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[VMD] VMD里原子选择语句的语法和例子

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发表于 2019-8-19 22:02:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
VMD里原子选择语句的语法和例子

文/Sobereva@北京科音   2019-Aug-19


1 前言

VMD(http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/)是极其强大、灵活的化学体系可视化程序,笔者之前也写过不少相关文章,见http://sobereva.com/category/VMD/。VMD的选择语句(selection)用来选择满足特定要求的体系中的原子,其用法极度简单灵活,对于VMD的使用至关重要。

选择语句在VMD里用的地方非常多,无处不在。比如如果想在图形窗口只显示指定的区域,那么可以在Graphics - Representation里在selected atoms的地方写上选择语句。如果想把指定的区域保存成新文件,那么可以在File - Save coordinates里在Selected atoms写上选择语句。很多自带的插件也需要选择语句,比如VMD自带的径向分布函数计算插件,里面selection 1、selection 2就是让你输入选择语句的地方。在VMD里还可以用atomselect命令创建对象,显然也要输入选择语句。顺带一提,如今GROMACS里也可以用selections语句,和VMD很大程度一致,但不完全一致。

鉴于经常有人问选择语句怎么用,每次回复很麻烦,笔者遂专门写个小文说一下。这些内容在“北京科音分子动力学与GROMACS培训班里”(http://www.keinsci.com/workshop/KGMX_content.html)里大多也都讲过,之前的学员可以复习一下。本文内容对应VMD 1.9.3。下文从简单到复杂进行讲解。


2 单关键词(Singleword)

有一些关键词可以直接选择特定原子,以下举例一部分:
all:所有原子
none:不选择任何原子
noh:氢以外的原子(即重原子)
ion:离子
water:水
backbone:生物大分子骨架
sidechain:生物大分子侧链
protein:蛋白
nucleic:核酸
helix:螺旋
alpha_helix:alpha螺旋(是helix中的子集,较长一段螺旋才算)
sheet:折叠
turn:转角
coil:盘绕
alpha:蛋白质的alpha碳
acidic:PH=7时带负电氨基酸
basic:PH=7时带正电氨基酸
charged:acidic和basic的并集
neutral:电中性氨基酸
polar:极性残基
hydrophobic:疏水性残基
bonded:成键的原子
hetero:非蛋白质和核酸的部分
carbon、hydrogen、oxygen、nitrogen、sulfur:相应元素。对于其它元素没法这么输入元素名来选择

这些单关键词实际上可以在Representation界面里的Selections标签页里的Singlewords直接看到,可见可以用的单关键词远不止上述这些。有些单关键词其实是复合选择语句,比如你选中hetero,就会看到其定义其实是not (protein or nucleic)。
1.png

注意有些情况下,单关键词未必能如实选择相应的区域。比如你载入的结构里有水,如果输入文件里水的残基名很特殊,比如叫FFF,那么VMD就不会把这个残基识别成水分子,用water关键词的时候也没法选中这些水。


3 一般关键词

用下面这些关键词可以通过属性选取原子,都是后面要接参数的
name:原子名。例:name OW选择原子名叫OW的原子
index:原子序号(从0开始!)。例:index 4
serial:原子序号(从1开始)
type:原子类型。例:type CA选择CA原则类型
element:元素名。例:element P选择磷原子
resname:残基名。例:resname ALA代表选择丙氨酸
residue:残基编号,从0开始。例resid 372代表选择372号残基
resid:残基编号,从1开始。若结构文件里有残基号则与之一致
chain:链名。例:chain B代表选择B链
fragment:片段编号。VMD对每个键连的片段自动设定一个编号。例:fragment 4代表选择片段4
numbonds:成键数目。例:numbonds=2或numbonds 2代表选形成了两个键的原子
structure:二级结构。例:structure H代表选择螺旋(helix)区域
x,y,z:X/Y/Z笛卡尔坐标
vx,vy,vz:X/Y/Z方向速度
beta:pdb文件中的beta值
occupancy:pdb文件中的原子占有率
mass:原子质量
charge:原子电荷
phi、psi:蛋白质骨架角度
radius:原子半径
...等等

每个属性后面能接什么值,在Selections标签页里都能看到,不确定的话看一眼便知:
2.png

许多属性并非对于任何输入文件都能用。比如:
·使用charge属性,必须输入的文件里体现了原子电荷才行,比如可以用mol2或pqr,后者详见《使用Multiwfn+VMD以原子着色方式表现原子电荷、自旋布居、电荷转移、简缩福井函数》(http://sobereva.com/425)。
·使用beta属性,通常需要用pdb文件作为输入,因为里面专门有一列记录B因子信息。
·用type的话必须载入拓扑文件才行。
·用vx、vy、vz的话,对于GROMACS用户,参看《使VMD读入Gromacs产生的trr轨迹中速度信息的方法》(http://sobereva.com/117)。
·element信息是很多文件里没有的,比如GROMACS的.gro文件里就没体现


4 选择语句中可利用的规则

在选择语句中有以下规则可以利用,通过组合、嵌套,使得选择语句无比强大
·可以写多个参数一次选择一批,彼此间用空格分隔
·可以用... to ...选择特定范围
·可以用与、或、非这些逻辑关系:and、or、not
·可以用( )或{ }指定语句处理的优先顺序
·双引号内的字符会被视为整体,并且可以使用正则表达式
·用单引号扩住则里面的字符可以避免被转义
·可以用判断语句:<, <=, =, >=, >, !=
·可以用函数:sqr(平方), sqrt(开根号), abs(绝对值), sin, cos, tan, atan, asin, acos, sinh, cosh, tanh, exp, log, log10
·支持运算符:+ - * /。可以用^或**来表示多少次方
·特殊选择方式:
within 5 of AAA:距离AAA 5埃以内的原子。选取时不考虑周期边界条件,用pbwithin则考虑
exwithin 5 of AAA :同上,但不包含AAA自身
withinbonds 2 of AAA:距离AAA不超过两个键的原子
same p as AAA:与AAA选区的p属性相同的部分
ringsize 5 from AAA:处于AAA中五元环上的原子
maxringsize 6 from AAA:处于AAA中<=六元环的原子

下面来看一些具体例子
index 5 to 200 210:序号在5~200内的原子以及210号原子
protein or nucleic:蛋白质与核酸的原子
resname ALA CYS ARG:丙氨酸、半胱氨酸、精氨酸原子
backbone not helix:除了螺旋区域以外的骨架原子
name CA CB 或 name "CA|CB" 或 name "C[AB]" 或 name "C(A|B)":名为CA和CB的原子
name "C.":名字为两个字符且第一个字符为C的原子
name "CE[1-3]":名字为CE1、CE2、CE3的原子
name 'O5*':叫O5*的原子。注意原子名带星号的在选取时要用单引号括住以免转义
resname 'CA2+':残基名是CA2+的原子(二价钙离子)。名字带正负号的也要用单引号括住以免转义
mass > 5:质量大于5的原子
abs(charge)>1:电荷大小超过1的原子
x<6 and x>3:选择x在3~6埃区域内的一层原子
x>1 and x<8 and y>24 and y<35 and z>1 and z<5:一个矩形区域内的原子
sqr(x-5)+sqr(y+4)+sqr(z) < sqr(5) :以(5,-4,0)点为中心半径5埃以内的原子
((x-33)^2+(y-14.5)^2)<12^2 and z<40 and z>10:选择以x=33、y=14.5埃为中心,半径为12埃,z范围在10~40埃的柱形区域
x+y+z<80:斜切面内侧的原子(回忆平面方程)
not {oxygen and numbonds=0}:扣除孤立的氧原子(可以用于去除X光衍射pdb文件里的结晶水)
within 6 of protein:距离蛋白质6埃以内的原子
not within 5 of resname ADP:距离名为ADP的分子5埃以外的原子
water within 5 of residue 8 to 44:距离8~44号残基5埃以内的水
withinbonds 2 of index 31:距离编号为31原子的两个键及以内的原子
maxringsize 6 from protein:蛋白当中所有六元及六元以下环上的原子
same resname as resid 33:所有与33号残基相同名称的残基
same residue as {protein within 5 of nucleic}:与核酸的原子相距5埃以内的蛋白的原子,并且把被截断的残基保留完整
x > 15 and not same fragment as {exwithin 8 of protein}:蛋白质以及蛋白质8埃范围以外的原子,保留完整片段,同时x坐标得大于15埃

以上例子中,涉及到坐标、速度变量的,属于动态选区,即随着帧号变化被选择的原子会可能发生变化。观看这些选区的时候,注意在Representation界面的Trajectory标签页里要把Update Selection Every Frame选上,否则选中的原子是对刚选中时那一帧而言的,不会随着轨迹播放被动态更新。在一些VMD的插件中,比如计算rdf的Radial Pair Distribution Function g(r)插件里,当Selection文本框里用了动态选区时,应当把Update Selections复选框选上,否则也由于不会被动态更新而和期望的不符。

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