ns_typ e rlist

rcoulomb rvdw

QF Контроль выхода.
nstout nstvout nstfout nslog

Частота с которой координаты атомов записываются в файл траектории BFtrrF Частота с которой в файл траектории записываются скорости атомовF Частота записи в траекторный файл силF

Частота записи промежуточных миниEотч?тов в BFlog файлF

nstenergy

Частота записи энегрийD температур и тFдF в энергитический файл BFedrF Все частоты указываются в шагах интегрированияF Важно соблюсти баланс между точноE стью записи координат и энергий и объ?мом выходных файловX если слишком часто записывать координаты в траекторный файлD его объ?м может достигнуть сотен гигаE байтF

RF Термостатирование.
tc_grps tau_t

ГруппыD в пределах которых следует поддерживать температуру на заданном уровнеF

Характерное время срабатывания термостатаD знаменатель показателя степени члена описывающего знакопеременное трение @в псAF Чем больше числоD тем более ?медленным? будет термостатF ТемператураD поддерживаемая в системе @в кельвинахAF

ref_t

SF Баростатирование.
p coupl

" алгоритм баростатированияD в нашем случае по БерендсенуF

p coupl_typ e tau_p

" геометрия баростатированияD возможно поддержание изотропного ПасE калева давления @наш случайA или нескольких видов анизотропного давленияF " имеет тот же смыслD что и в случае термотатаD это знаменатель экспонентыD описывающей поведение стенок ящикаD при отклонении давления от заданногоF

comp essibility

" сжимаемость системыD в нашем случае соответствует сжимаемости воE ды @4.5 ћ B ar-1 AF refp " давлениеD поддерживаемое в системе @БарAF Параметр актуален для баростата ПарринеллоEРахманаF

10-5

2

Необходимо для полной повторяемости in silica эксперимента.


Глава 2.

Практическая часть

PH

Y gommon fetures title a o сpp a Xgromsinpp integrtor a g nsteps a QHHH Y inergy minimiztion stuff emtol a IH nstgsteep a IHH Y un ontrol nstomm a nstype a rlist a roulom rvdw a poupl a toupl a genvel a

IH grid IFH a IFH no no no

IFH

Таблица PFUX Листинг файла iminFmdp " файла параметров для оптимизации геометрииF Для работы понадобятся ещ? два файла параметровF ОдинD предназначенный для оптимизаE ции геометрии полученной системы @Таблица PFUAD другой " для проведения анализа колебательE ного спектра молекул @Таблица PFVAF Эти файлы отличаются от рассмотренного вышеF Приведенный файл параметров предназначен для запуска процедуры оптимизации геометE рии системыF Это необходимоD воEпервыхD для устранения дефектовD неминуемо образующихся в ходе сборки системыF ВоEвторыхD оптимизация геометрии абсолютно необходима для провеE дения анализа нормальных колебанийD тFкF расчеты для системыD не находящейся в локальном минимуме энергииD не будут иметь физического смыслаF Для оптимизации используется интеграE тор g " gonjugte qrdientF Алгоритм вычислений сводится к последовательному изменению вектора координат атомов против направления градиента потенциальной энергииF Процесс заE канчивается в локальном минимуме поверхности потенциальной энергииD что и требуетсяF Для его работы необходимо задать два дополнительных параметраF emtol " значение энергииD по достижении которого система считается оптимизированной @k J ћ mol-1 ћ nm-1 AF nstgsteep " частота с которой система осуществляет операцию ускоренного спуска @в шагахAD это ускоряет процесс оптимизацииD но несколько снижает точностьF При слишком частых таких операциях возрастает вероятность локализации системы в неглубоком промежуточном минимумеF Третий и последний файл параметровD который нам понадобитсяD предназначен для анализа нормальных колебаний молекулярной системыF Пример такого файла приведен ниже @смF Таблица PFVAF Интегратор nm не предполагает итерационных расчетов молекулярных движенийF mdrun рассчитывает силовое поле для заданной конформации системыD после чего вычисляет вторые 2U частные производные полной потенциальной энергии системы по всем координатам @вида xi xj A " получается матрица ГессeF Диагональные элементы этой матрицы в первом приближении являются ж?сткостями соответствующих виртуальных осцилляторовF Далее решается задача о связанных классических гармонических осцилляторахF Математически это можно сформулироE вать следующим образомX матрица Гессе и матрица кинетической энергии совместно диагоналиE зуются путем подбора корректного координатного базисаF Компоненты такого базисаD в котором обе матрицы будут диагональнымиD будут нормальными колебаниямиD а диагональные элеменE ты матрицы Гессе и матрицы кинетической энергии будут жесткостями и массами независимых гармонических осцилляторов соответственноF


Глава 2.

Практическая часть

PI

Y gommon fetures title a сpp a integrtor a Y un ontrol nstype rlist roulom rvdw a a a a

o GinGpp nm grid IFH IFH IFH

Таблица PFVX Листинг файла xormlwodesFmdp " файла wh параметров вычисления колебаE тельного спектра системыF
2.3.5 Оптимизация констант жесткости

В созданном нами файле силового поля константы указанны не совсем точноF Это связанно с темD что вторые частные производные полной потенциальной энергии системы по какоEлибо выE деленной степени свободы не соответствуют ж?сткостямD задаваемым в топологиях qywegF Простой примерD представьте себе метильную группуF В ней заданы T углов для тр?х атомов водородаD три НСН и три НСС углаF Для каждого из них ж?сткость есть соотвF диагональный элемент матрицы Гессе полученной в ходе КХ расчетовF Но при расчете матрицы Гессе qewi чутьEчуть шевелилD в нашемD случаеD например один из НСН угловD что неминуемо влеч?т за соE бой изменение соседних угловF Поэтому в полученной константе ж?сткости содержится не только истинная ж?сткость рассматриваемого углаD но и некоторая добавка от соседних углов и свяE зейF Эта неточностьD к сожалениюD не может считаться пренебрежимо малой и от не? необходимо избавитьсяF Для этого нами создана простая программаD осуществляющая подгонку параметров силовоE го поляD так что бы частоты нормальных колебаний в qewi и qyweg совпадалиF Есть две версии этой программыX для wevef и для ygeiD по ряду причин предпочтительнее использовать вторуюF Для оптимизации значений констант ж?сткости углов и связей необходимо запустить пакет wevefF В рабочей директории сохранены все необходимые файлыD вам необходимо в командE ной строке пакета wevef запустить мEфайл topoptimizerF В качестве параметровD в апостроE фах необходимо передать программе имена следующих файловF IF текстовый файл с колонкой частот нормальных колебанийD полученных в ходе КХ расч?тов или измеренных экспериментально @частоты должны быть выражены в смEIAF PF файл параметровD предназначенный для оптимизации геометрии системы @смF вышеAF QF стартовый структурный файл с расширением BFgroD созданный на предыдущем этапеF RF файл топологииD с расширением BFtop @смF вышеAF В данном случае он не должен содержать ссылки на файл пользовательского силового поля @строка 5inlude 4hghydroFitp4в приE мере вышеAF RF файл молекулярной топологииD с расширением BFitp @смF вышеAD помните о томD что файл топологии @предыдущийA должен содержать ссылку именно на копию файла молекулярной топологииD созданную только что3 Для использования в линуксе был разработан более оптимизированный вариант скрипта topoptimizer под программу qx ygeiF Использование его предпочтительноD поскольку можно избежать многих подводных камнейD которые возникают при использовании алгоритма wevefF Файл topoptimizerFm содержит в самом начале множество настроек оптимизации @смF Таблица PFWAF Опишем некоторые из нихX


Глава 2.

Практическая часть

PP

7 7 piixg yswsesyx 7 mxstepfreq a IHHY 7 stop fter stepFFFF stepfreq a IeERY 7 for derivtives lultion empirifreq a HIHY 7 7 risex yswsesyx 7 mxstephess a HHHY stephess a IeEPY empirihess a IY 7 7 qvyfev hipsxssyx 8 psvixewi 7 grdtol aI Y emtol a IeQ Y errtol a IeESY glol gmessfile a 9fflFout9Y glol emmdp a 9inergywinimiztionFmdp9Y glol nmmdp a 9xormlwodesFmdp9Y glol strtgro a 9metutFgro9Y glol gWTfile a 9metutFgWT9Y glol topfile a 9metutFtop9Y glol itpfile a 9metutFitp9Y glol firstfreq a 9U9Y
Таблица PFWX Верхняя настраиваемая часть файла topoptimizerFmD предназначенная для запуска с помощью ygeiF
xxx_freq

Оптимизация по нормальным частотамF В этом случае из yEфайла qewi выбиE раются нормальные частоты за исключением первых rst_freq частотF Критерий качества топологии выбирается как схожесть частотD извелченных из w расчета с частотами МДE моделиF

xxx_hess

Оптимизация по компонентам ГессианаF В этом случае ваша координаты вашей МДE системы обязана должны полностью совпадать с координатам wEсистемыF Количество шагов оптимизацииF Чтобы отключить оптимизацию по гессиануD просто поставьте max_step_hess = 0F Размер шагаD влияет на точность вычисления частных производныхF Нельзя выставлять очень маленькимD поскольку точность расчетов не позволяет очень точно вычислять проE изводные и оптимизация будет расходитсяF Эмпирический параметр влияющий на скорость и точность оптимизацииD подбирается вручнуюF yEфайл qewiD расчет должен быть выполнен с xarisexF

max_step_X

step_

empiric_

gamess_le g96_le

Вы должны сконвертировать свой groE или pdE файл в qWTD при помощь программы editonfD координаты в этом формате выписываются с большей точностьюF Прочие файлы BFitpD BFtopD BFgro должны быть включеныF

X_le


Глава 2.

Практическая часть

PQ

rst_freq

Все частоты от первой доа rst_freq пропускаются программойF Иногда первые однаEдве частоты wEрасчета оказываются комплекснымиD тогда их надо исключить из сравненияF В норме мы исключаем первые T частот и устанавливаем значение параметра в UD если существуют комплексные частотыD их количество надо прибавить к UF Параметры em_mdp и nm_mdp содержат ссылки на файлы параметров оптимизаE ции геометрии и вычисления нормальных колебаний qywegD эти файлы вы учились создвать ранее @смF Подраздел PFQFRAF

X_mdp

Файл молекулярной топологии будет неоднократно перезаписанD поэтому на этом этапе рабоE ты лучше создать его копию @например ХХХoptFitpAF Кроме тогоD в этом файле необходимо в первых строках объявить варьируемые параметрыF Делается это при помощи ключевого слова 5de(neD точно так жеD как в файле силового поляF В первых строках необходимо указать только варьируемые параметрыF После списка варьируемых параметров ставится 4Y end4F Посмотрите на пример sEфайлаD правильно отредактированного для работы topoptimizer @Раздел QFPAF Для wevefEверсии программы параметры двугранных углов должны быть указаны непосредE ственно перед директивой dihedrls файла молекулярной топологии @смF вышеAF После подготовки всех файловD запустите в пакете wevef программу topoptimizerX topoptimizer@ 4qewifreqFtxt 4emFmdp 4strtFgro 4topolFtop 4sysoptFitp4AY или если вы используете ygeiEвариант программыX otve Eqf topoptimizerFm После запуска вы увидите в терминале примерно следующий листинг @Таблица PFIHAF Степень оптимизации можно увидеть по значению параметра ERRD он должен уменьшатьсяF Качество оптимизации проверяется величиной параметров MAX GRADIENT и RMS GRADIENTF Вы всегда можете остановить оптимизацию на определенном этапеD нажав gtrlCgD однако лучше подождать завершенияD поскольку программа может выбрать состояние с минимальным градиE ентомF Программа topoptimizer @wevefAD по окончании расчетов выведет на экран два столбца чисел " это частоты нормальных колебанийD соответственноD полученные в КХ расчетах и хаE рактерные для оптимизированной системыF Эти числа характеризуют аккуратность модели и их необходимо сохранить в какомEлибо виде @записать в тетрадьAF После окончания процедуры оптимизацииD в файл молекулярной топологи FitpD переданE ном программеD будут записаны оптимизированные значения констант ж?сткостиF Их необходимо перенести в файл силового поляF В нашей лаборатории были вычислены значения констант для большого количества небольE ших молекулD вроде глицеринаD метилбутиратаD метилацетата и прочихF Необходимо сравнить полученные вами константы с соответствующими константамиD полученными нами ранееF КонE станты находятся в файле topdFitp в директории GtempltesF
2.3.6 Создание исследуемой системы и запуск молекулярной динамики

В данном разделе описан порядок подготовки и запуска молекулярноEдинамических расчетов при помощи пакета qywegF В качестве стартового предполагается структурный BFpd файл с исследуемой молекулойF Справка для всех программ пакета qyweg вызывается из командной строки с использованием ключа EhD напримерD для препроцессора @gromppAX grompp Eh Результаты всегда могут быть проконтролированы визуально при помощи просмотровой проE граммы whX vmd (lenmeFgro IF Создание 4ящика4F Для создания рабочей области расчетов используется утилита editonfF Ключ Ef " имя входного структурно файла @в нашем случае BFpdAD Eо " имя выходного


Глава 2.

Практическая часть

PR

dddddddddddddddddddddddddddddddd trting yEyswsi utilite d ritten y hrFoiderg8omonI d dddddddddddddddddddddddddddddddd roessing qewi fileFFFyk roessing s fileFFFyk trting optimiztion of topology onstntsF yptimiztion ontrol prmetersX aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa iy yviexgi a IHHHFHHH wesww i a IHH qehsix yviexgi a IFHHH i si a IFHHHeEHR iy i a pi aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa sing itpEfile 4metutFitp4F yptimize urrent set of onstntsX gyxex 5I gwfgyg P IPHFHHH IFWURQWPTRRUeCHQ gyxex 5P gwfygy P IPHFHHH VFIRHPWTUQTReCHP gyxex 5Q gwfggy P IPHFHHH WFRRWPUVUHWReCHP gyxex 5R gwfggye P IPHFHHH VFTTVQRRHVRReCHP trting onvergne proedureX aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa e iy a IFUTRVHWeCHT i I i a HFWWWHTTQRUU | we qehsix a IFPRReCHQ | w qehsix i P i a HFWWVSHQUWVP | we qehsix a VFIPUeCHP | w qehsix i Q i a HFWWUVQRSVUS | we qehsix a RFVTPeCHP | w qehsix i R i a HFWWVIPQRVWR | we qehsix a IFPSQeCHP | w qehsix i S i a HFWWVIQVHUHS | we qehsix a RFIVQeCHP | w qehsix i T i a HFWWVVUTRIPR | we qehsix a RFSUPeCHP | w qehsix PS7

a a a a a a

UFIPQeCHP RFUIReCHP PFURTeCHP VFRHSeCHI PFIQHeCHP PFVUWeCHP

Таблица PFIHX Листинг работы программы topoptimizer @ygeiA для метилбутиратаF структурного файла @в нашем случае BFgroAF Необходимо передать три размера @в нмA под ключом "oxD а так же передать ключ E " вание молекулыF Минимальный размер ящика должен быть больее чем uto' для и d взаимодействий @в нашем случае больше editonf Ef (lenmeI Eo (lenmeP Eox E PF Заливка исследуемой системы растворителемF Для дальнейших расчетов нам понадобятся как система с растворителемD так и без негоD поэтому файлD полученный на предыдущем этапеD удалять не следуетF Растворитель в систему добавляется автоматическиD при помощи утилиты genoxF Программе необходимо передать структурный файл с исследуемой систеE мой @ключ EсрAD структурный файл с молекулами растворителя @ключ EsD в нашем случае " tipRpFgroAF Выходной файл " под ключом EоF genox Ep (lenmeIFgro Es (lenmePFgro Eo (lenmeQFgro QF Подготовка файлов топологии @BFtopAD нам понадобятся два файла " для системы в вакууме и для системы в растворителеF Первый был создан ранееD второй отличается дополнительE ной строчкой со ссылкой на файл молекулярной топологии воды и строкойD содержащей имформацию о количестве молекул воды в системеF утилите размер ящикаD означающий центрироE чем в два раза большеD P нмAF


Глава 2.

Практическая часть

PS

RF Создание входного файла для оптимизации геометрииF Для этого используется препроE цессор gromppF Препроцессору необходимо передать файл параметров @Ef AD файл стартоE вой структуры @EA и файл топологии @EpAF На выходе @EоA препроцессор выдаст входной файл для основного инструмента пакета qyweg mdrunF Сначала необходимо провести оптимизацию геометрии исследуемой системыF Для этого на вход программе пода?тся соE ответствующий файл параметров и структурный файлD полученный ранееF Оптимизацию геометрии необходимо провести как для аминокислоты в вакуумеD так и для аминокислоты в водеF grompp Ef (lenmeIFmdp E (lenmePFgWT Ep (lenmeQFtop Eo (lenmeRFtpr SF Запуск процедуры оптимизации геометрииF Все процедуры расчетов в пакете qyweg осуществляются программой mdrunD которой на вход пода?тся один единственный файл с расширением FtprF На выходе mdrun выда?т траекторный файл @Eo AD файл с конечными координатами атомов @структурныйD BFgroD EAD файл энергий @EeA и логEфайлD в котором содержится отч?т с промежуточными итогами расч?тов @EgAF Сейчас нас будет интересовать выходной BFgro файл " хранящий координаты атомов оптимизированной системыD а так же траекторный файл @BFtrrAF Остальные файлы не имеют принципиального значенияF mdrun Es (leIFtpr Eo (lePFtrr E (leQFgWT Ee (leRFedr Eg (leSFlog Полученные файлы нужно сохранить в рабочей директории с пометкой 4opt4F TF Запуск молекулярной динамикиF Цель расчета " получить карты Рамачандрана для своE бодной аминокислоты в растворе и вакуумеD а так же наблюдение нормальных колебаний молекулы в вакуумеF Отличия в запуске препроцессора от такового при оптимизации геометE рии в томD что входной структурный файл " оптимизированный @получен на шаге RAF Файл параметров так же другой " предназначенный для проведения расчетов молекулярной диE намики @смF пF RAF Синтаксис не отличается от шага QF Необходимо создать два входных файла " для аминокислоты в воде и в вакуумеF Запуск mdrun отличается входным файломF Необходимо помнитьD что на этом этапе осE новными файламиD содержащими результаты расчетовD будут траекторный файл и файл энергийF Они должны получить прозрачные именаF Синтаксис запуска расч?тов не отлиE чается от шага RF Результаты расч?тов хранятся в траекторном @BFtrrA и энергетическом файлах @BFedrAD которые должны получить прозрачные именаF UF Получение карт РамачандранаF На первом этапе следует создать индекс файлD в котором были бы перечислены номера атомовD образующих интересующие нас двугранные углыF Это делается вручную в текстовом редактореF Индекс фай в первой строке должен в квадратных скобках содержать имя группыD нижеD через знаки табуляции четв?рки номеров атомовD описывающие требуемые углыX

dihedr IPQR PQRT
Далее необходимо извлечь из файла траектории значения двугранных угловF Эту операE цию осуществляет утилита gngleF На вход необходимо податьX траекторный файл @BFtrrAD входной файлD с которого стартовал расч?т @BFtprAD индекс файлD в котором указаны треE буемые двугранные углы @BFndxAF Так же необходимо переключить программу на работу с двугранными углами @Etype dihedrlA и попросить записать в файл все углы @EllAF Выходной файл в формате Bxvg @EovA " текстовый файл со значениями угловF Первая колонка " вреE мя в псD вторая " среднее значение всех угловD все последующие " конкретные значения двугранных угловF Для графического отображения карты Рамачандрана мы используем


Глава 2.

Практическая часть

PT

специализированный мEфайл пакета wevefD rmplotF Этой программе необходимо пеE редать имя BFxvg файла и номера колонокD содержащих нужные значения углов @сначала угла фиD затем псиAF В командной строке wevef выполнитеX rmplot@ 4ХХХFxvg nD mAY На выходе программа выда?т карту Рамачандрана в плоском и объ?мном видеF Необходимо построить карты Рамачандрана для аминокислоты в растворе и в вакууме и объяснить наблюдаемые различияF
2.4
2.4.1

Корректировка констант жесткости. Двугранные углы.
Общие замечания о топологии и корректировке

Чтобы корректно описать поверхность потенциальной энергииI молекулы @далее ППЭA с помоE щью набора констант жесткости необходимо производить подгонку этих самых константD выE численных при помощи квантовой химииF Константы жесткости валентных связей @далее ВСA имеют высокие значенияD порядка 106 J ћ nm-2 D а диагональные элементы гессианаD соответствуE ющие этим константам на IEP порядка отличаются от недиагональныхF Иными словамиD взаимоE действие колебания ВС с другими внутренними степенями свободы практически не наблюдаетсяF Иначе дело обстоит с валентными углами @далее ВУAF Диагональные элементыD соответствуE ющие константам жесткости ВУ сравнимы по величине с недиагональнымиF Также необходимым вносить в топологию дополнительные углы для тогоD чтобы учесть общую симметрию системыF Поясним этот факт на примере молекулы этана @C2 H6 AF Молекула состоит из V атомовD а значит имеет QxETaIV степеней свободыX U валентных связей @I СEСD T gErAD I торсионный угол @rEgEgE rA и IH валентных угловF ОчевидноD в эту десятку должны входить T rEgEg и R rEgErF Однако у нас имеется T возможных rEgEr угловD и исключение любых двух приведет к тому что один или несколько водородов станут отличаться от остальныхD что нарушит симметриюF Поэтому в такой топологии необходимо указывать константы для всех TEти rEgEr угловF Таким образом констант становится на две большеD чем QxETF ОчевидноD константы жесткости углов в этане должны быть занижены какимEлибо образомF О томD как это сделатьD подробно сказано было выше @смF Подраздел PFQFSAF Совсем ничего не быE ло сказано о торсионных углах @далее ТУAD а ведь изменения именно этих внутренних координат приводят к крупным конформационным перестройкам в белкахD липидахD нуклеиновых кислотах и прочих макромоллекулахF Константы ВУ и ВС рассчитывались вблизи положения равновеE сияD поскольку далекие от равновесия положения ввиду большой величины этих констант при комнатной температуре не достигаютсяF ТУD напротивD имеют низкие эффективные константы жесткости и при комнатной температуре успевают за время расчета пробежать все значенияF Для ТУD более важным является точное описание вдали от равновесного положенияD то есть необходимо снимать профиль потенциальной энергии по ТУF Это также оказывается нетрудно сделать нашими програмными средствамиF
2.4.2 Снятие профилей двугранных углов в квантовой химии

Основной вклад в энергию торсионного угла вносит электронная корелляцияD поEдругому " сиE ла ВанEдерEВаальсаF Поэтому расчет энергии ТУ в программе g qewi должен включать либо теорию возмущений М?ллераEПлессетаD либо Теорию Функционала Электронной ПлотноE сти @hpAD либо какуюEлибо другую поправкуD позволяющую учитывать энергию электронной корелляции @wggpD напримерAF Это делается добавлением в sxEфайл @а именно в группу 6gyxvA одну из следующих строкX hpiafQvS или другой функционалF Для ТФПF wvivaP or R Для теории возмущений МEПF В g qewi не реализовано сканирование энергии по ВУ и ТУF Однако имеется программаD которая умеет производить такое сканированиеD называется она yeyF yey не производит никаких расчетовD но лишь строит повернутые конформации и заставляет расчетную программу вычислять энергииD собирая значения и выписывая их в таблиE цыF Расчетной программой может быть qewi или qyweg в зависимости от цели расчетаF


Глава 2.

Практическая часть

PU

Попробуем научиться пользоваться этой программой и снимем ею профиль энергии ТУ rggr молекулы этанаF IF Заведите новую папку irhsrX

6b mkdir irhsr или для пользователей m G urusderX pU
PF Восьму el и переведи файл optFxyz в файл optFgWTF

6b el Eixyz optFxyz EogrWTn optnewFgWT
QF Скопируйте из папки GtemplteGrottor все файлы в вашу папкуF

6bp GtemplteGrottorGB F Или pS для пользователей m G urusderF
Теперь необходимо рассказать о правилах запуска этой программыF На вход этой програмE ме подаются Q файлаX on(gFiniD indexFndx и ваш hfEфайл @или qWTEфайлAF В файле indexFndx расположены настройки определения центра вращенияD осей вращения и тех моE лекулD которые нужно вращатьF Формат файла вы видите в листинге @смF Таблица PFIIAF Определение файла sxhiFxhX
[ любое_слово ] atom_n номер_атома

@если атом является центром вращенияA
номер_атома1 номер_атома2 номер_атома3

@ось вращения задается осьI a от первого до второго атомаD осьP нам ненужнаA 0 0 @эти цифры нам не нужныA
номер_молекулы

@номер@аA молекулD которые необходимо вращатьA
[ end ]

Таблица PFIIX Описание определения файла sxhiFxh для программы yeyF RF Отредактируйте ваш hfGqWTEфайлD согласно примеруF Номера атомов и номера молекул указываются в indexFndx такимиD какими они стоят в hfGqWTEфайлеF Вот пример hfE файла для молекулы этанаF Исходно он выглядит следующим образомX

svi eyw eyw eyw eyw eyw eyw eyw eyw ixh

I P Q R S T U V

irexi wyvigvi gI ir I rQ ir I rR ir I rS ir I gP ir I rT ir I rU ir I rV ir I

EHFUSP HFHHI EHFIRI EIFISV HFWWI HFHUH EIFPRH EHFUQU HFRWT EHFWPR EHFPRW EIFIVV HFUSP EHFHHI HFIRI IFISV EHFWWI EHFHUH HFWPR HFPRW IFIVV IFPRH HFUQU EHFRWT

IFHH IFHH IFHH IFHH IFHH IFHH IFHH IFHH

HFHH HFHH HFHH HFHH HFHH HFHH HFHH HFHH

Мы будем вращать водороды @атомы PDQDRA вокруг атома углерода @IA вдоль оси gg @S IAF Это значитD что наша молекула должны быть разбита на две молекулыF ОднаD содержащая атомы ID PD QD RD SY другая " атомы TD UD VF hfEфайл должен быть изменен следующим образомX


Глава 2.

Практическая часть

PV

svi eyw eyw eyw eyw eyw eyw eyw eyw ixh

irexi wyvigvi I gI ir I P gP ir I Q rQ ir I R rR ir I S rS ir I T rT iP P U rU iP P V rV iP P

EHFUSP HFHHI EHFIRI HFUSP EHFHHI HFIRI EIFISV HFWWI HFHUH EIFPRH EHFUQU HFRWT EHFWPR EHFPRW EIFIVV IFISV EHFWWI EHFHUH HFWPR HFPRW IFIVV IFPRH HFUQU EHFRWT

IFHH IFHH IFHH IFHH IFHH IFHH IFHH IFHH

HFHH HFHH HFHH HFHH HFHH HFHH HFHH HFHH

SF А indexFndx должен выглядеть такX

rggrirexi tomn I SIQ HH I ixh
Согласно этому примеруD отредактируйте ваш indexFndxF TF Теперь перейдем к файлуD определяющем остальные настройки системыD файлу on(gFiniF Ниже приведен его синтаксис @смF Таблица PFIPD красным выделены те параметрыD которые мы будем изменятьF Остальные параметры необходимы для корректной работы программы изменять их не рекомендуетсяF yey способен работать в трех режимахX снятие энергии с помощью qewiD снятие энергии при помощи qyweg и создание анимации вращающегося ТУF Это поведение програмы регулируется параметром estimtype в группе monterloF
estim_typ e=ANIME

E создание анимацииY E снятие энергии qewiY E снятие энергии qywegF

estim_typ e=GAMESS

estim_typ e=GROMACS

Вращение по ТУ задается параметрамиX fistepx a HFI E шаг снятия поверхности @в радианахAY firngex a HD TFPV E диапазон сканирования @в радианахD за H принимается исходE ная конформацияAF Каким образом названия атомов в hf файле будут соотноситься с названиями атомов в sxEфайле qewic Эта информация указывается в файле qmmdFiniF UF Вы можете создать один qmmdEфайл в домашнем каталоге и добавлять в него неизвестные атомы при каждом новом расчетеF Создайте файлX vi ? GqmmdFini Введите в него все атомы из hfEфайлаD для этого откройте окно с hfEфайломF НапиE шитеX Xvsplit ? GirhsrGoriginFpd inter Переключение между окнами gtrlCw wF Выделите блок с названиями атомовX gtrlCv C вправоEвлевоEвверхEвнизF


Глава 2.

Практическая часть

PW

Скопируйте этот блок @клавиша yAD и вставьте в ваш qmmdFini @клавиша pA Теперь пеE рейдите в режим редактирования @клавиша iA и справа от каждого имени атома напишите через пробел его обозначение в таблице Менделеева и порядковый номер вот такX gI g T rQ r I Выйдите из режима редактирования @igA и выйдите с сохранением @P разаD поскольку открыто P файлаAF Xwq inter Xwq inter Ваш qmmdFini файл готовF Осталось прописать путь до этого файла в блоке glol файла on(gFiniF Измените этот параметр следующим образомX qmmdmp a ? GqmmdFini VF Теперь установим estimtype a exswi для создания анимации и запустим программу yeyX 6brottor Ei indexFndx Ef originFpd E on(gFini Eo ttFsf WF Анимация будет лежать в файле iswGoutputFpdF Чтобы просмотреть е?X 6bvmd iswGoutputFpd 8 Если анимация оказывается вернойD значит все параметры установлены правильно и можно перейти к запуску yeyEа с estimtype a qewiD то есть к сканировании энергии по ТУF IHF Отредактируйте группу gmessD прописав там нужные вам параметры для вычисления энерE гий @те параметрыD что там есть можно и оставитьA и запускайте yey3 X

6brottor Ei indexFndx Ef originFpd E onfigFini Eo qmFsf
IIF Через некоторое время профиль будет готовF Когда выполнение завершитсяD просмотрите файл таблицы энергийX

6bt qmFsf
УдостоверьтесьD что значения энергий реальныF IPF Чтобы нарисовать график и фитировать егоD воспользуемся програмой gnuplotX

6bgnuplot bplot 9qmFsf9 with lines
IQF График выглядит как косинусD этот двугранный угол очевидно относится к простому праE вильному типу @смF вышеAF Будем аппроксимировать его соответствующей функциейX

bf@xAakB@IEos@nBxEdAA bfit f@xA 9qmFsf9 using @6HBHFIAXI vi kDnDd bplot xaHXPBpi 9qmFsf9 using @6HBHFIAXID f@xA
6HBHFI означает умножить номер строки на HFI и взять в качестве оси ХF IRF Константы фиттирования хранятся в файле (tFlogF Выведем последние SH строк в файл ethneFdihF

6btil En SH fitFlog b ethneFdih
3

Желательно запускать ROTATOR в отдельном окне терминала, нажав, например

Ctrl+Alt+F1.


Глава 2.

Практическая часть

QH

Отредактируйте этот файлD вычленив из него константы kDn и d и запишите в форматеD пригодном для топологии @смF Подраздел PFQFIAF
2.4.3 Снятие профилей в молекулярной механике.

Эта процедура существенно сложнее предыдущейD зато расчет занимает десятки секундF ПереE числим по шагам основные этапы работыX IF Создадим макет топологии нашей системыF Не будем включать туда жесткости валентных углов и связейD а также торсионные углыF В топологии должны стоять те заряды атомовD которые вы будете потом использоватьD и которые были получены на предыдущем этапе работы @смF Подраздел PFPFQAF Откроем файл топологииX gvim ethneFitp Как устроен файл топологии было написано выше @смF Подраздел PFQFPAF Здесь не будет групп ngles и dihedrlsD а будут только группа onds и группа pirs4 F Причем в группе onds будут проставлены только связи типа "connection"F То есть пара атомовD цифра SD еще пара атомовD S и тFдFF PF Отредактируем файл on(gFiniF ВоEпервыхD необходимо указать estimtype a qywegF ВоEвторыхD нужно выбратьD какую именно энергию необходимо получать молекулярной динамикойF Если группа pirs не указанаD то необходимо устанавливать numenergy a QD в противном случае это число SF QF Запустим yeyD записав поверхность в файл mdFsf FF RF Повторите все действия с программой gnuplot для построения графикаF SF Теперь вычтем графикD полученный молекулярной механикойD из графикаD полученного квантовой химиейD для этого скопируйте колонку значений из файла mdFsf и поставьте ее справа от колонки значений qmFsf F TF Теперь снова запустите gnuplotF И выполните следующие действия

bplot xaHXPBpi 9qmFsf9 using @6HBHFIAXI title 9w9D 9qmFsf9 using @6HBHFIAXP title 9ww9D 9qmFsf9 using @6HBHFIAX@1-PA title 9wEww9
UF Вы нарисовали разностный профиль энергии двугранного углаF Именно его необходимо фиттировать и использовать в дальнейшем построении топологииF

bfit f@xA 9qmFsf9 using @6HBHFIAX@1-PA
VF Сохраним все три графика в файл в формате xq @для вставления в отчетAF

bset terminl png bset output 9ethnehhFpng9 bplot xaHXPBpi 9qmFsf9 using @6HBHFIAXI title 9w9D 9qmFsf9 using @6HBHFIAXP title 9ww9D 9qmFsf9 using @6HBHFIAX@1-PA title 9wEww9 или вместо последней команды просто breplot

Група pairs используется в особых случаях, когда поведение двугранный угол не удается описать в рамках уравнений силового поля
4


Глава 2.

Практическая часть

QI

`inputFrottorb `glolb vergesme aH rrngexis aH fistepx a HFI firngex a HD TFPV fistepy a HFP firngey a HD H inputefile a input outputefile a output qmmdmp a qmmdFini mxerrors aI `glolFendb `monteErlob monterlo a H estimtype a qewi energyunits a ktGmol zerominenergy a I `monteErloFendb `noexeb writesinglefile a I `noexeFendb `gromsb topfile a FFGpropFtop mdpfile a GhomeGomonIGyiGiEewsxiGhsrihGenerFmdp numenergy a I onemol a I oxsize a HFVD HFVD HFV `gromsFendb `gmessb 6gyxv xaixiq gparp hpafQvS sgreqaH 6ixh 6fes qfesaxQI xqeaT xpxgaI xhpxgaI 6ixh 6iw wyhaIH 6ixh 6gp hsgpaFF 6ixh 6qi qiarguiv 6ixh 6gw yvxaegiyxi 6ixh 6hee sxqvi ysx ixiq yp yeih irexi gI `gmessFendb `ommentb pinding rggr rottion hsrihev onstnt for the ithne moleule in egiyxi solventF TQIIEfQvSEgw `ommentFendb `inputFrottorFendb
Таблица PFIPX Показательный листинг файла gyxpsqFsxs прграммы yeyF


Глава 3

Приложения
3.1 3.2 Требования к оформлению отчета Синтаксис GROMACS
METBUT.ITP Пример файла топологии молекулы.

5define 5define 5define 5define Yend

gwfgyg gwfygy gwfggy gwfggye

P P P P

IPHFHHH IPHFHHH IPHFHHH IPHFHHH

IFWSQIITRSPQeCHQ UFTRPTRRURWWeCHP WFSQRIPVWVUHeCHP VFTRTIRPHQUWeCHP

5define gwfgg P HFISR UFHQPPUQTQHPeCHT 5define gwfrg P HFIIH WFRQRSWVQVQHeCHT 5define gwfgg P HFISI SFHIUSWQUPSIeCHT 5define gwfgggg P IIPFIQH VFVRQSRVHIPReCHP 5define gwfggg P IIQFSUH IFHRPHVHVQTTeCHQ 5define gwfrgg P IHWFPHH WFITTHUHIIUHeCHP 5define gwfrgg P IIHFWWH TFQTITSIRPIPeCHP 5define gwfrgr P IHUFTTH VFWSISSSPWUTeCHP 5define gwfrgg P IHUFTTH SFIIPISWUHSUeCHP 5define gwfrmg P HFIHW IFHPSUUPQPPUeCHU 5define gwfyegm P HFIRU SFPHVWQWSTTIeCHT 5define gwfgye P HFIQV TFSPUQWPHRWIeCHT 5define gwfgy P HFIPR IFWRHSITIVWQeCHU 5define gwfrgy P IHVFPHH SFVVPWRRQSWQeCHP 5define gwfrgmr P IIIFHSH QFIUPTQTRTRQeCHP 5define gwfrgg P HFIIH IFPHQSWQRHPSeCHU 5define gwfggg P HFISR QFUHWSSUVVSIeCHT 5define gwfrg P HFIIH IFIQHPSQHSTIeCHU 5define gwfrggg P IIIFPPU RFURTTITIPHVeCHP 5define gwfrggr P IHUFTVI PFTTSUSVUUTUeCHP 5define gwfrggg P IHWFRHI QFSRWQTRVVWIeCHP 5define gwfrgr P IHTFHWS RFPRRITQIIWWeCHP Yend Y dihedrls 5define gdwfgggy Q CHRFHR EHHFIT EHSFWQ CHIFSI CHHFPS EHHFSV 5define gdwfgggg Q CHIFRP CIUFVU CHHFQS EIWFSR CHQFQU EHIFPS 5define gdgyyplnr P IVHFHH VHHFH Y derived from wethylEeette Y EdihE QP


Глава 3.

Приложения

QQ

5define gdwfggyg Q 5define gdwfgygr I Y EonE Y derived from propne Y EdihE 5define gdwfrggg I Y EonE moleuletype wf Q toms I P Q R S T U V W IH II IP IQ IR IS IT IU HI HI HI HI HS HS HS HV HV HV II II IQ IR IR IR I S S g rg rg rg g rg rg g rg rg g y ye g rg rg rg I I I I I I I I I I I I I I I I I wf wf wf wf wf wf wf wf wf wf wf wf wf wf wf wf wf gI rII rIP rIQ gP rPI rPP gQ rQI rQP gg yg yi gw rwI rwP rwQ

QQFHR CHWFQQ CRHFSW EHIFSR EHHFVR EHQFSS H HFSH Q

H QFSV Q

I I I I P P P Q Q Q R R R S S S S

EHFPTQU HFHWSQ HFHWSQ HFHWSQ EHFIVHQ HFIIPS HFIIPS EHFPRWR HFISUP HFISUP HFUVSW EHFTPRR EHFURRH HFHTTW HFIPVH HFIPVH HFIPVH

IPFHHHHH IFHHUVP IFHHUVP IFHHUVP IPFHHHHH IFHHUVP IFHHUVP IPFHHHHH IFHHUVP IFHHUVP IPFHHHHH ISFWWRWI ISFWWRWI IPFHHHHH IFHHUVP IFHHUVP IFHHUVP

onds HP gwfrgg HQ gwfrgg HR gwfrgg HS gwfggg HT gwfrg HU gwfrg HV gwfgg HW gwfrg IH gwfrg II gwfgg IP gwfgy IQ gwfgye IR gwfyegm IS gwfrmg IT gwfrmg IU gwfrmg pirs II I IP I IQ I

ngles


Глава 3.

Приложения

QR

Y P Q R P P Q Y U T U T U Y W IH W IH W Y I S Y V IP V II Y IS IT IU IS IS IT HP IU HI HS HV IQ

EggE I S gwfrggg I S gwfrggg I S gwfrggg I Q gwfrggr I R gwfrggr I R gwfrggr EgE S I gwfrggg S I gwfrggg S V gwfrgg S V gwfrgg S T gwfrgr EgE V S gwfrgg V S gwfrgg V II gwfrgg V II gwfrgg V IH gwfrgr E S V gwfgggg V II gwfggg gyy II IP gwfggy II IQ gwfygy II IQ gwfggye IQ IR gwfgyg EgmE IR IQ gwfrgy IR IQ gwfrgy IR IQ gwfrgy IR IT gwfrgmr IR IU gwfrgmr IR IU gwfrgmr dihedrls HI HS HV IR IQ II HS HV II HV II IP II IQ IR II IP HV gdwfrggg gdwfgygr gdwfgggg gdwfgggy gdwfggyg gdgyyplnr

Листинг 1. Листинг файла metbut.itp, пригодного для работы с программой top_optimizer.


Глава 3.

Приложения

QS ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В qyweg

name

directive

atm

fun

constants sp ecied

ond qWT ond onnetion onstrint vtGgoulF IER ngle qWT ngle proper dihedrl
multiplicity

onds onds onds onstrints pirs ngles ngles dihedrls dihedrls dihedrls

P P P P P Q Q R R R

I P S I I I P I P Q

b0 (nm)D kb b0 (nm)D kb F F F nothing F F F F nothing F V ( a), W ( a) 0 (deg )D k 0 (deg )D k max (deg )D

(k J ћ mol (k J ћ mol FF FF

-1 -1

ћ nm ћ nm

-2 -4

) )

(k J ћ mol-1 ћ rad (k J ћ mol-1 ) k (k J ћ mol-1 )D

-2

)

improper dihedrl f dihedrl

0 (deg )D k (k J ћ mol-1 ћ rad C0 - C5 (k J ћ mol-1 )

-2

)

Таблица QFIX Основные типы взаимодействия в qyweg СИЛОВЫЕ ПОЛЯ qyweg
название описание силового поля

'gmx 'gmxP 'qRQFF 'opls 'mer

официальное силовое поле qyweg официальное силовое поле qyweg с водородами @только белкиA qywyWT силиовое поле для биологических и органических молеE кулD ориентировано в осноном на расчеты в вакууме yptimiztion otentil por viquid imultion " силовое поля для расE четов в расстворителеD имеет IHHH типов атомовD содержит опредеE ления для белковD нуклеиновых кислот и липидов Силовое поле группы emerD ориентировано на расчеты НК и белков Таблица QFPX Основные типы взаимодействия в qyweg


Глава 3.

Приложения

QT

3.3

Основные команды ОС Linux

ОСНОВНЫЕ КОМАНДЫ
whoami pwd cd

GhomeGstudent

mkdir

dirnme ls GhomeGstudent
ls

!lh GhomeGstudent (leIFxyz (lePFxyz (leIFxyz (lePFxyz

cp

mv

rm rm

(leFxyz !rf dirnme

clear htop vim

(leFxyz man md

ктояc показать путь до текущего каталога перейти в каталог /home/student или домашний каталог если команE да вызвана без параметровF создать каталог dirname вывести содержимое каталога /home/student или текущего каталога если команда вызвана без параметровF вывести содержимое каталога с дополнительной информацией о файлахF создать копию файла le1.xyz с именем le2.xyzF Если не указан полE ный путь файла операция выполняется в текущем каталогеF переименоватьGпереместить файл le1.xyz в le2.xyzF Если не указаE ны полные пути до файлов файл будет переименованF Если второй параметр указывает на каталогD файл будет перемещен в этот катаE логF удалить файл le.xyz удалить каталог рекурсивно и не задавать лишних вопросовF очистить экранF вызвать диспетчер задачF текстовый редактор @открыть файл le.xyz AF отобразить справку по команде cmd СТАНДАРТНЫЕ ИМЕНА КАТАЛОГОВ текущий каталог каталог уровнем выше текущего домашний каталог корневой каталог ваша флешка YA

. ..


/ /mnt/ash

ПЕРЕНАПРАВЛЕНИЕ ПОТОКОВ
cmd > le.txt

cmd >& le.txt cmd1 | cmd2

перенаправить сообщения выводимые программой в файл le.txtF Сообщения об ошибках выводятся на экранF перенаправить все сообщения выводиE мые программой в файл le.txtF перенаправить сообщения выводимые программой cmd1 программе cmd2F


Глава 3.

Приложения

QU

3.4

Основные команды текстового редактора VIM

НАВИГАЦИЯ
[[ ]] <Ваше_слово> ?<Ваше_слово> '<символ> m<символ>

В начало документа В конец документа Поиск Вашеслово вперед Поиск Вашеслово назад Прыжок на закладку символ Установить закладку символ РЕЖИМЫ Режим Режим Режим Режим редактирования замены построчного выделения блочного выделения

Insert или i Insert в i-режиме v Ctrl+v

РЕДАКТИРОВАНИЕ Копировать содержимое выделения в буфер `символb символ>p Вставить содержимое буфера `симE волb начиная с позиции курсора Ctrl+R <символ> в То же самое iEрежиме y Копировать в буфер 4 p Вставить из буфера 4 d Вырезать в буфер 4 d<число>d Вырезать `числоb строк y<число>y Копировать `числоb строк
символ>y