AMBER:运行分子动力学中vmd的使用教程

标题转载来源于 san’s note

来自于大佬的个人博客 写得很详细.对初学者的我帮助很大

本教程旨在向您介绍如何将VMD与AMBER一起使用，介绍如何加载AMBER轨迹文件和inpcrd文件以及如何处理数据。它并非旨在全面涵盖VMD中存在的所有许多功能。

一、介绍

可视分子动力学（VMD），可从 http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/ 获得，它是一种功能强大且功能丰富的分子可视化程序包，可使用3-D显示图形和内置脚本，设置动画和分析大型生物分子系统。它的发展由国家卫生研究院（National Institute of Health）在克劳斯·舒尔滕（Klaus Schulten）的指导下提供资金。它对学术研究人员免费提供，注册后可以从上面的链接下载。

VMD是用于可视化AMBER软件套件的pmemd模块产生的结果的理想工具。但是，它的使用在其他地方并不直观。因此，设计本教程的目的是简要介绍如何可视化和操纵从AMBER仿真产生的轨迹。

本教程基于VMD v1.8.3，在撰写本文时（2005年6月3日）是最新版本。已针对VMD v1.9.2更新。如果使用其他版本的VMD，则可能会发现某些功能不可用或界面略有不同。但是，仍然有可能完成本教程的绝大部分。

本教程还假定您正在使用Linux。如果您的操作系统不同，则某些布局和/或过程可能会略有不同。

本教程包括九个部分：

section1.htm：加载VMD和自定义初始窗口布局
section2.htm：加载PDB文件
section3.htm：更改表示形式
section4.htm：加载AMBER inpcrd和restrt文件
section5.htm：对准分子并测量RMSD
section6.htm：可视化amber轨迹
section7.htm：保存单个坐标集
section8.htm：在轨迹过程中跟踪系统参数
section9.htm：制作电影

二、常用的操作

2.1 加载VMD和自定义初始窗口布局

在我们开始研究一些AMBER轨迹之前，您应该确保VMD已正确安装在您的计算机上并且可以正常工作。 发出命令“ VMD”时，它应该加载而不会出现错误消息。 如果无法使VMD正常工作，请访问VMD网站以获取更多信息。

让我们从自定义VMD的启动方式开始，以便我们拥有相似的显示布局。 （如果您有信心在VMD上导航，则可以跳过此步骤。）

如果您的主目录中有一个名为.vmdrc的文件（请使用cd?，ls -la检查），请将其删除或重命名。然后将上面的文件另存为您的主目录中的“ .vmdrc”。 （请注意vmdrc之前的点）。

该文件由VMD在加载时自动获取，并执行多项操作。首先，它打开灯0和1。然后关闭轴。我觉得这会创建一个更清洁的OpenGL窗口。它还将显示投影模式设置为正交，在我看来，当在没有精确的4：3比例的屏幕上旋转时，例如，在屏幕上旋转时，可以提供更好的深度感知和更少的失真。我的屏幕分辨率为1280×1024。最后，它打开主菜单，图形菜单和文件菜单。然后将它们移动到屏幕上合适的位置。注意：这是为1280×1024的屏幕分辨率设计的。如果分辨率不同，则可能需要使用3条移动线上的数字来获得合理的布局。

现在运行VMD，它应该具有类似于以下内容的布局：

我们现在准备尝试加载一些分子。

默认情况下，鼠标将处于“旋转”模式。 在鼠标指针位于“ Open GL”显示屏内的同时按住鼠标左键，可以旋转分子。 鼠标还有两种其他模式：“平移”（使分子在窗口平面内移动）和“缩放”（Scale）使您可以放大和缩小分子。 您可以通过两种方式访问这些模式。 第一种是通过鼠标菜单：

将所选原子框中的“all”替换为“all not water”，然后单击“应用”。 红点应消失。 尽管此示例可能看起来并不惊人，但在查看显式溶剂计算时却非常有用，因为水分子常常会使您感兴趣的蛋白质或系统模糊。 接下来，我们将视图更改为卡通视图，以便我们可以更清晰地看到结构。

在Coloring Method中，选择“Secondary Structure”。 这将使颜色变成一种颜色，其中不同的残基将根据其所属的二级结构而具有不同的颜色。 接下来，从“Drawing Method”框中选择“Cartoon”。 （如果您使用的是v1.8.3或更高版本，也可以尝试“ NewCartoon”）。 现在，您的显示应如下所示：

在这里，我们可以在“Selected Atoms”框中选择所需的选择。 注意，如果我们知道想要什么，我们也可以像在去除水的过程中一样简单地在此框中键入内容。 因此，让我们仅选择名称为“ NAD”的残基。 首先，删除“Selected Atoms”框中的文本。 然后双击resname（这会将resname添加到“所选原子”文本框中）。 然后向下滚动值列表，然后双击NAD。 然后点击“应用”。 现在我们可以回到“绘制样式”选项卡：

尝试一下，双击选择“all not water”的那个。 您应该只剩下NADH残基。

提示：您将需要同时修改两个表示形式的选定原子。 您还将需要’and’关键字。

接下来，我们将打开我使用xleap创建的prmtop和rst7文件。不用担心这些文件是如何创建的。这将在以后的教程中介绍。这是您将需要的两个文件：TRPcage.prmtop，TRPcage.rst7。

加载AMBER结构与加载pdb文件的方式略有不同，因为实际上有两个文件。第一个文件是prmtop或拓扑文件。这与分子中原子的位置无关，它仅定义了每个原子是什么，与原子键合的对象以及每种原子类型的参数。另一方面，rst7文件仅列出了一组坐标，但没有提及原子。因此，我们需要这两个文件来加载结构。让我们先看一下pdb视图的局限性之一。这是我使用ambpdb创建的TRPcage结构的pdb。 （TRPcage.pdb）。

我使用xleap的sequence命令手动创建了这种结构，因此它的质子和残基侧链位置非常差。将pdb加载到VMD中，然后查看得到的内容。它看起来应该不错。但是，请尝试放大中央色氨酸残基。你看到了什么/p>

如果除去其他残基，可能会更容易了解发生了什么。在“Selected Atoms”下的“Graphical Representations”中，输入“all within 5 of resname TRP”。这只会显示位于称为TRP的残基5埃内的原子。在那里，还要选择CPK作为绘图方法。接下来，在“ VMD Main”窗口中单击“ Mouse”菜单，然后单击“ center”。这使我们可以更改旋转中心。现在单击tryptophan的backbone nitrogen 。现在，当您旋转时，它应该围绕此原子旋转。 （按r返回旋转模式）。

现在我们可以或多或少地将任何分子格式加载到该分子中。 如果将pdb文件加载到该分子中，我们将获得与以前相同的键，但是这次的bond将是prmtop文件中定义的绑定。 试试吧。 我们还可以将rst7文件（由LEaP创建）或restrt文件（由sander创建）加载到该分子中。 为此，我们浏览文件（TRPcage.rst7），然后选择“ rst7” [vmd1.8.3]或“ AMBER7 Restart” [vmd1.8.4]作为文件类型。 确保在“”Load files for:”框中选择了TRPcage.prmtop，然后单击“加载”。

正如您可能已经猜到的那样，最小化已将色氨酸从主链上扭转开来，避免了我们之间真正不良的氢接触。 我们可以计算最小变化的RMSD吗我们可以使用AMBER的cpptraj命令执行此操作，但是也可以使用RMSD扩展名在VMD本身中执行此操作。

2.5 对准分子并测量RMSD

我们分两个阶段进行RMSD拟合。 首先，我们对齐两个分子，然后测量对齐的结构之间的RMSD。 对齐实际上涉及RMSD拟合，但实际值未打印到屏幕上。 为了说明对齐方式是如何工作的，首先让我们自己旋转一个分子。 为此，我们可以从第一个分子中删除“ Fixed”标志。 我们通过双击“ VMD Main”窗口中分子旁边的字母F来执行此操作。 当您双击它时，它应该变成黑色：

现在，再次双击第一个分子上的F标志，以使其不再固定。现在，您将发现这两个分子一起旋转，很难看到它们之间的结构差异。例如，如果加amber轨迹和晶体结构，通常会得到此结果。它们几乎永远不会具有相同的原点或轴定义，因此您无法直观地比较这两个分子。现在，我将向您展示对齐两个分子的快速方法。不幸的是，我们需要加载一个坐标已移位的新文件才能进行对齐（如果我们不这样做，只是尝试按照当前的方式进行对齐，VMD实际上不会重新对齐两个分子）。

这是我在x方向上偏移了2埃的结构（TRPcage_shifted.ncrst）。

现在，要确保我们位于同一位置，请退出VMD，然后重新加载它。

加载TRPcage.rst7结构。记住要先加载prmtop，选择AMBER7 Parm作为类型。然后选择“Load files for: New Molecule ”并加载prmtop，然后将TRPcage_shifted.ncrst结构加载为AMBER7 Restart。然后转到“Graphical Representations”，并将第一个分子（0：TRPcage.prmtop）的颜色更改为ColorID0。现在的显示应如下所示：

这将打开以下窗口：

现在，如果我们此时点击RMSD，我们将获得两个结构之间的RMSD，目前，当我们旋转和平移其中一个结构时，它们是非常不同的。 尝试一下，按一下RMSD按钮。 您应该达到2.2埃左右。 这是因为一个偏移了另一个2埃。 现在单击“对齐”按钮。 您应该看到两个分子在“ OpenGL”窗口中对齐。 如果现在单击RMSD，您将在两个分子的主链原子之间获得正确的RMSD。 在这种情况下，约为0.57埃。 此值是最小化的典型值。

本教程的最后阶段是如何加载AMBER轨迹文件，以便我们可以观察结构随时间变化的“电影”。

2.6 可视化AMBER轨迹

注意：不幸的是，VMD尚无法加载压缩（压缩）的轨迹文件，因此，当您下载我在此处提供的nc.gz文件时，必须先解压缩然后使用gunzip，然后再将其加载到VMD中。

让我们首先加载一些轨迹文件，这些文件覆盖上面所示的TRPCage扩展结构的分子动力学模拟的前10ps。 这些模拟是使用Sander v8.0运行的。

以下是您需要的文件：TRPcage.prmtop（128 kb），heat1.nc.gz（510 kb），heat2.nc.gz（515 kb）

首先解压缩两个轨迹文件：

如果VMD正在运行，请退出它。 这样，我们应该从同一点开始。 加载VMD并浏览以找到TRPcage.prmtop文件。 选择AMBER7 Parm，然后单击Load。 在这个结构中，我们将一个接一个地加载两个轨迹文件。 因此，加载第一个，浏览heat1.nc，然后选择“ AMBER Coordinates”作为类型并单击Load。

如果正确加载，则应该看到TRPcage结构出现在OpenGL窗口中并开始移动。 接下来，再次单击浏览，然后找到heat2.nc。 以相同的方式加载它（不需要重新加载prmtop文件）。 确保在“Load files for:”框中选择了TRPcage.prmtop。 这会将heat2中的帧添加到我们已经加载的帧中。 这样，您可以将多个不同的轨迹集加载到单个动画中，从而可以无间断地观看整个轨迹。 您现在应该已加载400 frames TRPcage。 从0K到100K，这涵盖了10ps的加热。 尝试重播轨迹。 您可以在“ VMD Main”窗口中使用影片控件：

这就是我们要保存的结构。

接下来单击“Molecule”名称。具有T A D和F标志的文本行。 这应该以绿色突出显示该行。 然后单击File->Save Coordinates… .，将出现以下窗口：

最后，点击保存并使用您选择的文件名保存文件。 这是您应该获得的pdb文件：（ frame_300.pdb）。如果需要，可以随时将其重新加载到VMD中。

2.8 在轨迹过程中跟踪系统参数

在本教程中，我们还有两个有用的内容。 首先是使用VMD的标签工具来观察两个原子之间的距离在我们的轨迹中如何变化。

首先让我们当前加载的轨迹更漂亮。 单击Graphics->Representations 以调出“Graphical Representations”菜单（如果尚未启动）。 接下来，单击“Create Rep”，然后将 Drawing method更改为“Ribbons”，将Coloring method更改为“ ResType”。 然后再次点击“ Create Rep”，将 Drawing method更改为“ H bonds”，然后将“ Line width”更改为3，以便于查看。 同时将“Distance Cutoff”更改为4.2埃。 对于被认为是规则的氢键来说，这有点长，但这只是出于演示的目的，因为该轨迹不够长，无法形成任何真实的氢键。 现在，您的窗口应如下所示：

然后转到“ OpenGL”窗口，然后在肽链的每一端单击一个原子。 您应该看到一条虚线，并显示它们之间的距离。 如果发现错误，可以使用Graphics->Labels 工具删除标签，以便再次创建标签。 注意：键，角和二面体标签选项实际上并不涉及键，角和二面体。 您添加的标签实际上不必在键合原子之间。 键表示任意两个原子之间的距离（以埃为单位），角度表示任意3个原子之间的角度（以度为单位），二面角表示任意4个原子之间的二面角（以度为单位）。

这里有很多可用的选项。我不会尝试涵盖所有选项，有关更多信息，请参见VMD网站。在此示例中，我将仅一步步创建一个简单的轨迹电影。首先选择合适的工作轨迹。此处的屏幕截图来自VMD的Unix版本。在Mac和Windows中，它看起来可能略有不同。

接下来输入电影的名称，例如TRPcage。接下来，我们需要根据所需的帧数选择影片的持续时间。电影将以每秒24帧的速度播放。 （ Format->Change Compression Settings for the frame rate）。因此，400帧将为我们的电影提供大约16秒的时间，这是合理的。如果我们希望它持续约8秒钟，我们可以将帧数减少到200，然后渲染其他所有帧。另外，我们可以将其设置为32秒，以获得800帧电影。电影长度是您应始终考虑的问题，因为它需要与您的讲话兼容。因此，在“Movie duration (seconds):”框中输入16。我们希望轨迹的每一帧，所以步长保持为1。

接下来，我们只想遍历轨迹，因此选择 Movie Settings->Trajectory。 然后在“格式”下选择“ MPEG-1”。 这将创建MPEG-1格式的视频文件。 如果需要，一定可以使用AVI格式播放。

然后点击”Make Movie”。 希望大约3分钟后，您应该在工作目录中找到一个电影文件。

这是TRPcage.mpg（2.9 mb）

本教程到此结束。 希望这为您提供了使用VMD查看和分析AMBER文件和轨迹所需的知识。 但是请记住，关于VMD可以做什么，我们甚至还没有scratched the surface。 如果您访问VMD网站，则会发现更多有关VMD中更高级功能的信息。

参考资料
https://ambermd.org/tutorials/basic/tutorial2/index.htm

来源：贺俊宏