毕业设计 - 图文

重庆邮电大学本科毕业设计（论文）

到。大多数随机数发生器产生的随机数均匀分布在0~1 之间，但是可以通过变换得到Gaussian分布[9]。均值为波动值为σ2的Gaussian分布的概

率为：

……………..……(2.14)

第三节 NAMD模拟软件的介绍

NAMD模拟软件是由JamesPhillips,TimIsgro,James, Phillips,Marcos, Sotomayor, Elizabeth ,Villa开发，用于高性能生物大分子模拟，NAMD可以用于上上百个处理器的并行处理平台，同时也能用于只有十几个处理器的小型集群，还能够运行在个人台式电脑上。NAMD用AMBER和CHARMM势能函数参数文件和pdb、psf文件格式的计算。与NAMD一起使用的软件还有VMD软件，VMD软件是图像显示软件，也可以用作对于数据的预处理，为NAMD模拟做好准备。NAMD是基于CHARMM++的对象基础之上，利用C++语言实现的模拟程序。NAMD的特征是有监督跨障碍的模拟，用来计算反应物在原子级别的构想和自由能，NAMD不仅实现了经典的分子动力学力场，运动方程，高效静电统计力学的积分法算法，还可以再此基础上调剂温度压力[10]。

NAMD的模拟过程钱必须要做的准备工作是对于材料文件的准备，这就包含pdb和psf文件，另外还包含拓扑文件和参数文件，在这些文件都准备好之后再写好NAMD的配置文件，最后进行模拟。

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图 2.1 NAMD 计算流程图（引自NAMD帮助指南）

一、 运行NAMD的必需要件

1. pdb文件，pdb文件有两种，一种是储存原子坐标的文件，另一种是存储

原子速度的文件；pdb文件核心部分包含（类型、原子编号、原子名字、残基名字、残基编号、x坐标、y坐标、z坐标、占有标志、温度系数、片段名字、行号）

ATOM 1 N MET 1 27.340 24.430 2.614 1.00 9.67 1UBQ 71 ATOM 2 CA MET 1 26.266 25.413 2.842 1.00 10.38 1UBQ 72 ATOM 3 C MET 1 26.913 26.639 3.531 1.00 9.62 1UBQ 73 ATOM 4 O MET 1 27.886 26.463 4.263 1.00 9.62 1UBQ 74 ATOM 5 CB MET 1 25.112 24.880 3.649 1.00 13.77 1UBQ 75 ATOM 6 CG MET 1 25.353 24.860 5.134 1.00 16.29 1UBQ 76 2. psf文件，用来存储蛋白质结构信息，比如不同键之间的作用，这个文件

是由pdb文件和一个力场拓扑文件产生。在charmm力场中被分为了两个文件，一个是拓扑文件用来产生psf文件，另一个是参数文件，它包含charmm势能函数具体的数值。拓扑文件包含了（原子的名字、类型、化学键、部分残基的电荷、必要的修补或者是突变残基）；参数文件包含（包含在拓扑文件中各种共价键和非共价键之间的作用——不同混合原子的作用的映射，具体的弹簧常量，化学键，角度，二面角，非正式符号，范得华尔之力系数）(见附件2)

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3. 力场参数文件，有四种力场——CHARMM, X-PLOR,AMBER, 和

GROMACS，这些力场文件定义了键之间的强度等，本文利用的是charmm力场参数文件(见附件3),现在的charmm力场有charmm22和charmm27两种，charmm22作用于蛋白质，charmm27作用与脂类和核酸，charmm22包含CAMP修正后也可以作用与蛋白。

4. 配置文件，包含NAMD的运行所需的运行参数，比如说输入文件，输出

文件，温度，计算范德华尔子力和静电引力的PME参数，周期边界参数等，调节具体的模拟步骤等。(见附件4)

第四节 分子动力学模拟的局限性

为了能够正确合理的使用分子动力学模拟这个方法，我们也需要弄清楚它的一些局限性，同时，重视当前存在的问题，也能指引MD以后的发展，使之完善。

氧同血色素的结合反应或者光合作用中的电荷转移在生物学上都是重要的过程。这些动态事件的发生涉及到了化学键的改变、质子或者电子的隧道效应以及电子激发态的动力学行为。直接的原子力场模拟是无法描述这些现象的。人们已经发展了第一原理的分子动力学，但是，像量子的MD方法或者从头算(ab initio)的MD方法是无法计算大规模系统的。

MD模拟中最大的障碍，是模拟时间的限制。生物学上一些重要过程的时

间尺度，往往比模拟时间高好几个量级。例如，血色素从R到T的构像变化，需要10多个微秒，蛋白质的折叠需要几分钟。而现有的最快的数值算法所能提供的时间步长，在飞秒这个量级，所以为了模拟血色素的变构转变，一万个原子的系统需要百亿个时间步！尽管这个在将来可能实现，在现阶段，MD模拟能达到的时间尺度，在纳秒这个量级。时间尺度上的制约同样限制了系统的尺寸大小，使得较多的大分子系统的研究无法在现阶段实现MD模拟。

原子力场定义了模拟系统中的物理模型，所以只有当力场中的势函数能够很好

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的模拟出真实情况下原子间的相互作用，模拟结果才与实际情况相吻合。另一方面，为了提高运算速度，势函数的表达形式需要简洁明了，而且能够适应不同条件不同系统下的情况，这就对力场的选择使用提出了较高的要求。从现有的方法来看，一般从实验数据和或者对系统进行从头算的MD模拟得到参数。例如，结构参数如平衡状态的键长就可以通过结晶学研究获得，原子电荷的分布可以通过ab initio的电子密度获得。可用的力场有AMBER[60], CHARMM[59], 以及GROMOS[61],在蛋白质、核酸的MD模拟上都具有较好的准确性。但是很清楚的是，为了提高模拟的稳定性和准确性，还是有很多地方需要改进，这在MD模拟上将是未来一个挑战性的工作。

第五节 本章小结

本章介绍了分子动力学的基本原理和NAMD的基本运行要件，分子动力学的基本原理是基于牛顿经典力学，还包含了Velet算法，SHAKE算法，和PME算法等，这些算法在分子动力学中起了重要作用，NAMD实现了这些算法，基于面向对象设计用C++语言实现的，可以用于大规模的并行服务器平台，也可以用小规模的个人电脑上的模拟。

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