Tutorial ini akan memandu pengguna melalui penyusunan dan simulasi protein membran sederhana, dalam hal ini KALP15, dalam membran Model, DPPC. Tutorial mengasumsikan pengguna telah berhasil menyelesaikan tutorial lisozim, beberapa tutorial lainnya, atau jika tidak berpengalaman dalam metode simulasi GROMACS dan organisasi topologi. Tingkat detail dalam tutorial ini akan difokuskan pada membran pertimbangan protein spesifik, dan tidak akan memberikan penjelasan lengkap dari setiap langkah, seperti dengan tutorial lisozim.

Tutorial ini mengasumsikan Anda menggunakan versi 4.5.3 GROMACS atau yang lebih baru. Banyak nama file, opsi baris perintah, dan rincian berbagai macam lainnya akan sangat berbeda jika Anda mencoba untuk menggunakan pre-4.5 versi GROMACS.

Protein kita akan bekerja dengan adalah model peptida Kalp, dilambangkan KALP15, yang memiliki urutan: Ac-GKK (LA) 4LKKA-NH2. Protokol dijelaskan di sini didasarkan pada sistem yang dibangun oleh Kandasamy dan Larson dalam studi ketidakcocokan hidrofobik. Referensi asli dapat ditemukan di sini.

Peptida disiapkan di rumah dengan menggunakan modul xLeap dari AmberTools, menggunakan geometri yang ideal tulang punggung dari -helix ( = -60 , = -40 ). File pdb. Adalah berorientasi sepanjang sumbu z menggunakan editconf-princ, diikuti oleh rotasi sumbu y. Perhatikan bahwa dalam GROMACS-3.3.x, the-princ opsi berorientasi sumbu panjang struktur (dalam hal ini, sumbu helix) sepanjang sumbu z secara default, tetapi opsi ini sudah berubah dari GROMACS-4.0.4, yang berorientasi sumbu panjang sepanjang sumbu x. Jika Anda ingin melewatkan pembangunan peptida ini, struktur berorientasi benar dapat ditemukan di sini.

Jalankan pdb2gmx dengan mengeluarkan perintah berikut:

pdb2gmx-f Kalp-15_princ.pdb-o spc Kalp-15_processed.gro-ignh-ter-airBila diminta, pilih GROMOS96 53A6 set parameter. Pilih "Tidak" untuk termini, karena kita telah menambahkan asetil dan amida kelompok capping ke N-dan C-termini, masing-masing, kita tidak ingin pdb2gmx membangun amina normal dan gugus karboksil. Sebaliknya, kita ingin pdb2gmx menambahkan konektivitas ke kelompok kami capping. Bendera-ignh memberitahu pdb2gmx mengabaikan atom H pada input.Lipid bilayer kita akan mensimulasikan adalah DPPC (fosfatidilkolin dipalmitoil), jadi kita perlu parameter untuk itu juga. Tetapi jika pdb2gmx dirancang untuk menangani hanya protein, asam nukleat, dan jumlah terbatas kofaktor, mana kita mendapatkan parameter untuk molekul ini, dan bagaimana kita menerapkannya pada sistem kami?

Tidak ada medan gaya universal untuk simulasi semua protein, asam nukleat, lipid, karbohidrat, dan molekul kecil sewenang-wenang. Karena kita simulasi sistem yang mengandung protein dan lipid, bagaimana kita memecahkan masalah medan gaya? Di bawah GROMACS, parameter yang paling banyak digunakan untuk komponen lipid membran simulasi-protein yang biasa disebut "Berger lipid," diturunkan oleh Berger, Edholm, dan Jhnig (ref). Parameter ini dapat dikombinasikan dengan representasi GROMOS protein.

Yang disebut "Berger lipid" sedikit dari hibrida antara GROMOS atomtypes dan Opls biaya parsial. Karena rantai alkana panjang kurang diwakili oleh GROMOS terikat parameter, potensi dihedral Ryckaert-Bellemans digunakan, dan faktor skala dari 0.125 diterapkan untuk Lennard-Jones 1-4 interaksi. Parameter-parameter lipid didistribusikan oleh D. Petrus Tieleman, melalui website-nya. Sementara Anda berada di sana, download file berikut:

dppc128.pdb - struktur DPPC bilayer 128-lipiddppc.itp - definisi moleculetype untuk DPPClipid.itp - parameter lipid BergerJadi apa sebenarnya lipid.itp, dan bagaimana Anda menggunakannya? Pikirkan analogi ini: gromos53a6.ff/forcefield.itp adalah protein Anda apa lipid.itp adalah lipid. Pada dasarnya, lipid.itp berisi semua jenis atom, parameter nonbonded, dan parameter terikat untuk kelas besar lipid, seperti bagaimana forcefield.itp, ffnnonbonded.itp, dan fungsi ffbonded.itp dalam kaitannya dengan protein. Yang mengatakan, kita tidak bisa hanya # include "lipid.itp" dalam topologi kami, karena itu adalah pada tingkat yang sama (diutamakan) sebagai forcefield.itp.

Untuk menggunakan parameter dalam lipid.itp, kita harus membuat beberapa perubahan gromos53a6.ff/forcefield.itp pra-paket kami. Membuat direktori baru di direktori kerja Anda disebut "gromos53a6_lipid.ff" dan menyalin file berikut dari gromos53a6.ff ke dalamnya:

aminoacids.rtpaminoacids.hdbaminoacids.c.tdbaminoacids.n.tdbaminoacids.r2baminoacids.vsdff_dum.itpffnonbonded.itpffbonded.itpforcefield.itpions.itpspc.itpwatermodels.datSelanjutnya, membuat file forcefield.doc yang berisi deskripsi parameter medan gaya di dalamnya. Tambang berisi sesuatu seperti:

GROMOS96 53A6 medan gaya, diperluas untuk mencakup parameter lipid BergerSelanjutnya, copy dan paste entri dalam [atomtypes], [nonbond_params], dan [pairtypes] bagian dari lipid.itp ke judul yang tepat dalam ffnonbonded.itp. Anda akan menemukan bahwa lipid.itp [atomtypes] bagian memiliki nomor atom (kolom at.num), sehingga menambah ini masuk garis-dimodifikasi baru harus:

LO 8 15,9994 0,000 A 2.36400e-03 1.59000e-06, karbonil O, OplsLOM 8 15,9994 0,000 A 2.36400e-03 1.59000e-06, karboksil O, OplsLNL 7 14,0067 0,000 A 3.35300e-03 3.95100e-06, Nitrogen, OplsLC 6 12,0110 0,000 A 4.88800e-03 1.35900e-05, Karbonil C, OplsLH1 6 13,0190 0,000 A 4.03100e-03 1.21400e-05, CH1, OplsLH2 6 14,0270 0,000 A 7.00200e-03 2.48300e-05, CH2, OplsLP 15 30,9738 0,000 A 9.16000e-03 2.50700e-05, fosfor, OplsLOS 8 15,9994 0,000 A 2.56300e-03 1.86800e-06, ester oksigen, OplsLP2 6 14,0270 0,000 A 5.87400e-03 2.26500e-05, RB CH2, Bergers LJLP3 6 15,0350 0,000 A 8.77700e-03 3.38500e-05, RB CH3, Bergers LJLC3 6 15,0350 0,000 A 9.35700e-03 3.60900e-05, CH3, OplsLC2 6 14,0270 0,000 A 5.94700e-03 1.79000e-05, CH2, OplsDalam [nonbond_params] bagian, Anda akan menemukan baris ";,. Parameter untuk interaksi lipid-GROMOS" Hapus baris ini dan semua baris berikutnya dalam bagian ini. Kombinasi nonbonded adalah khusus untuk usang medan gaya ffgmx. Menghapus garis-garis ini memungkinkan interaksi antara protein dan lipid yang akan dihasilkan oleh aturan kombinasi standar GROMOS96 53A6. Interaksi non-terikat melibatkan jenis atom HW juga hadir, karena ini adalah semua nol Anda dapat menghapus garis-garis ini juga, atau mengubah nama HW dengan H agar konsisten dengan GROMOS96 53A6 konvensi penamaan. Jika Anda tidak mengubah nama baris-baris atau menghapusnya, grompp nantinya akan gagal dengan kesalahan fatal.

Menambahkan isi [dihedraltypes] ke bagian yang sesuai ffbonded.itp. Jangan khawatir bahwa garis-garis ini terlihat sedikit berbeda. Mereka adalah Ryckaert-Bellemans dihedrals, yang berbeda dalam bentuk dari dihedrals periodik standar yang digunakan dalam standar GROMOS96 53A6 medan gaya. Akhirnya, mengubah pernyataan # include di topol.top Anda dari:

# Include "gromos53a6.ff/forcefield.itp"ke:

# Include "gromos53a6_lipid.ff/forcefield.itp"Terakhir, kita perlu menyertakan parameter spesifik untuk molekul DPPC kami. Proses untuk melakukannya adalah cukup sederhana. Cukup tambahkan baris # include "dppc.itp" di topol.top Anda, di suatu tempat setelah pengekangan bagian posisi untuk protein, yang mendefinisikan akhir dari protein [moleculetype] definisi. Melakukan hal ini analog dengan menambahkan setiap molekul kecil lain atau pelarut dalam topologi. Dalam bagian ini dan seluruh tutorial ini, teks berwarna hijau akan menunjukkan baris yang Anda harus menambahkan, sementara teks lain (hitam) adalah garis yang sudah harus hadir dalam topologi sebelum modifikasi ditunjukkan.

; Sertakan berkas menahan Posisi# Ifdef POSRES# Include "posre.itp"# Endif

; Sertakan topologi rantai DPPC# Include "dppc.itp"

; Sertakan topologi air# Include "gromos53a6_lipid.ff/spc.itp"

Hal ini juga memungkinkan untuk menggunakan medan kekuatan Opls-AA untuk mewakili protein Anda. Anda akan harus membuat beberapa modifikasi untuk lipid.itp sehingga konsisten dengan konvensi Opls. Untuk informasi tentang cara melakukannya, baca link berikut:

http://lists.gromacs.org/pipermail/gmx-users/2006-May/021416.htmlhttp://lists.gromacs.org/pipermail/gmx-users/2006-August/023587.htmlhttp://lists.gromacs.org/pipermail/gmx-users/2006-September/023761.html

Untuk sedikit lebih teori mengenai aturan kombinasi medan gaya dan teori, konsultasikan dokumen ini. Terima kasih kepada Chris Neale untuk memberikan link ini.

Terlepas dari pengaturan yang Anda pilih, Anda harus menunjukkan bahwa model Anda adalah wajar. Kombinasi parameter tertentu yang dijelaskan di sini telah terbukti untuk bekerja di rumah dan menurut laporan oleh pengguna lain. Terserah Anda untuk meyakinkan audiens Anda (misalnya, pengulas) bahwa Anda tahu apa yang Anda lakukan dan bahwa model Anda valid.

Jika Anda telah benar mengikuti semua langkah di atas, Anda akan memiliki medan gaya penuh-fungsional yang dapat digunakan untuk memproses protein membran lain dengan pdb2gmx. Melakukan hal menghilangkan kebutuhan untuk secara manual hack topol.top setelah fakta. Menempatkan direktori gromos53a6_lipid.ff baru $ GMXLIB akan memungkinkan Anda untuk menggunakan kekuatan ini bidang sistem.Mendefinisikan unit sel untuk protein membran jauh lebih rumit daripada protein dalam air. Ada beberapa langkah kunci dalam membangun sel satuan:

Orient protein dan membran dalam kerangka koordinat yang samaKemas lipid sekitar proteinMelarutkan dengan air

1. Orient protein dan membran

Kami telah selaras peptida Kalp menggunakan editconf. Bilayer terletak pada bidang xy, dengan normal sepanjang sumbu z. Mengkonversi dppc128.pdb ke format Gro. Dengan editconf dan menghapus periodisitas awal. Langkah yang terakhir ini mudah dicapai melalui penggunaan trjconv:

(1) Menghasilkan file TPR. Untuk sistem DPPC-hanya menggunakan grompp. Anda dapat menggunakan file yang valid. Mdp dan topologi sesuai dengan DPPC murni. Sebuah file mdp contoh. Dapat ditemukan di sini dan topologi tersebut dapat ditemukan di sini. Perhatikan cara sederhana topologi. Ini termasuk dppc.itp dan spc.itp untuk membaca parameter untuk DPPC dan air, itu yang sederhana! Jalankan grompp:

grompp-f minim.mdp-c dppc128.gro-p topol_dppc.top-o em.tprAnda mungkin menerima kesalahan fatal seperti ini, tetapi dalam kasus ini adalah aman untuk digunakan-maxwarn 1 dengan perintah di atas. Alasan bahwa hal tersebut dapat diterima dijelaskan di sini. Harap dicatat bahwa langkah ini adalah satu-satunya di mana topol_dppc.top akan digunakan. Ini tidak melayani tujuan lain dan Anda tidak harus menggunakannya dalam setiap langkah yang tersisa dalam tutorial ini.

Hal ini tidak perlu untuk menjalankan prosedur minimisasi energi lengkap tentang bilayer, meskipun Anda dapat jika Anda ingin. File TPR. Berisi informasi tentang ikatan dan periodisitas, sehingga dapat, dalam arti, digunakan untuk merekonstruksi "rusak" molekul.

(2) Gunakan trjconv untuk menghapus periodisitas:

trjconv-s em.tpr-f dppc128.gro-o dppc128_whole.gro-pbc mol-ur kompakSekarang, lihatlah baris terakhir file ini Gro,. Itu sesuai dengan x / y / z vektor kotak sel satuan DPPC. Kita perlu mengarahkan peptida Kalp dalam bingkai ini koordinat yang sama, dan tempat pusat massa peptida di tengah kotak ini:

editconf-f KALP_processed.gro-o KALP_newbox.gro-c-box 6,41840 6,44350 6,59650Pusat sistem kami sekarang terletak di (3,20920, 3,22175, 3,29825), setengah dari setiap kotak vektor. Ini adalah GROMACS konvensi. Perhatikan bahwa sistem lain yang ingin mensimulasikan mungkin tidak simetris terhadap membran, dan dengan demikian perintah di atas harus dimodifikasi untuk sesuatu seperti berikut:

editconf-f protein.gro-o protein_newbox.gro-box (kotak vektor membran)-pusat xyzPada perintah di atas, xyz merupakan pusat massa sehingga protein ditempatkan dengan benar. Penempatan harus didasarkan pada pengetahuan eksperimental posisi membran, atau intuisi berdasarkan komposisi kimia protein tertentu.

2. Kemas lipid sekitar protein

Metode termudah saya telah menemukan begitu jauh untuk kemasan lipid sekitar protein tertanam adalah metodologi InflateGRO (ref). Script ini juga tersedia di website Tieleman. Pertama, menggabungkan protein dan file struktur dua lapis:

kucing KALP_newbox.gro dppc128_whole.gro> system.groHapus garis yang tidak perlu (vektor kotak dari struktur Kalp, informasi header dari struktur DPPC) dan memperbarui baris kedua dari file koordinat (jumlah total atom) sesuai.

Para penulis naskah InflateGRO merekomendasikan menggunakan kekuatan posisi-penahanan yang sangat kuat pada atom berat protein untuk memastikan bahwa posisi protein tidak berubah selama EM. Menambahkan # ifdef baru pernyataan untuk topologi Anda, salah satu yang akan memanggil satu set khusus pembatasan posisi, sehingga topologi Anda sekarang berisi bagian seperti:

; Sertakan berkas menahan Posisi# Ifdef POSRES# Include "posre.itp"# Endif

, Pembatasan posisi kuat untuk InflateGRO# Ifdef STRONG_POSRES# Include "strong_posre.itp"# Endif

; Sertakan topologi rantai DPPC# Include "dppc.itp"

; Sertakan topologi air# Include "gromos53a6_lipid.ff/spc.itp"

Sekarang, menghasilkan file ini menahan posisi baru menggunakan genrestr:

genrestr-f KALP_newbox.gro-o strong_posre.itp-fc 100000 100000 100000Dalam file mdp. Digunakan untuk minimizations, tambahkan baris "mendefinisikan =-DSTRONG_POSRES" untuk memanfaatkan ini pembatasan posisi baru. Kemudian, cukup ikuti petunjuk InflateGRO (yang terkandung dalam naskah itu sendiri), sebuah prosedur yang mudah scripted. Skala posisi lipid dengan faktor 4:

perl inflategro.pl system.gro 4 DPPC 14 system_inflated.gro 5 area.datPerhatikan berapa banyak lipid yang dihapus dan memperbarui [molekul] direktif topologi yang sesuai. Jalankan minimisasi energi. Kemudian, menurunkan lipid dengan faktor 0,95 (dengan asumsi Anda telah menggunakan nama default, hasil minimisasi disebut "confout.gro"):

perl inflategro.pl confout.gro 0.95 DPPC 0 system_shrink1.gro 5 area_shrink1.datIkuti ini oleh putaran lain EM. Selama "menyusut" langkah-langkah, pastikan untuk mengubah nilai cutoff ke 0, atau yang lain Anda akan terus menghapus lipid! Setelah 26 iterasi scaling turun 0,95, saya mencapai luas per lipid ~ 71 A2, di atas nilai eksperimental ~ 62 A2. Karena script cenderung melebih-lebihkan luas per lipid, nilai ini cukup baik untuk terus equilibrium.

3. Melarutkan dengan air

Solvating protein adalah tugas sepele dengan genbox. Solvating sistem protein membran tidak begitu sederhana, karena genbox memiliki kecenderungan untuk mengisi kesenjangan dalam rantai asil lemak dengan molekul air acak. Cara tercepat saya telah menemukan sistem membran melarutkan adalah untuk membuat salinan lokal vdwradii.dat dan mengubah nilai C 0,15-0,375. Melakukan hal itu akan menyebabkan genbox untuk menetapkan atom karbon van der Waals radius artifisial besar, sehingga penambahan air dalam lipid kecil kemungkinannya. Setelah solvating, periksa struktur Anda untuk memastikan tidak ada molekul air yang hadir dalam inti hidrofobik bilayer. Jika terdapat molekul beberapa liar, Anda dapat menghapusnya secara manual, terus menyesuaikan van der Waals radius karbon, atau menggunakan salah satu script ditemukan di situs GROMACS.

Sadarilah bahwa menggunakan jari-jari besar untuk karbon juga dapat membuat void buatan di sekitar protein yang menonjol di luar membran (karena mereka juga mengandung karbon) serta headgroups lipid (jika mereka mengandung karbon, yaitu PC, PE, dll). Kekosongan ini mungkin memerlukan sedikit kemahiran selama equilibrium. Hapus salinan lokal vdwradii.dat sebelum melanjutkan.Sekarang kita telah dilarutkan sistem kami, sekarang saatnya untuk menambahkan counterions penetral. Pada titik ini, proses untuk melanjutkan dengan membangun sistem kami hampir identik dengan tutorial lysozyme. File mdp. Digunakan dapat ditemukan di sini

grompp-f ions.mdp-c system_solv.gro-p topol.top-o ions.tprKarena peptida KALP15 mengandung residu lisin 4, peptida dikenakan biaya bersih +4 e pada pH fisiologis. Gunakan Genion untuk menambahkan 4 CL-ion untuk menetralkan muatan ini:

Genion-s ions.tpr-o system_solv_ions.gro-p topol.top-pname NA-nname CL-nn 4

Langkah ini adalah seperti dalam simulasi lainnya. Merakit input biner menggunakan grompp menggunakan file ini parameter masukan:

grompp-f minim.mdp-c system_solv_ions.gro-p topol.top-o em.tpr

Invoke mdrun:

mdrun-v-deffnm em

Seperti halnya simulasi lainnya, memverifikasi bahwa nilai-nilai Epot dan fmax wajar sebelum melanjutkan. Sistem membran protein bisa rumit, karena ada sejumlah potensi masalah. Jika sistem Anda tidak konvergen, mempertimbangkan faktor-faktor berikut:

Ikatan hidrogen Intra-headgroup, seperti di PE atau PG headgroups. Kadang-kadang simulasi runtuhnya karena headgroups lipat pada diri mereka sendiri dalam rongga dalam pelarut. Ada beberapa solusi potensial untuk masalah ini (dan lain-lain yang mungkin Anda alami):Gunakan posisi pembatasan atau kelompok membeku selama equilibrium sampai pelarut dioptimalkan sekitar headgroups lipid.Mengurangi biaya pada atom H (semua jalan ke nol, jika perlu) Mengembalikan biaya sebelum melanjutkan!Tambah [pengecualian] dalam topologi antara H dan fosfat O atom Lepaskan pengecualian sebelum melanjutkan!Tumpang tindih rantai asil dapat terjadi selama kemasan. Jalankan InflateGRO hati-hati, dan jangan mencoba untuk over-pak lipid Anda.Tumpang tindih protein-lipid. Apakah Anda memilih cut-off nilai yang sesuai di InflateGRO langkah awal?Air-headgroup dan ion-headgroup tumpang tindih. Terkadang genbox dan Genion tidak pintar, khususnya mengenai penempatan acak ion. Sebuah CL-sebelah fosfat dapat mengirim ion (atau lipid) meluncur di kotak simulasi!Sekarang sistem kami pada jumlah minimum energi, kita bisa mulai dinamika nyata.Equilibrium akan dilakukan seperti dalam kasus protein terlarut. Umumnya fase equilibrium NVT pendek diikuti oleh fase lama NPT. Alasan untuk prosedur ini adalah bahwa kita sekarang berurusan dengan sistem heterogen, dengan air dan DPPC bertindak sebagai pelarut. Heterogenitas seperti itu membutuhkan proses equilibrium lagi. Air memiliki untuk kembali mengarahkan sekitar headgroups lipid dan setiap bagian yang terbuka dari protein, dan lipid harus menyesuaikan diri sekitar protein juga. Proses tersebut memakan waktu, dan ekuilibrasi lipid dapat berlangsung beberapa ns waktu simulasi.

Untuk simulasi protein membran, kita perlu membuat grup indeks khusus yang terdiri dari ion + pelarut dan protein + lipid (dijelaskan di bawah). Untuk melakukannya, gunakan make_ndx:

make_ndx-f em.gro-o index.ndxPada prompt make_ndx, masukkan "16 | 14" untuk menggabungkan SOL dan kelompok CL. Kelompok-kelompok baru harus disebut "SOL_CL" secara default.

Menggabungkan Protein dan kelompok DPPC dengan memasukkan "1 | 13" pada prompt make_ndx. Kelompok ini akan digunakan untuk menghilangkan gerak pusat-massa (lebih lanjut tentang ini segera).

Kami akan sekali lagi mulai dengan NVT (dengan script ditemukan di sini), menyebut grompp dan mdrun seperti yang kita lakukan pada langkah EM:

grompp-f nvt.mdp-c em.gro-p topol.top-n-o index.ndx nvt.tpr

mdrun-deffnm nvt

Sebagian besar parameter yang kita gunakan sebanding dengan yang di tutorial lisozim, dengan sedikit perubahan:

rlist, rcoulomb, rvdw = 1.2: Kami menggunakan 1.2-nm cutoff jarak pendek untuk neighborlist, elektrostatika, dan van der Waals interaksi. Ini telah dilakukan untuk alasan efisiensi komputasi. Artefak dari pemotongan diakomodasi oleh penggunaan PME (untuk elektrostatika jarak jauh) dan koreksi dispersi (untuk VDW istilah). Dalam kasus apapun, itu selalu merupakan latihan bagi pengguna untuk menunjukkan keabsahan pengaturan apapun.ref_t, gen_temp = 323: Kita harus menggunakan suhu yang berada di atas temperatur transisi fasa lipid. Untuk DPPC, 323 K umumnya digunakan.tc-GRP = Protein DPPC SOL_CL: Setiap kelompok digabungkan secara terpisah untuk meningkatkan akurasi. Dengan protein berair, kita tentukan "Protein Non-Protein," dengan Non-Protein yang mengandung pelarut dan ion. Untuk protein membran, Non-Protein akan berisi lipid juga, jadi kita harus secara eksplisit pasangan lipid dan berair pelarut terpisah. Jangan pasangan ion terpisah dari pelarut, ada derajat cukup kebebasan dalam grup ion-hanya untuk membenarkan kelompok kopling suhu terpisah.Sebuah bagian baru yang berkaitan dengan pusat-massa (COM) penghapusan gerak. Karena sistem antarmuka (yaitu, sistem membran-air) memiliki kecenderungan untuk bergerak lateral, gerakan COM bilayer dan COM pelarut harus ulang secara terpisah. Jika tidak, fase mungkin melayang di arah yang berlawanan, sehingga COM keseluruhan system tidak berubah, tetapi gerak buatan masih ada. Perhatikan bahwa comm-GRP kami meliputi Protein_DPPC, karena protein tertanam dalam membran, pada dasarnya adalah bagian dari membran. Menghapus gerak COM secara terpisah dapat menyebabkan tabrakan palsu. Hal ini untuk alasan ini bahwa kita tidak menghapus COM gerak dalam kelompok-kelompok terpisah untuk protein dalam air, difusi terjadi dalam 3 dimensi dalam sistem ini. Dalam bilayer gerakan, sebagian besar terbatas pada gerak 2 dimensi.Sekali lagi, gunakan g_energy untuk mengkonfirmasi bahwa suhu sistem telah stabil pada 323 K sebelum melanjutkan. Pemilihan suhu harus didasarkan pada sifat fisik lipid, terutama fase transisi suhu. Beberapa data yang berguna yang telah ditambang dari literatur mengenai wilayah per lipid, suhu fase transisi, dan / atau parameter derivasi untuk berbagai lipid yang disajikan di sini (lihat di bawah). Silakan baca referensi dan memahami implikasinya. Daftar ini tidak komprehensif, referensi menunjukkan contoh sastra dimana lipid tertentu digunakan baik untuk simulasi atau pekerjaan eksperimental. Pengguna harus menyelidiki lebih lanjut dalam kutipan karya-karya ini, atau kertas berikutnya yang telah dikutip ini. Daftar ini juga tidak boleh dipandang sebagai yang komprehensif, karena banyak lemak lain telah berhasil disimulasikan. Disajikan di sini adalah beberapa yang lebih umum.

Lipid Nama Luas Wilayah Menurut Lipid (A2) Tahap Transisi (K) ReferensiDPPC 62,9-64 315 J. Nagle (1993) Biophys. J. 64: 1476DMPC 60,6 297 Wohlert dan Edholm (2006) J. Chem. Phys. 125: 204.703POPG 53 269 Dickey dan Faller (2008) Biophys. J. 95: 2636Popa 51-52 301 Dickey dan Faller (2008) Biophys. J. 95: 2636POPC 65,8 271 Tieleman, et al. (1998) Biochem. 37: 17554POPE 56 298 Tieleman, et al. (1998) Biochem. 37: 17554DMTAP 71 310 Gurtovenko, et al. (2004) Biophys. J. 86: 3461POPS 55 300 Mukhopadhyay, et al. (2004) Biophys. J. 86: 1601Mengalami masalah dengan sistem Anda? Apakah menerjang selama equilibrium? Silakan lihat halaman Troubleshooting Lanjutan.Sekarang bahwa suhu stabil, kita harus menyeimbangkan sehubungan dengan tekanan. NPT fase untuk sistem protein membran umumnya agak lama dibandingkan protein berair sederhana, sekali lagi karena heterogenitas sistem. Di sini, kita akan melakukan 1-ns NPT equilibrium. File mdp. Dapat ditemukan di sini.

Ada beberapa perubahan dalam file mdp perlu diperhatikan.:

tcoupl = Nose-Hoover: hidung-Hoover termostat secara luas digunakan dalam simulasi membran karena menghasilkan ensemble kinetik yang benar dan memungkinkan untuk fluktuasi yang menghasilkan dinamika lebih alami. Hidung-Hoover termostat tidak sesuai untuk equilibrium NVT, karena memungkinkan untuk fluktuasi lebar tersebut. Mulailah dengan Berendsen atau V-rescale, dan beralih ke hidung-Hoover pada awal NPT atau produksi MD.pcoupltype = semiisotropic: Uniform skala tekanan (isotropik) tidak sesuai untuk membran. Bilayer A harus diizinkan untuk merusak dalam bidang xy independen dari z-sumbu. Satu juga dapat menggunakan anisotropic tekanan kopling untuk membran, namun perlu diingat bahwa skewing besar vektor kotak dapat terjadi selama simulasi jangka waktu yang sangat panjang.Sekarang ada dua nilai yang ditentukan untuk kedua kompresibilitas dan ref_p, sesuai dengan nilai-nilai untuk xy dan dimensi z, masing-masing.Sekarang, lanjutkan dengan grompp dan mdrun, seperti biasa. Karena simulasi akan 1 ns panjang, yang terbaik adalah untuk menjalankannya secara paralel pada sebuah cluster. Perhatikan bahwa GROMACS 4.5 memperkenalkan threading untuk paralelisasi, yang berarti bahwa pada workstation multi-core, perpustakaan MPI eksternal tidak diperlukan. Untuk cluster yang terhubung ke jaringan, MPI masih diperlukan untuk komunikasi node-node.

grompp-f npt.mdp-c nvt.gro-t nvt.cpt-p topol.top-n-o index.ndx npt.tprPada workstation multi-core, anda dapat menjalankan perintah berikut, di mana X sesuai dengan jumlah core fisik pada mesin yang ingin Anda gunakan:

mdrun-nt X-deffnm nptPada cluster, Anda mungkin perlu mpirun, sehingga masalah seperti berikut, di mana X sesuai dengan jumlah prosesor yang akan digunakan:

mpirun-np X mdrun_mpi-deffnm nptMenganalisis perkembangan tekanan, lagi dengan menggunakan g_energy. Hal ini juga dianjurkan untuk memverifikasi bahwa vektor kotak telah stabil, memastikan area lateral yang stabil dari membran (Kotak-X dan Kotak-Y).Setelah menyelesaikan dua tahap equilibrium, sistem ini sekarang baik-equilibrated pada suhu dan tekanan yang diinginkan. Kami sekarang siap untuk melepaskan pembatasan posisi dan menjalankan produksi MD untuk pengumpulan data. Proses ini seperti telah kita lihat sebelumnya. Kami akan menjalankan simulasi MD 1-ns, yang mdp berkas yang dapat ditemukan di sini..

grompp-f md.mdp-c npt.gro-t npt.cpt-p topol.top-n-o index.ndx md_0_1.tprSekali lagi, jalankan mdrun secara paralel:

Menjelang akhir output grompp, Anda akan melihat baris seperti:

Perkiraan untuk beban komputasi relatif bagian jala PME: 0.26Kami telah berhasil untuk menentukan parameter yang menyeimbangkan memadai PP: rasio PME, sehingga kita harus menggunakan PP 3:1: rasio simpul PME.

mdrun-nt X-deffnm md_0_1Untuk melanjutkan simulasi Anda di luar 1 ns, memanfaatkan fitur checkpointing dari GROMACS-4.0.x, lihat situs GROMACS.Ada beberapa jenis analisis yang sangat berguna untuk sistem protein membran. Sebuah sinopsis singkat akan diberikan di sini. Beberapa parameter yang mungkin menarik:

Deuterium urutan parameter rantai asilKepadatan lingkungan membranLuas per headgroup lipidKetebalan bilayer (dimensi vertikal)Difusi lateral lipidAnalisis lainnya harus dipertimbangkan, seperti struktur sekunder peptida, rmsd, PN vektor orientasi, tilt helix, dll Sebagian besar analisis ini akan memerlukan penggunaan kelompok indeks khusus, yang dihasilkan oleh make_ndx.

1. Deuterium Orde Parameter

Untuk deuterium analisis urutan parameter, Anda akan memerlukan sebuah kelompok indeks yang hanya berisi karbon sepanjang rantai asil lemak. Setiap rantai harus dipertimbangkan secara terpisah!

make_ndx-f md_0_1.tpr-o sn1.ndx

> A C34> A C36> A C37> A C38...> A C50> Del 0-21> Q

Apa yang telah kita lakukan adalah membuat grup indeks untuk sn-1 rantai DPPC dengan mencocokkan semua atom dalam satu rantai lipid dengan nama atom tertentu dari karbon dalam rantai asil. Kami kemudian dihapus semua kelompok yang tidak perlu (del 0-21). Proses ini kemudian harus diulang untuk sn-2 rantai (karbon C17, C19-C31 untuk memberikan "sn2.ndx").

Untuk mengukur parameter order deuterium dengan normal ke bilayer sepanjang sumbu z, gunakan alat GROMACS g_order:

g_order-s md_0_1.tpr-f md_0_1.xtc-n sn1.ndx-dz-od deuter_sn1.xvg

Parameter order Deuterium dapat membantu dalam memverifikasi apakah atau tidak membran Anda memasuki fase gel selama simulasi.

2. Kepadatan Membran ini

Satu umumnya melihat analisis kerapatan membran dipecah menjadi beberapa kelompok yang berbeda - headgroups lipid, asil rantai (kadang-kadang dipecah lebih jauh ke gliserol, metilen, dan kelompok metil terminal), protein, dan pelarut. Yang terakhir dua kelompok yang standar, dan tidak memerlukan manipulasi khusus. Sebuah kelompok indeks untuk headgroups lipid dan rantai asil dari DPPC dapat dibuat dengan memasukkan berikut:

make_ndx-f md_0_1.tpr-o density_groups.ndx

> 12 & C1 | C2 | C3 | a N4 | ... | A O11> Nama 22 headgroups> 12 & a C12 | a C13 | a O14 | ... | A C50> Nama 23 ekor> Q

Sekarang menganalisis masing-masing kelompok secara terpisah (perhatikan bahwa Protein dan SOL sudah termasuk dalam file indeks) menggunakan g_density:

g_density-s md_0_1.tpr-f md_0_1.xtc-n-o density_groups.ndx headgroups.xvg-d Z

Ulangi proses untuk kelompok lain yang Anda ingin menganalisis.

3. & 4. Luas per lipid bilayer dan Headgroup Tebal

Tidak ada GROMACS alat yang mampu menghitung luas per headgroup lipid dengan adanya protein membran. Untuk membran murni, kuantitas ini hanya (Kotak-X * Box-Y) / (# lipid). Dalam kasus protein tertanam, seperti KALP15, berapa banyak ruang melakukan protein menempati? Kami telah mengembangkan sebuah program yang membahas masalah ini, GridMAT-MD. Ini mengukur luas per headgroup lipid, serta ketebalan bilayer sebagai proyeksi di 2-D bilayer pesawat (ref).

Menganalisis luas per headgroup lipid adalah parameter berharga ketika memverifikasi bahwa membran Anda tidak tidak tepat memasuki fase gel selama simulasi.

5. Difusi lateral Lipid

GROMACS menyediakan alat yang disebut g_msd untuk mengukur koefisien difusi. Salah satu fungsi turunannya adalah untuk mengukur difusi lateral. Untuk menjalankan g_msd, Anda akan perlu untuk memilih salah satu referensi atom per lipid, biasanya P8 dari headgroup DPPC. Membuat sebuah kelompok indeks untuk atom-atom ini:

make_ndx-f md_0_1.tpr-o p8.ndx

> A P8> Q

Sekarang, jalankan g_msd:

g_msd-s md_0_1.tpr-f md_0_1.xtc-n p8.ndx-lateral zAnda kini mudah-mudahan berhasil dalam membangun dan simulasi sistem membran protein sederhana. Perhatikan bahwa 1 ns simulasi ini sangat singkat untuk sistem apapun, terutama protein membran. Lipid equilibrium dapat mengambil ke atas dari 10-20 ns. Jangka waktu yang digunakan di sini adalah untuk tujuan instruksional saja, dan data Anda menghasilkan mungkin tidak memiliki arti fisik, karena rentang waktu yang terlalu pendek. File mdp. Disediakan di sini hanya berfungsi sebagai contoh, dan tidak boleh dianggap luas berlaku untuk semua sistem. Meninjau literatur dan manual GROMACS untuk penyesuaian ke file ini untuk tujuan efisiensi dan akurasi.

Jika Anda memiliki saran untuk meningkatkan tutorial ini, jika Anda melihat kesalahan, atau jika apa pun tidak jelas, jangan ragu untuk email saya. Harap dicatat: ini bukan ajakan untuk email saya untuk masalah GROMACS. Saya tidak mengiklankan diri sebagai tutor pribadi atau jasa bantuan pribadi. Itulah daftar GMX-pengguna untuk. Saya dapat membantu Anda di sana, tetapi hanya dalam rangka memberikan pelayanan kepada masyarakat secara keseluruhan, bukan hanya pengguna akhir.

Selamat simulasi!