使用GROMACS计算分子间相互作用

类别:    标签: gmx   阅读次数:   版权: (CC) BY-NC-SA

GMX将分子间相互作用分为范德华相互作用和库伦相互作用. 范德华相互作用是短程相互作用, 所以大部分能量都以 EVdw-SR 体现, 而长程部分以色散校正的形式体现, 即 EDisper.-corr.. 库伦相互作用即静电相互作用, 是长程相互作用. GMX处理静电时可以采用两种不同的方式, 截断和PME. 前者用于孤立的团簇体系, 后者用于周期性体系. 如果使用截断方式, 库伦相互作用就是简单的对势加和, 分解也很简单. 如果采用PME方式, 截断距离内的短程库伦 ECoulomb-SR 和倒易空间中的长程库伦 ECoul.-recip. 加起来才是整个体系的库伦相互作用. 这种方法也是能够写成对势累加形式的, 但过于麻烦, 所以一般程序不会支持, 因此也就导致没法直接将整个库伦作用分解到分子之间的贡献. 所以, 使用GMX计算两种或者两种以上分子的分子间相互作用时, 利用能量组功能, 可以直接得到分子间的范德华相互作用, 但对于分子间的库伦作用, 如果你使用了PME的话, 就只能通过相互作用的定义进行计算.

理论是这样, 但实际大多数时候, 我们需要计算的, 或者说我们感兴趣的都是一些孤立分子之间的库伦相互作用, 而不是这些分子处于周期性盒子中, 具有一定浓度情况下的库伦相互作用. 所以你在要进行PME的库伦相互作用能分解之前, 先想一想, 这是不是你需要的. 如果不是, 那你使用简单截断方法, 将截断值设为无穷大, 就可以得到结果了.

如果你铁了心要进行PME库伦相互作用的分解, 那就继续向下看.

方法

体系中有A, B两种分子, 离子和水, 要计算A, B两种分子之间的相互作用

1. 使用 gmx trjconv将A, B的轨迹提取出来

gmx trjconv -f md.xtc -s md.tpr -n -o AB.xtc

2. 使用GMX的 rerun 方法, 重跑一遍轨迹, 计算AB体系中的相互作用.

首先需要AB体系的 AB.tpr文件, 所以先抽取一帧只含AB分子的构型

gmx trjconv -f md.gro -s md.tpr -n -o AB.gro

编辑拓扑文件, 只留下A和B, 保存为 AB.top, 然后生成tpr文件, 并重跑

gmx grompp -f md.mdp -c AB.gro -p AB.top -o AB.tpr
gmx mdrun -s AB.tpr -rerun AB.xtc -e AB.edr

此外, 要获得只含A和B的tpr文件, 使用gmx convert-tpr -n可能更方便.

3. 将轨迹中A组分和B组分的轨迹分别提取出来, 分别用上述方法重跑一遍轨迹, 分别得到A体系和B体系的能量

4. 使用 gmx energy 分析计算相互作用的能量

具体计算方法如下表所示:

  
能量项 AB A B A-B
EVdw-SR V1 V2 V3 V1-V2-V3
EDisper.-corr. D1 D2 D3 D1-D2-D3
ECoulomb-SR C1 C2 C3 C1-C2-C3
ECoul.-recip. R1 R2 R3 R1-R2-R3
Etotal V1+D1+C1+R1 V2+D2+C2+R2 V3+D3+C3+R3 (V1+D1+C1+R1)-(V2+D2+C2+R2)-(V3+D3+C3+R3)
注:AB为A和B整个体系的相互作用;A-B为A和B之间的相互作用.

示例

下面是计算的两种染料分子(各27个)之间的相互作用, 在水溶液中, 染料分子均呈阴离子形式存在(每个染料分子均带两个负电荷).

溶液中, 染料分子间的平均非键相互作用能(100 ns至200 ns)  
分子间能量项(kJ/mol) E(AB) E(A) E(B) 分子间相互作用能ΔE(A-B)
vdw LJ(SR) -2362.31 -1044.44 -647.835 -670.035 -672.487
Disper.-corr. -4.28051 -1.02088 -0.80754 -2.452
coulomb Coulomb(SR) 51184 28962.4 22365 -143.4 2743
Coul.-recip. 27988.2 12809.1 12292.7 2886.4

由于计算的染料是都是阴离子, 相互之间形成聚集体, 虽然短程静电相互作用为负值, 但长程静电相互作用为正值, 总的静电相互作用能为正值, 并且总相互作用能也为正值.

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