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[GROMACS] 退火mdp参数设定问题,体系为蛋白质在水中,想请教NVT,NPT和MD的温度和位置限制问题

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本帖最后由 killua1 于 2023-6-12 23:41 编辑

接触gromacs不久,有些困惑麻烦老师解答,谢谢!

目的:想通过gromacs模拟一个蛋白和水的体系在低温下(255 K)随时间延长,蛋白发生的变化

背景1:mdp文件来源,“水中的溶菌酶教程”。所用gromacs版本是sob老师编译的windows 2020.6_gpu加速版。然后将nvt.mdp npt.mdp md.mdp的ref_t部分改成了255 K,开始模拟。根据模拟过程中相应的notes和warning对mdp进行了修改,主要包括1.将ions.mdp中的coulombtype     = cutoff改成PME,2.将npt.mdp中pcoupl= Parrinello-Rahman改成Berendsen。开始模拟。


背景2:根据背景1的模拟结果发现在经过100 ns的模拟后,RMSD仍呈上升趋势,如下图所示,所以觉得是不是mdp的参数不合理


背景3:最近通过学习了解到一些新知识,于是又对mdp进行了修改,主要包括:1.将minim.mdp中加一行define = -DFLEXIBLE使用柔性水,参考帖子:http://bbs.keinsci.com/thread-12013-1-1.html;2.将nvt.mdp中的ref_t改回300 K,将gen-temp = 300 改成50,参考帖子:http://bbs.keinsci.com/thread-20482-1-1.html;3.将npt.mdp中define = -DPORSES用;注释掉,添加退火参数,从300 K逐渐降至255 K,目的是先让蛋白充分弛豫在逐渐降温至目的温度,参考帖子:http://bbs.keinsci.com/thread-20213-1-1.html。然后进行最后的模拟,具体mdp参数如下。

(1)ions.mdp文件的内容:
; ions.mdp - used as input into grompp to generate ions.tpr
; Parameters describing what to do, when to stop and what to save
integrator  = steep         ; Algorithm (steep = steepest descent minimization)
emtol       = 1000.0        ; Stop minimization when the maximum force < 1000.0 kJ/mol/nm
emstep      = 0.01          ; Minimization step size
nsteps      = 50000         ; Maximum number of (minimization) steps to perform
; Parameters describing how to find the neighbors of each atom and how to calculate the interactions
nstlist         = 1         ; Frequency to update the neighbor list and long range forces
cutoff-scheme        = Verlet    ; Buffered neighbor searching
ns_type         = grid      ; Method to determine neighbor list (simple, grid)
coulombtype     = PME    ; Treatment of long range electrostatic interactions
rcoulomb        = 1.0       ; Short-range electrostatic cut-off
rvdw            = 1.0       ; Short-range Van der Waals cut-off
pbc             = xyz       ; Periodic Boundary Conditions in all 3 dimensions
(2)minim.mdp文件的内容:
; minim.mdp - used as input into grompp to generate em.tpr
; Parameters describing what to do, when to stop and what to save
define                  = -DFLEXIBLE  ; 能量最小化时使用柔性水
integrator  = steep         ; Algorithm (steep = steepest descent minimization)
emtol       = 1000.0        ; Stop minimization when the maximum force < 1000.0 kJ/mol/nm
emstep      = 0.01          ; Minimization step size
nsteps      = 50000         ; Maximum number of (minimization) steps to perform
; Parameters describing how to find the neighbors of each atom and how to calculate the interactions
nstlist         = 1         ; Frequency to update the neighbor list and long range forces
cutoff-scheme   = Verlet    ; Buffered neighbor searching
ns_type         = grid      ; Method to determine neighbor list (simple, grid)
coulombtype     = PME       ; Treatment of long range electrostatic interactions
rcoulomb        = 1.0       ; Short-range electrostatic cut-off
rvdw            = 1.0       ; Short-range Van der Waals cut-off
pbc             = xyz       ; Periodic Boundary Conditions in all 3 dimensions

(3)nvt.mdp文件的内容:
title                   = OPLS Lysozyme NVT equilibration
define                  = -DPOSRES  ; position restrain the protein
; Run parameters
integrator              = md        ; leap-frog integrator
nsteps                  = 100000     ; 2 * 100000 = 200 ps
dt                      = 0.002     ; 2 fs
; Output control
nstxout                 = 500       ; save coordinates every 1.0 ps
nstvout                 = 500       ; save velocities every 1.0 ps
nstenergy               = 500       ; save energies every 1.0 ps
nstlog                  = 500       ; update log file every 1.0 ps
; Bond parameters
continuation            = no        ; first dynamics run
constraint_algorithm    = lincs     ; holonomic constraints
constraints             = h-bonds   ; bonds involving H are constrained
lincs_iter              = 1         ; accuracy of LINCS
lincs_order             = 4         ; also related to accuracy
; Nonbonded settings
cutoff-scheme           = Verlet    ; Buffered neighbor searching
ns_type                 = grid      ; search neighboring grid cells
nstlist                 = 10        ; 20 fs, largely irrelevant with Verlet
rcoulomb                = 1.0       ; short-range electrostatic cutoff (in nm)
rvdw                    = 1.0       ; short-range van der Waals cutoff (in nm)
DispCorr                = EnerPres  ; account for cut-off vdW scheme
; Electrostatics
coulombtype             = PME       ; Particle Mesh Ewald for long-range electrostatics
pme_order               = 4         ; cubic interpolation
fourierspacing          = 0.16      ; grid spacing for FFT
; Temperature coupling is on
tcoupl                  = V-rescale             ; modified Berendsen thermostat
tc-grps                 = Protein Non-Protein   ; two coupling groups - more accurate
tau_t                   = 0.1     0.1           ; time constant, in ps
ref_t                   = 300     300           ; reference temperature, one for each group, in K 在较高温度下进行弛豫
; Pressure coupling is off
pcoupl                  = no        ; no pressure coupling in NVT
; Periodic boundary conditions
pbc                     = xyz       ; 3-D PBC
; Velocity generation
gen_vel                 = yes       ; assign velocities from Maxwell distribution
gen_temp                = 50       ; temperature for Maxwell distribution 按照讲义建议,小一些,默认300
gen_seed                = -1        ; generate a random seed

(4)npt.mdp文件的内容:
title                   = OPLS Lysozyme NPT equilibration
; define                  = -DPOSRES  ; position restrain the protein不要限制蛋白势,进行退火弛豫
; Run parameters
integrator              = md        ; leap-frog integrator
nsteps                  = 500000     ; 2 * 500000 = 1 ns
dt                      = 0.002     ; 2 fs
; Output control
nstxout                 = 500       ; save coordinates every 1.0 ps
nstvout                 = 500       ; save velocities every 1.0 ps
nstenergy               = 500       ; save energies every 1.0 ps
nstlog                  = 500       ; update log file every 1.0 ps
; Bond parameters
continuation            = yes       ; Restarting after NVT
constraint_algorithm    = lincs     ; holonomic constraints
constraints             = h-bonds   ; bonds involving H are constrained
lincs_iter              = 1         ; accuracy of LINCS
lincs_order             = 4         ; also related to accuracy
; Nonbonded settings
cutoff-scheme           = Verlet    ; Buffered neighbor searching
ns_type                 = grid      ; search neighboring grid cells
nstlist                 = 10        ; 20 fs, largely irrelevant with Verlet scheme
rcoulomb                = 1.0       ; short-range electrostatic cutoff (in nm)
rvdw                    = 1.0       ; short-range van der Waals cutoff (in nm)
DispCorr                = EnerPres  ; account for cut-off vdW scheme
; Electrostatics
coulombtype             = PME       ; Particle Mesh Ewald for long-range electrostatics
pme_order               = 4         ; cubic interpolation
fourierspacing          = 0.16      ; grid spacing for FFT
; Temperature coupling is on
tcoupl                  = V-rescale             ; modified Berendsen thermostat
tc-grps                 = Protein Non-Protein   ; two coupling groups - more accurate
tau_t                   = 0.1     0.1           ; time constant, in ps
ref_t                   = 255     255           ; reference temperature, one for each group, in K
; Annealing simulation 进行退火
annealing           =  single single   ;Type of annealing
annealing_npoints   = 6 6       ;Number of annealing points
annealing_time      =  0 160 320 480 640 800 0 160 320 480 640 800  ;Time to reach the target
annealing_temp      =  300 290 280 270 260 255 300 290 280 270 260 255 ;Initial and final temperature
; Pressure coupling is on
pcoupl                  = Berendsen     ; Pressure coupling on in NPT
pcoupltype              = isotropic             ; uniform scaling of box vectors
tau_p                   = 2.0                   ; time constant, in ps
ref_p                   = 1.0                   ; reference pressure, in bar
compressibility         = 4.5e-5                ; isothermal compressibility of water, bar^-1
refcoord_scaling        = com
; Periodic boundary conditions
pbc                     = xyz       ; 3-D PBC
; Velocity generation
gen_vel                 = no        ; Velocity generation is off


(5)md.mdp文件的内容:
title                   = OPLS Lysozyme NPT equilibration
; Run parameters
integrator              = md        ; leap-frog integrator
nsteps                  = 50000000    ; 2 * 50000000 = 100000 ps (100 ns)
dt                      = 0.002     ; 2 fs
; Output control
nstxout                 = 0         ; suppress bulky .trr file by specifying
nstvout                 = 0         ; 0 for output frequency of nstxout,
nstfout                 = 0         ; nstvout, and nstfout
nstenergy               = 5000      ; save energies every 10.0 ps
nstlog                  = 5000      ; update log file every 10.0 ps
nstxout-compressed      = 5000      ; save compressed coordinates every 10.0 ps
compressed-x-grps       = System    ; save the whole system
; Bond parameters
continuation            = yes       ; Restarting after NPT
constraint_algorithm    = lincs     ; holonomic constraints
constraints             = h-bonds   ; bonds involving H are constrained
lincs_iter              = 1         ; accuracy of LINCS
lincs_order             = 4         ; also related to accuracy
; Neighborsearching
cutoff-scheme           = Verlet    ; Buffered neighbor searching
ns_type                 = grid      ; search neighboring grid cells
nstlist                 = 10        ; 20 fs, largely irrelevant with Verlet scheme
rcoulomb                = 1.0       ; short-range electrostatic cutoff (in nm)
rvdw                    = 1.0       ; short-range van der Waals cutoff (in nm)
; Electrostatics
coulombtype             = PME       ; Particle Mesh Ewald for long-range electrostatics
pme_order               = 4         ; cubic interpolation
fourierspacing          = 0.16      ; grid spacing for FFT
; Temperature coupling is on
tcoupl                  = V-rescale             ; modified Berendsen thermostat
tc-grps                 = Protein Non-Protein   ; two coupling groups - more accurate
tau_t                   = 0.1     0.1           ; time constant, in ps
ref_t                   = 255     255           ; reference temperature, one for each group, in K
; Pressure coupling is on
pcoupl                  = Parrinello-Rahman     ; Pressure coupling on in NPT
pcoupltype              = isotropic             ; uniform scaling of box vectors
tau_p                   = 2.0                   ; time constant, in ps
ref_p                   = 1.0                   ; reference pressure, in bar
compressibility         = 4.5e-5                ; isothermal compressibility of water, bar^-1
; Periodic boundary conditions
pbc                     = xyz       ; 3-D PBC
; Dispersion correction
DispCorr                = EnerPres  ; account for cut-off vdW scheme
; Velocity generation
gen_vel                 = no        ; Velocity generation is off


主要问题:
1.针对我的目的,这样的模拟思路合理吗?
2.目前的退火参数设置合理吗?NVT在高温下的时间是否太短了,目前是200 ps;另外关于NVT中的define  = -DPOSRES  ; position restrain the protein 是否应该注释掉,因为在不同的帖子中看到,有的说法如下图所示 ;也有的说 ;所以有些困惑,该不该限制
3.NPT中的参数设置是否合理?目前一共是1 ns
4.既然在NPT中为了退火将define  = -DPOSRES注释掉了,那控压方式使用Berendsen或Parrinello-Rahman 还有什么区别吗?
5.从RMSD来看,100 ns仍未平衡,是否应该把NVT中的ref_t提到更高的温度,如400 K?
6.最后就是麻烦老师看下整体的mdp参数设置合理吗?


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发表于 Post on 2023-6-13 14:02:52 | 只看该作者 Only view this author
之前我说过无数遍,很多教程里NPT之前先做NVT都是完全多余的。北京科音分子动力学与GROMACS培训班(http://www.keinsci.com/KGMX)的例子里都没有这多余的过程

冰点以下情况用一般的水模型描述不佳,应当用诸如TIP4P/ice专门适合冰的

RMSD逐渐轻微上升和模拟设置有误问题没必然关系,达到平衡之前适当上升显然是正常的事
谈谈怎么判断分子动力学模拟是否达到了平衡
http://sobereva.com/627http://bbs.keinsci.com/thread-27122-1-1.html

横坐标标清楚,都不知道是时间还是帧号


跑蛋白质+水体系,先升温再降温绝对不是标准、普适的做法。跑400K毫无意义,不稳定区域的结构都可能给破坏了
北京科音自然科学研究中心http://www.keinsci.com)致力于计算化学的发展和传播,长期开办极高质量的各种计算化学类培训:初级量子化学培训班中级量子化学培训班高级量子化学培训班量子化学波函数分析与Multiwfn程序培训班分子动力学与GROMACS培训班CP2K第一性原理计算培训班,内容介绍以及往届资料购买请点击相应链接查看。这些培训是计算化学从零快速入门以及进一步全面系统性提升研究水平的高速路!培训各种常见问题见《北京科音办的培训班FAQ》
欢迎加入北京科音微信公众号获取北京科音培训的最新消息,并避免错过网上有价值的计算化学文章!
欢迎加入人气极高、专业性特别强的理论与计算化学综合交流群思想家公社QQ群(群号见此链接),合计达一万多人。北京科音培训班的学员在群中可申请VIP头衔,提问将得到群主Sobereva的最优先解答。
思想家公社的门口Blog:http://sobereva.com(发布大量原创计算化学相关博文)
Multiwfn主页:http://sobereva.com/multiwfn(十分强大、极为流行的量子化学波函数分析程序)
Google Scholar:https://scholar.google.com/citations?user=tiKE0qkAAAAJ
ResearchGate:https://www.researchgate.net/profile/Tian_Lu

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2023-6-13 20:33:29 | 只看该作者 Only view this author
sobereva 发表于 2023-6-13 14:02
之前我说过无数遍,很多教程里NPT之前先做NVT都是完全多余的

冰点以下情况用一般的水模型描述不佳,应当 ...

谢谢sob老师!我再仔细学习下

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