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[转载]向gromacs中添加小分子力场方法

2017-12-08 20:37阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2799043714

原文地址：向gromacs中添加小分子力场方法
原文作者：吴钩白

由于课题需要将小分子配体和蛋白中某残基进行共价连接，但gromacs不支持不同molecule之间的共价键设置，因而需要利用其他方法：
1．请教了sobereva老师，回答是可以将小分子和蛋白写入同一个molecule，具体的做法是在pdb2gmx生成蛋白的top文件之后，将小分子itp文件中atoms信息写在top文件中atoms一栏的最后，并修改相应的pairs、bonds、angles、dihedral等信息，同时在pdb文件中加入小分子信息，链ID与蛋白相同。
我没有这么做，主要原因是如果修改小分子的pairs等信息的话——由于需要将小分子的原子序号与上面蛋白的统一，则需要进行大量的序号的修改。
如下面两图，图1是蛋白top文件[atoms]的结尾和[bonds]
的开头，图2是小分子itp文件的[atoms]和[bonds]部分，如要写入同一molecule，需将红框中部分跟着蛋白的序号进行编号，而蓝框中则需要改为588，将小分子视为蛋白的一部分。而越大的配体在修改序号部分的工作量越大。
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图1 top文件内容
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图2 小分子itp文件内容
————————————————新方法的分割线————————————————————
3. 之前试过向力场文件中添加小分子作为新的残基，也可以达到目标，当时利用的是opls/aa力场（力场文件工整，且为全原子力场，修改方便）。【旧方法附在文后，仅供参考】
现对这种方法进行完善，可在amber99sb力场和其他力场中使用。
现用向amber99sb力场中添加小分子为例进行说明：
1）首先获得小分子的力场文件，利用UCSF chimera和acpype完成。
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图3 小分子力场文件，由acpype生成
2）之前opls/aa力场所用为opls.itp文件，而这次所用的为GMX.itp文件。所有的amber99sb力场中被修改的文件如下：
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图4 amber99sb.ff中被修改的文件
3）首先修改的是aminoacids.rtp文件，其内容是各种残基及力场本身所定义的小分子的atoms、bonds信息（如图5）。
[atoms]下第一列为原子的名称，即我们在pdb文件中所看到的名称，（如图6中红框所示）。第二列是原子类型（atomtypes），详细内容可见atomtypes.atp文件，下面的[bonds]中是原子名称，[impropers]则是improper dihedral，小分子的improper dihedral可以不写在这里。
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图5 aminoacids.rtp文件格式
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图6 原子名称
将LMB_GMX.itp文件中的[atoms]和[bonds]进行修改，如图7所示，LMB_GMX.itp文件的[atoms]部分，主要保留的为type、atom、charge，以及原子序号的nr这几列数据，并按aminoacids.rtp文件的顺序写在文件的最后面。
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图7 LMB_GMX.itp文件[atoms]
需要特别注意的是，在amber99sb力场中原子类型并不区分大小写，所以图7中type列中o、c这样的原子类型会与amber99sb中大写的O、C重复，需要修改原子类型为o1、c1。
amber99sb中的原子类型没有opls/aa中那么详尽，毕竟不是全原子力场，为原子类型命名也较容易，不像opls/aa中需要反复查证，以防重名。
[bonds]则只需要保留最后的原子名称，如图8。
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图8 LMB_GMX.itp文件[bonds]
4）然后修改atomtypes.atp文件和ffnonbonded.itp文件。
将[atoms]里出现的原子类型正式定义，如图9和图10。
其实在我们添加的小分子中，氢的各种原子类型和小分子中的氢均可不定义，因为在pdb2gmx中，加入的参数-ignh会删除所有的氢，如果定义了氢，会报错，需要加入-missing来忽略warning。通常，小分子不经过pdb2gmx这一步，所以不会被删除氢原子。
所以重要的是蓝色框中的这些原子类型。
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图9 atomtypes.atp
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图10 ffnonbonded.itp
5）之后需要修改的是LMB_GMX.itp文件。
标准的GMX.itp文件包括[atomtypes]、[moleculetype]、[atoms]、[bonds]、[pairs]、[angles]、[dihedrals];propers、[dihedrals];impropers这些部分。
这些部分中[atomtypes]写入atomtypes.atp文件和ffnonbonded.itp文件；[moleculetype]、[atoms]、[bonds]写入aminoacids.rtp文件；剩下部分可参考ffbonded.itp文件中内容。
ffbonded.itp文件主要包括[bondtypes]、[angletypes]、[dihedraltypes](propers)、[dihedraltypes](impropers)几部分，将GMX.itp文件中相应部分进行修改，主要是将各原子名称更换为相应的原子类型（重复的原子类型间作用信息可以删除，以节约时间）。
6）最后将修改好的LMB_GMX.itp文件拷贝至amber99sb.ff文件夹下，并在forcefield.itp文件中include，如图11。
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图11 forcefield.itp文件
以上是添加小分子力场的主要步骤。
——————————————————共价键的分割线———————————————————
由于课题要求，需要建立c3和SH这两种原子类型间的相互共价作用，可以用以下方法完成：
1）在ffbonded.itp中添加新的bondtypes：c3 SH。
2）在蛋白和小分子的复合物pdb文件中将小分子前的HETATM改成ATOM。并在pdb2gmx的时候加入参数-chainsep interactive，并选择no，使得两者位于同一molecule。
3）这时可以看到蛋白的top文件中LMB的atom信息。
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图12 top文件中LMB atom信息
并在蛋白的top文件中[bonds]下加入c3和SH的连接信息（我还添加了pair的信息，也不知道有没有用）。
4）在proper dihedral部分，LMB的二面角的类型需要修改成与itp文件中一致的类型。
这样就完成了！


---------------------------------旧方法的分割线-----------------------------------------------
修改过opls/aa力场方法，修改幅度较大，有致命错误，仅供参考和比较：
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这种方法有一个致命的缺点：所有的键长键角等信息均为opls/aa力场中的，而非小分子本身的。


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