内容发布更新时间 : 2024/12/24 20:18:40星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

预定目录 1. 分子动力学模拟概论 1.1 分子动力学模拟的发展 1.2 分子动力学模拟的基本原理 1.3 分子动力学模拟相关软件

2. 分子动力学入门 2.1 基本设置

2.2 生成蛋白质结构文件（PSF） 2.3 蛋白质的溶质化

2.4 球状水体中泛素（Ubiquitin）的分子动力学模拟 2.5 立方水体中泛素（Ubiquitin）的分子动力学模拟 2.6 简单的结果分析

3. 分析方法

3.1 平衡态分子动力学模拟分析 3.1.1 每个残基的RMSD值

3.1.2 麦克斯韦-波尔兹曼（Maxwell-Boltzmann ）能量分布 3.1.3 能量分析 3.1.4 温度分布 3.1.5 比热分析

3.2 非平衡态分子动力学模拟分析 3.2.1 热扩散 3.2.2 温度回音

4 人工操纵的分子动力学模拟（SMD） 4.1 除去水分子 4.2 恒速拉伸 4.3 恒力拉伸 4.4 结果分析

1. 分子动力学模拟概论

分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation）是指利用计算机软件，根据牛顿力学的基本原理，模拟大分子的相互作用和运动变化的研究方法。生命科学的研究往往离不开各种仪器，试管和活的有机体，通过实验手段研究生命现象背后的规律。那么，为什么我们要将生命大分子抽象成二进制数据，由计算机软件模拟其行为呢？

首先，从理论基础上讲，我们能够使用计算机模拟生物大分子的行为。生物体系非常复杂，但生物大分子如蛋白质，脂肪，多糖等也是许多原子由化学键连接起来形成的，所有原子的运动规律都符合量子力学方程，在较大尺度上也近似符合牛顿力学方程，它的行为是要受物理学基本规律支配的。因此我们可以将利用纯数学的手段，近似模拟生物大分子的行为.

其次，从研究需要上讲，我们不仅希望从宏观上研究生命大分子溶液体系的行为，还想直接研究单个生物大分子在原子尺度上的行为，而这是目前的实验仪器难以达到的。比如，我们希望直接研究蛋白质从伸展的肽链折叠成球形的具体过程，使用仪器手段只能收集到间接的数据，但使用软件模拟则可以形象直观的模拟出整个折叠过程，可以具体求算每个键能、键角的变化，研究某几个氨基酸残基之间的相互作用，以及对蛋白质折叠的意义。总之，目前的生物学研究需要我们利用计算机模拟生物大分子的行为，以弥补实验手段的限制，希望能自下而上地阐明生物大分子结构和功能的关系。

最后，从实际意义上讲，分子动力学模拟可以用来指导实验，提供思路和理论依据；分子动力学模拟所得结果的正确性也需要回到实验验证。这样，我们可以将分子动力学模拟和实验研究结合成一个整体，从而能够全面地，深入地研究生命现象的本质规律。 1.1 分子动力学模拟的发展 *暂缺相关文献

1.2 分子动力学模拟的基本原理 *暂缺相关文献

1.3 分子动力学模拟相关软件

随着分子动力学模拟技术的飞速发展，逐步形成了一些商品化的软件。应用于生物大分子领域的商品化分子模拟软件主要有InsightⅡ以及Sybyl，分子模拟是其中的一个重要的模块。InsightⅡ中分子动力学模块使用的是由美国哈佛大学Martin Karplus研究小组等开发的CHARMM（Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics），同时它本身也是一个商品化的软件。而Amber（Assisted Model Building with Energy Refinement）则是另一个非常有名分子动力学模拟软件，它是由美国UCSF的Kollman教授的课题组开发的，商业

化程度和易用性要好于CHARMM，当前版本9.0。以上两个研究小组都为其软件开发了相应的力场，并且现在已经成为分子动力学模拟的经典力场。此外免费和部分免费的软件有NAMD，Gromos，Gromacs，DL_POLY，Tinker等。

在上述软件中，我们选择NAMD作为本章的示范软件。NAMD是由美国伊利诺斯大学理论与计算生物物理研究组开发的一套分子动力学模拟软件，适用于计算生物大分子，并行计算效率非常高，可以使用Amber，CHARMM，X-PLOR，GROMACS，OPLS等多种力场，而且可以兼容Amber，CHARMM的文件格式。NAMD支持几乎所有操作系统，而且免费获取，开放源代码。如配合分子可视化、结果分析软件VMD以及格点计算软件BioCoRE则可使用更多、更强大的功能，进行更大规模的计算，可以说集众多优势于一身。

不仅如此，利用NAMD还可以进行极具特色的IMD（Interactive Molecular Dynamics，交互式分子动力学模拟）和SMD（Steered Molecular Dynamics，可控式分子动力学模拟）。在本教程中，我们将首先讲解使用NAMD进行分子动力学模拟的基本流程，然后讲解经典的结果分析方法，最后我们将简单介绍SMD的基本思想和过程。 2. NAMD分子动力学入门 2.1 软件基本设置

NAMD的最新版本是2.6版，可以从http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/ 免费得到（需要进行免费注册）。此外，我们还需要VMD作为分子可视化和辅助分析软件，可以从http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/ 免费得到，最新版本是VMD1.85 。

NAMD安装方法：事实上NAMD是不需要安装的。请新建文件夹namd-tutorial, 在该目录中新建文件夹NAMD，下载完成NAMD2.6软件包后，将压缩文件解压到文件夹NAMD中，就可以使用。 下文中为了叙述方便，我们将默认读者的NAMD主程序位于../namd-tutorial/NAMD 目录中（安装VMD程序时可以安装到任意目录，不影响教程操作）。