蛋白质间分子动力学模拟及数据分析报告
分子动力学模拟实验报告doc
分子动力学模拟实验报告篇一：分子动力学实验报告 md2分子动力学实验报告（ XX 至 XX 学年第_2_学期）班级：姓名：学号：实验名称：晶体点缺陷成绩：一、实验目的计算空位形成能和间隙原子形成能。
探究形成的空位和间隙原子所在的位置不同其形成能的变化。
以及空位和间隙原子的浓度不同时其空位能和间隙原子形成能的变化。
二、实验原理点缺陷普遍存在于晶体材料中，它是晶体中最基本的结构缺陷，对材料的物理和化学性质影响很大。
根据点缺陷相对于理想晶格位置可能出现的几种主要偏差状态，可将其命名如下：（1）空位：正常节点位置上出现的原子空缺。
（2）间隙原子（离子）：指原子（离子）进入正常格点位置之间的间隙位(本文来自：小草范文网:分子动力学模拟实验报告)置。
（3）杂质原子（离子）：晶体组分意外的原子进入晶格中即为杂质，杂质原子若取代晶体中正常格点位置上的原子（离子）即为置换原子（离子），也可进入正常格点位置之间的间隙位置而成为填隙的杂质原子（离子）。
一般情况下，空位、间隙原子都是构成晶体的原子或离子偏离原有格点所形成的热缺陷。
在一定温度下，晶体中各原子的热振动状态和能量并不同，遵循麦克斯韦分布规律。
热振动的原子某一瞬间可能获得较大的能量，这些较高能量的原子可以挣脱周围质点的作用而离开平衡位置，进入到晶格内的其他位置，于是在原来的平衡格点位置上留下空位。
根据原子进入晶格内的不同位置，可以将缺陷分为弗伦克尔（Frenkel）缺陷和肖特基（Schottky）缺陷。
点缺陷都只有一个原子大小的尺度，因此不容易通过实验对其进行直接的观察。
而且实验方法研究缺陷时利用较多的还是缺陷对晶体性质的影响。
例如，通过测量晶体的膨胀率和电阻率的变化规律，即可对点缺陷的存在、运动和相互作用等方面展开间接的研究。
分子动力学方法对金属材料原子尺度物理和化学过程的研究具有实验法无法比拟的优势，可直观的模拟和分析晶体中的点缺陷。
若我们搭建完整晶体的原子个数为N，能量为E1，通过删除和增加一个原子得到空位和间隙原子，充分弛豫后体系能量为E2，则空位形成能Ev 和间隙原子形成能Ei分别为：三、实验过程（1）进入2_point文件夹$cd口2_point（2）运行in.inter文件，得到Cu的八面体间隙原子的图像，以及体系的总能量的变化，计算出八面体间隙原子的形成能。
分子动力学模拟分析
分子动力学模拟分析分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation，简称MD）是一种计算模拟分子运动的方法，可以研究分子的结构、动力学和相互作用等，对物质性质和功能的研究有重要作用。
在材料科学、化学、生物学等领域中得到广泛应用。
本文将从MD模拟基础、模拟流程及分析研究结果三个方面进行阐述。
一、MD模拟基础MD模拟的基础是牛顿力学和统计物理学，其中牛顿三定律和万有引力定律描述了分子的运动和相互作用；玻尔兹曼分布定律、统计力学中的最大熵原理以及热力学第二定律等描述了系统的宏观性质和热力学性质。
MD模拟将牛顿力学和统计物理学相结合，通过数值计算方法，从初状态的分子坐标、速度和势能等信息出发，重复计算分子在某个温度、压力下的运动轨迹和性质，模拟时间可以从纳秒到毫秒，有关联的分子之间，模拟精度可达到亚埃。
二、模拟流程MD模拟的主要流程包括体系构建、体系平衡和体系生产等阶段。
体系构建需要先定义体系的边界、所包含分子种类及其数量、分子初始坐标等，这一阶段可以是手动构建，也可以是从实验数据中获取分子坐标信息进行加工。
体系平衡一般需要先进行一个大规模的能量最小化，在此基础上，对体系进行一个温度和压力逐步升高或下降的过程，使体系逐步达到平衡态，也可以调整体系的偏倚参数，如盒子尺寸等，最终得到较为合理的平衡态体系。
在体系平衡的基础上，进行体系生产，对于所需要的性质，如动力学参数、能量铁达方程、径向分布函数、自相关函数等，在进行生产时需要对体系进行约束，如固定温度、压力、含水量等，得到精确的分子性质描述。
三、分析研究结果对MD模拟结果的分析对研究者而言极为重要，主要是对数据的可视化及其统计分析。
一般可以采用分析软件如VMD、GROMACS等对MD的轨迹文件进行可视化，对于分子的运动、某些物理性质的演化、分子图像变化等，可以做出一系列的动画或动图。
对于性质的统计分析，一般需要进行采样过程，对一定时刻内的数值进行平均，这样可减小误差。
蛋白质的结构动力学模拟技术
蛋白质的结构动力学模拟技术蛋白质是生命体系中最为重要的分子之一。
它们担任着许多生命过程的核心角色，包括细胞分裂、催化化学反应、传递信号等等。
因此，了解蛋白质的结构和功能对于生物学和医学领域的研究都是至关重要的。
然而，蛋白质的复杂结构和功能机制使得对它们的研究变得非常具有挑战性。
传统的实验方法，如X-射线晶体学和核磁共振技术，都有其限制，因为它们无法提供在生理条件下直接观察蛋白质运动的能力。
为了解决这个问题，科学家们开始寻求计算方法来模拟蛋白质的结构动力学。
这些模拟的方法基于最初的分子动力学（MD）方法，它们可以用来模拟蛋白质在不同结构和环境下的运动。
最初的MD模拟方法是基于牛顿经典动力学定律，模拟原子在带电核的作用下的运动，运用这一方法可以预测给定条件下的分子内部结构和运动的状态。
然而，由于计算复杂度的限制，值得注意的是最初的模拟只能对非常小的系统进行模拟。
随着计算机硬件和算法技术的发展，这项技术已经得到了迅速的发展。
现在可以在大约100万个原子的系统中进行模拟。
此外，新的适用于高效MD模拟的算法，如GPU加速的MD和快速MD，已经涌现出来。
有几种类型的MD模拟方法，它们的目的和优点各不相同。
其中一个常用的方法是固定原子MD。
这个方法的优点在于它可以使我们浏览蛋白质的结构空间，搜索最为稳定的结构。
随着分子动力学的进行，原子位置会被松动，使蛋白质逐渐调整自己的构象到更加稳定的状态。
在模拟过程中，一个重要的衡量模型质量的方法是根据物理性质计算蛋白质结构的稳定性。
这可以通过众多的势函数来实现，其中包括动态采样、MLP 势和GNN 势。
最后，MD模拟方法为研究蛋白质的结构和行为提供了一种非常有价值的工具。
然而，任何模拟结果都需要通过实验验证，以确保观察到的行为在实验条件下是可重现的。
另一方面，由于计算方法和算法技术的不断改进和创新，模拟蛋白质结构的技术将能够产生更加准确和广泛的结果，从而推动生物医学研究和进一步开发更好新药物。
生物物理学中蛋白质动力学和分子模拟研究
生物物理学中蛋白质动力学和分子模拟研究生物物理学是研究生命体系中生物体及其分子结构与功能之间相互关系的学科。
生物物理学在研究生物体中的基础分子如蛋白质、核酸等时，动力学是其研究的重要方向之一。
蛋白质是生物体内最重要的有机分子之一，也是最具功能性的分子。
因此，蛋白质动力学及分子模拟研究在生物物理学研究中具有重要的地位。
一、蛋白质动力学蛋白质动力学主要是描述蛋白质分子中的结构和步态在动力学条件下的变化过程。
主要研究蛋白质在非稳态条件下的动态行为，如其构象变化、折叠、解折叠、聚合等。
蛋白质结构是其功能的基础，而蛋白质动力学则揭示了蛋白质在生命过程中的动态变化过程。
蛋白质动力学研究基于分子动力学仿真和蛋白质结晶学等技术，可以通过计算机模拟来理解蛋白质的运动与结构演化。
二、分子模拟分子模拟是指利用计算机对具有分子结构的物质进行仿真的一种方法。
能够在计算机虚拟环境中对其进行可控、可重复的实验研究。
其应用广泛，包括研究有机化学、材料、药物等领域。
在生物领域，分子模拟技术可用于解析生物分子在不同环境下的构象变化、相互作用及动力学过程，揭示蛋白质分子间的交互作用方式，深入探究生物分子的结构、功能和性质。
三、蛋白质动力学仿真蛋白质动力学仿真是通过计算机模拟蛋白质在分子水平上的动态变化过程，即在体系中进行受力、扭曲和变形等行为。
分子动力学方法以牛顿运动定律为基础，模拟物质粒子在温度、压力等力学条件下的运动规律。
简而言之，蛋白质动力学仿真可以大大地缩短研究蛋白质动力学行为的周期，快速预测蛋白质结构的变化，以及蛋白质与其他生物体系统的相互作用。
此外，通过对大量计算机模拟数据的评估，可以优化能量表面，预测蛋白质的构象、稳定性和折叠动力学过程。
四、分子动力学仿真的应用生命科学中的分子动力学仿真多应用于生物大分子的结构和功能研究领域，这主要涉及到以下几个方面的应用：1）药物筛选及设计。
通过模拟蛋白质与药物之间的相互作用，发现新药物、解析药物作用机理及优化药物性质，加速药物研发流程。
分子动力学结果分析
dt
v(0) v(t)
0
❖ Shear viscosity
1
dt xy (t) xy (0)
VkT 0
❖ Thermal conductivity
T
1 VkT
2
0
dt
q(t)q(0)
N
v vi
i 1
N
xy
mivixviy i1
当模拟的材料为纯的材料时 ， 扩散系数被称为自扩散系数。 扩散系数与 平均平方位移有关。由爱因斯坦关系知 ， 平均平方位移等于 ２Dt ， 在 三维情况下 ，
Slope here gives D
r2
t
r 2 (t )
1 N
ri2 (t )
剪切粘滞系数
总结
❖ Diffusivity
D
1
Vd
物性参量可以根据原子的坐标和速度通过统计处理得出 ， 在统计物理 中可以利用系综微观量的统计平均值来计算物性参量值 ， 即
在分子动力学中 ， 使用了时间平均等于系统平均的各态历经假设 ， 即
虽然各态历经假设在热力学统计物理中没有证明 ， 但它的正确性已被 实验结果证明是正确的.
温度 T
在正则系综 （NVT ）中 ， 体系的温度为一常数 ； 然而在微正则系综 中 ， 温度将发生涨落。温度是体系最基本的热力学量 ， 它直接与系 统的动能有关 ， 即
如果x和y是不同的物理量 ， 则关联函数称为交叉关联函数（crosscorrelation function) 如果x和y是同一量 ， 则关联函数称为自关联函数（autocorrelation function） 。
蛋白质结构动力学模拟方法及相关算法改进
蛋白质结构动力学模拟方法及相关算法改进蛋白质是生物体中一类重要的大分子，其结构和功能与其三维构象密切相关。
蛋白质结构的动力学模拟方法给予了我们研究蛋白质内部运动和相互作用的有效手段。
本文将介绍蛋白质结构动力学模拟的一些常用方法，并对相关算法的改进进行探讨。
一、蛋白质结构动力学模拟方法1. 分子动力学模拟方法：分子动力学模拟（Molecular Dynamics，MD）是一种经典的计算方法，其基本思想是通过求解牛顿运动方程，预测蛋白质的时间演化过程。
分子动力学模拟方法可以提供关于蛋白质内部结构、构象变化和功能特性等方面的重要信息。
2. 蒙特卡洛模拟方法：蒙特卡洛模拟（Monte Carlo，MC）是一种随机模拟方法，常用于模拟蛋白质构象空间的探索。
通过定义合适的能量函数和采样算法，蒙特卡洛模拟可以对蛋白质的构象空间进行搜索，从而研究蛋白质结构的动力学行为。
3. 聚类分析方法：聚类分析方法可以对蛋白质动力学模拟轨迹进行分析，确立构象的重要类别和转变路径。
聚类算法可用于将模拟轨迹中的结构分组，并通过计算构象之间的相似性指标，得到蛋白质的自由能面和构象转变机制等信息。
二、蛋白质动力学模拟算法的改进1. 计算效率的提升：蛋白质动力学模拟需要进行大量的计算，其计算效率直接影响了模拟的速度和可行性。
为了提高计算效率，研究人员通过引入并行计算和加快计算速度的硬件设备，如图形处理器（GPU），来改进算法的计算效率。
2. 势函数的改进：蛋白质结构动力学模拟中所用的势函数会影响模型的准确性和稳定性。
研究人员通过改进势函数的参数和形式，以提高模拟结果的准确性和可靠性。
例如，在描述蛋白质之间的相互作用时，引入可变剪切长度和可变非键力参数，可以更精确地描述蛋白质和溶剂的相互作用。
3. 模型的改进：传统的动力学模拟方法通常使用全原子模型或粗粒化模型进行蛋白质的描述。
近年来，研究人员提出了多种新的模型，如混合全原子和粗粒化模型，以平衡精度和计算效率的需求。
蛋白质间分子动力学模拟和数据分析报告
蛋白质的结构和对接
在进行模拟之前，我们首先要获得的是蛋白的结合配体后的复合物结构，蛋白和配体 复合物如果已经被测出来那是最好不过的了，但是如果没有，就需要我们用软件将蛋 白质与其配体进行对接。蛋白质间的对接常用的软件有Zdock，GRAMM，Hex 等， 以上的三种软件都有本地版和在线版，简单的直接用在线版，提交两个蛋白的结构之 后，网站进行计算后将结果发给我们。还有一种极端情况是我们所研究的蛋白质的结 构没有被测出来，只有该蛋白的氨基酸序列。在这种情况下，在对接前我们可以将该 蛋白的氨基酸序列提交给I-TASSER onlie（也分为本地版和在线版）来预测出该蛋白的结 构。
坐标文件
> quit ambpdb -p complex_water.prmtop < complex_water.inpcrd > final.pdb #final为自己命名,将拓
扑文件和坐标文件联合生成一个pdb文件,可以用看图软件打开确定水盒子的坐标
开始模拟
一、确定水盒子坐标 打开vmd,载入final.pdb文件,在Extensions 里的Tk/Tcl中依次输入: set everyone [atomselect top all] measure minmax $everyone #修改NAMD配置文件中的cellBasisVector measure center $everyone #修改NAMD配置文件中的cellOrigin
二、确定所需文件是否完全 所需文件包括：complex_water.prmtop,complex_water.inpcrd,run.conf #run.conf为NAMD的配置文件，本次模拟设置的参数全部在里面。
分子动力学模拟实验中的数据分析方法
分子动力学模拟实验中的数据分析方法在分子动力学模拟实验中，数据分析方法是非常关键的一步。
通过分析模拟结果的数据，我们可以深入了解系统的结构、动力学行为以及相互作用机制。
针对不同的数据类型，有一些常用的分析方法可以应用于分子动力学模拟实验的数据处理和解释。
第一部分：结构分析方法在分子动力学模拟中，我们常常关心系统的结构以及其中的有序程度。
分子对均方根偏移（Root Mean Square Deviation，RMSD）是一种常用的方法，用于评估模拟体系结构的变动情况。
通过计算模拟构型与参考构型之间原子位置的差异，可以得到体系在模拟过程中的结构变化情况。
此外，对于大分子系统，我们常常使用半径分布函数（Radial Distribution Function, RDF）来分析体系的有序程度。
RDF是描述原子或分子间距离概率分布的函数，在计算模拟结果中，可以通过计算原子或分子的相对距离来得到。
第二部分：动力学分析方法除了结构的分析外，动力学行为也是分子动力学模拟的重要方面之一。
一种常见的方法是计算平均方位角自相关函数（Autocorrelation Function, ACF），通过计算性质的时间相关性来获得系统的动力学信息。
这可以帮助我们研究体系的弛豫时间以及不同尺度上的动力学过程。
此外，对于溶液系统，我们还可以计算自由能差异（Free Energy Difference）来分析溶解过程。
自由能差异能够帮助我们研究溶解过程的能量变化以及溶质与溶剂分子之间的相互作用。
第三部分：相互作用分析方法分子动力学模拟实验中的相互作用分析是研究系统内部和外部相互作用机制的关键环节。
通过计算相互作用能以及能量分布，我们可以了解分子之间的相互作用力强度以及作用范围。
在相互作用分析中，非共价相互作用的能量分解成键能、静电相互作用能、范德华力等不同部分。
通过分析这些相互作用能的变化，可以很好地了解体系内各个相互作用力的贡献。
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数据分析
前面的所有工作只是开始，最重要的是数据的分析处理 重要的方法后面会给出用到这种方法的参考论文
RMSD
RMSD可以用于确定复合物在模拟过程 中的稳定性。分子动力学模拟过程中， 各个分子都处于动态的运动过程，因此 整个系统处于不停的变化当中。模拟过 程的初始阶段，各个原子之间的距离还 没有找到一个平衡点，因此整个系统将 处于运动比较剧烈的的状态。然后随着 模拟的进行，原子间的相互作用将达到 平衡状态。因此RMSD将趋近于平缓。 如图，每条曲线都代表一种蛋白或一种 蛋白复合物的RMSD变化。此外，如果 一个蛋白在结合配体过程中会发生剧烈 的结构变化，其RMSD也会有所体现。 VMD有计算RMSD的工具
二、确定所需文件是否完全 所需文件包括：complex_water.prmtop,complex_water.inpcrd,run.conf #run.conf为NAMD的配置文件，本次模拟设置的参数全部在里面。
三、运行NAMD 在终端下输入：
charmrun namd2 +p 12 complex.conf > run.log &
的,两种半胱氨酸在力场文件中是用不同的 unit 来表示的,这相当于是两个完全不同的氨基酸 ,需要手动更改蛋白质文件中半胱氨酸的名字。组氨酸(His)有若干种质子态,和半胱氨酸 一样,也需要查阅文献确定它的质子态,并更改残基名称
步骤：
（1）对于Cys,通过查阅文献确定其形态,桥连的要用 CYX,自由的用 CYS （2）对于His,把原始pdb文件或做了相关突变的准原始pdb文件提交到PDB2PQR web server, 在生成的文件里查找各个HIS的pKa值,根据pKa值与pH的大小关系决定质子化状态 。即,pH>pKa, 去质子化,改为HID或HIE;pH<pKa,质子化,改为HIP。
二、去除蛋白质中的H和其他杂成分 原理:
Ambertools 自带的 leap 程序是处理蛋白质文件的,他可以读入PDB格式的蛋白质文件,根 据已有的力场模板为蛋白质赋予键参数和静电参数。PDB 格式的文件有时会带有氢原子 和孤对电子的信息,但是在这种格式下氢原子和孤对电子的命名不是标准命名,力场模板 无法识别这种不标准的命名,因此需要将两者的信息删除。除了删除氢和孤对电子,还应 该把文件中的结晶水、乙酸等分子删除,这些分子的信息常常集中在文件的尾部,可以直 接删除。处理过之后的蛋白质文件,只包括各氨基酸残基和小分子配体的重原子信息,模 拟需要的氢原子和水分子将在 leap中添加。 步骤: 输入如下命令:
蛋白质间分子动力学模拟及 数据分析
蛋白质的结构和对接
在进行模拟之前，我们首先要获得的是蛋白的结合配体后的复合物结构，蛋白和配体 复合物如果已经被测出来那是最好不过的了，但是如果没有，就需要我们用软件将蛋 白质与其配体进行对接。蛋白质间的对接常用的软件有Zdock，GRAMM，Hex 等， 以上的三种软件都有本地版和在线版，简单的直接用在线版，提交两个蛋白的结构之 后，网站进行计算后将结果发给我们。还有一种极端情况是我们所研究的蛋白质的结 构没有被测出来，只有该蛋白的氨基酸序列。在这种情况下，在对接前我们可以将该 蛋白的氨基酸序列提交给I-TASSER onlie（也分为本地版和在线版）来预测出该蛋白的结 构。
步骤：
按以下过程在终端中输入:
tleap >source leaprc.ff12SB #amber力场的所有氨基酸参数都存储在 库文件里,所以打开 leap 第一
件事便是调入库文件. >loadAmberparams frcmod.ionsjc_tip3p #载入tip3p水模型中的力场 >list #可以用 list 命令看看库里都有什么,罗列的就是库里面的 unit,包 括 20 种氨基酸、糖以及核酸还有一些常见离子的参数 >comp=loadpdb complex_NoH.pdb #载入复合物pdb文件 >solvatebox comp TIP3PBOX 10.0 #加入waterbox,TIP3PBOX 是选择的水模板名 称,10.0 是水箱子的半径 >addions comp Na+ 0 (或是Cl-)#平衡电荷 >saveamberparm comp complex_water.prmtop complex_water.inpcrd #生成最终的拓扑文件和
模拟软件及文件
1、模拟所需要的软件 NAMD，Ambertools，VMD。 NAMD为执行模拟的软件； Ambertools提供所需力场和进行结合能等的计算； VMD为成像和分析软件，将模拟轨迹进行图像呈现
2、模拟所需要文件 对接的复合物结果（pbd格式）
准备工作
Hale Waihona Puke 、特殊氨基酸处理原理: 半胱氨酸(Cys)有两种存在形态,有的是两个半胱氨酸通过二硫键相连,有的则是自由
坐标文件
> quit ambpdb -p complex_water.prmtop < complex_water.inpcrd > final.pdb #final为自己命名,将拓
扑文件和坐标文件联合生成一个pdb文件,可以用看图软件打开确定水盒子的坐标
开始模拟
一、确定水盒子坐标 打开vmd,载入final.pdb文件,在Extensions 里的Tk/Tcl中依次输入: set everyone [atomselect top all] measure minmax $everyone #修改NAMD配置文件中的cellBasisVector measure center $everyone #修改NAMD配置文件中的cellOrigin
grep -v '^.............H' complex.pdb > complex_NoH.pdb #删除H
三、生成模拟需要的拓扑文件和坐标文件
原理: 用 NAMD进行分子动力学模拟需要坐标和拓扑文件,坐标文件记录了各个质点所座落的 坐标,拓扑文件记录了整个体系各质点之间的链接状况、力参数电荷等信息。这两个文 件是由Ambertools中的leap 程序生成的。