GROMACS Introductory Tutorial
Gromacs ver 4.0
Author: John E. Kerrigan, Ph.D.
Associate Director, Bioinformatics
The Cancer Institute of NJ
195 Little Albany Street
New Brunswick, NJ 08903
Phone: (732) 235-4473
Fax: (732) 235-6267
Email: kerrigje@umdnj.edu
翻译：梁（leunglm@hotmail）
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GROMACS教程：蜘蛛毒素肽的研究
Yu, H., Rosen, M. K., Saccomano, N. A., Phillips, D., Volkmann, R. A., Schreiber, S. L.: Sequential assignment and structure determination of spider toxin omega-Aga-IVB. Biochemistry 32 pp. 13123 (1993)
GROMACS是一个使用经典分子动力学理论研究蛋白质动力学的高端的高效的工具[1]。这个软件包是遵守GNU许可的免费软件，可以从以下站点下载：。GROMACS可以在linux，unix，和Windows（新开发的）上使用
摘要：在本教程中，你将研究一个从漏斗形蜘蛛的毒液中分离的毒素。过去毒液毒素用来鉴定阳离子通道。钙离子通道调节这种离子进入细胞。神经信号受到神经细胞中离子平衡的高度控制。人们认为象蜘蛛毒素这类毒液中暴露的带正电的残基会倾向于与细胞离子通道入口的带负电的残基结合。本教程中的蜘蛛毒素中带正电的残基主要朝向肽链的一侧。离子通道的堵塞导致了神经信号的中断，最终导致麻痹和死亡（通过呼吸判断）。
我们将使用显性溶剂动力学的方法研究这个小肽。首先比较真空中和溶解的模型。我们将把小肽溶在水
盒子里，紧接着用牛顿运动定律加以平衡。我们还将比较和对比补偿离子在显性溶剂动力学中的影响。我们希望解决如下问题：
小肽的二级结构在动力学条件下是否稳定？
带正电的残基侧链是否主要朝向肽结构的一侧？补偿离子是保持在正电残基附近还是在
四周移动？
水在维持蛋白结构中扮演什么角？
下载pdb文件1OMB.PDB(/pdb/)
建议先用Deep View软件观察下载的文件，看是否有混乱的现象（缺失侧链）Deep View 可以补充缺失的侧链（但是，注意Deep View可能会在添加的侧链前加上特殊符
号，而且这些符号只能手工去掉！）这个pdb文件不存在侧链的缺失，我们就不必担心
了。
在你的unix主目录下建立一个名为“fwspider”的文件夹。在此文件夹下新建三个子
文件夹，分别命名为：“invacuo”“wet”和“ionwet”。用sftp将1OMB.pdb拷贝到
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fwspider的每个子文件夹中。
（重要！无论何时将一个文本文件从windows系统拷贝到unix系统，一定要转成unix
文本文件？？可以用to_unix命令（如to_unix filename filename，将filename文件转成unix
文本文件。在RedHat Linux中，用dos2unix命令。）象MS Word这类Windows文本编辑器
加入的控制符可能在unix程序中产生错误。）
用pdb2gmx处理pdb文件。pdb2gmx（查看选项用pdb2gmx –h; 其实可以用-h选项查看所有Gromacs命令的帮助文档）命令将pdb文件转换成gromacs文件并产生拓扑文件。因为本pdb 文件是由NMR产生的，含有氢原子，因此用-ignh选项忽略文件中的氢原子。-ff选项用来指定力场（G43a1 是Gromos96力
场，一个通用原子力场）。-f读入pdb文件，-o指定一个新产生的pdb文件（也可以是其它多种类型文件）的文件名。-p指定新产生的拓扑文件名。拓扑文件包含了所有力场参数（基于一开始选择的力场），因此非常重要。研究表明SPC/E 水模型[2]在水盒子模拟中表现最好。用spce水模型研究长程静电相互作用较好。因此我们用-water来指定水模型。
pdb2gmx –ignh –ff G43a1 –f 1OMB.pdb –o fws.pdb –p –water spce
建立盒子。
editconf  -bt cubic –f fws.pdb –o fws.pdb –d 0.9
用上面的命令建立了一个简单的立方体盒子。-d决定了盒子的尺寸，即盒子边缘距离分子边缘0.9nm（9Å）。理论上在绝大多数系统中，-d都不能小于0.85nm。[4]
[注释：editconf也可以用来进行gromacs文件（*.gro）和pdb文件（*.pdb）的相互转化。例如：editconf – –o file.pdb 将 转换为 file.pdb]
现在就可以用产生的文件进行真空模拟了。真空模拟就是先能量最小化，然后进行动态模拟。（思考真空模拟为何不需要位置限制动态模拟？）
在盒子中放入溶剂
genbox –cp fws.pdb – –o fws_b4em.pdb –p
genbox命令在editconf产生的盒子基础上生成水盒子。上面的命令行指定了spc水盒子。genbox命令可以在给定尺寸的盒子中加入正确数目的水分子。
设置能量最小化
用em.mdp文件。Gromacs用*.mdp文件指定所有计算的参数。看一下文件的内容。它确定
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用最陡下降法消除范德华位置冲突。编辑文件，将nsteps变成400。如果最小化不能收敛，就用nsteps=500再做一次。（最小化在400步内是能收敛的，但不同的平台可能结果会不一样。）要重做的话，必须重新运行grompp（注意：预处理器的位置在你的机器上可能不同，用which命令来定位[即 which cpp]！）
spider软件
em.mdp内容：
em.mdp文件用的重要概念：
title –标题随便取（最长64个字，简单点好）
cpp –指定预处理器的位置
define –传递给预处理器的一些定义。–DFLEXIBLE 告诉grompp将spc水模型而非刚性SPC包含进拓扑文件，以便用最陡下降法进一步最小化能量。
constraints-设置模型约束
integrator – steep告诉gompp运行最陡下降法进行能量最小化。用cg进行共轭梯度法。
dt –能量最小化用不用。只在动力学模拟中用（如md）。
nsteps – 在能量最小化中，指定最大反应步数。
nstlist –更新邻居列表的频率。nstlist = 10表示每10步更新一次。
rlist – 短程邻居列表的阈值。
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coulombtype –告诉gromacs 如何计算静电。PME 为particle mesh ewald 法（参见Gromacs 用户手册）
rcoulomb –指定库仑力阈值
vdwtype – 告诉Gromacs 如何计算范德华作用(cut-off, Shift 等）
rvdw –指定LJ 或Buckingham 势能距离阈值
EM Stuff  emtol –最大的力如果小于此值则能量最小化收敛（结束）（单位是kJ mol
–1  nm –1） emstep –初始步长（nm ）
下面用grompp 程序进行文件处理。grompp 是预处理程序（即the gromacs pre-processor 的缩写）
grompp –f em.mdp –c fws_b4em.pdb –p –o fws_em.tpr
grompp 中-f 标签制定输入参数文件（*.mdp ）。-c 输入结构文件（pdb 文件，*.pdb ）; -p 输入拓扑文件，-o 输出mdrun 的输入文件（*.tpr ）。
加氯离子后的pr_md.mdp 和md.mdp 文件的温度耦合参数
; Berendsen temperature coupling using vel rescaling is on
Tcoupl  = v-rescale
tau_t    = 0.1 0.1
tc_grps  = protein non-protein
ref_t    = 300 300
记住：如果要加入氯离子，需要重新运行grompp。首先删除旧的fws_em.tpr文件，然后运行下面的grompp命令。我们加入氯离子是为了中和模型中的总静电荷。
grompp –f em.mdp –c fws_ion.pdb –p –o fws_em.tpr
在后台运行能量最小化（在命令后加&）
nohup mdrun –v –s fws_em.tpr –o –c fws_b4pr.pdb –e em.edr –g em.log &
用tail命令检查最小化的进程
tail –15 em.log
当能量最小化结束，你将看到log文件中有如下总结文字，表明最陡下降收敛了。
用tail -50 em.log
设置位置限制性模拟。什么是位置限制性模拟？你限制（或部分冻结）大分子中的原子位置，而允许溶剂分子运动。这样做像是将水分子浸入大分子。水分子松弛时间约为10ps。因此我们要进行超过10ps的位置限制性模拟。本实例中用20ps（最少高出一个数量级？？）大的模型（大蛋白或脂）可能需要更长的平衡时间，50ps或100ps或更长。下面的设置在这个gromacs力场中运行良好。其他力场请参考用户手册（例如在GROMOS96力场中，建议nstlist = 10 and rvdw = 1.4）。在coulombtype, PME代表“Particle Mesh Ewald”静电势。[5，6] PME是计算长程静电势的最优算法（给出最可信的能量评估，尤其在用Na+, Cl-, Ca 2+等作为补偿离子的体系。）由于这个蛋白具有暴露的带电残基，使系统带有+2静电荷，所以适用PME算法，更为有益的是用补偿离子使系统处于电中性。constraints中的all-bonds选项可以应用线形限制算法确定系统中的所有键长（当dt > 0.001 ps时尤为重要）[7]。学习一下下面的mdp文件。
pr.mdp:
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