分子动力学仿真软件：GROMACS_（5）.体系构建及拓扑文件生成

对于复杂体系，有时需要自定义拓扑文件。GROMACS提供了一种灵活的拓扑文件格式，允许用户定义新的原子类型、键、角、二面角等。在拓扑文件中，可以使用部分定义新的原子类型。;在拓扑文件中，可以使用部分定义新的分子类型。;MOL1 3;;;;Dihedrals;;Exclusions;ai aj1 2在分子动力学仿真中，需要定义一个仿真盒子，以容纳所有的分子。

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kkchenjj · 2025-12-03 21:51:48 发布

体系构建及拓扑文件生成

在分子动力学仿真中，体系构建和拓扑文件生成是至关重要的步骤。这一部分将详细介绍如何使用GROMACS软件进行体系构建和拓扑文件生成。我们将从基本的概念入手，逐步介绍如何准备分子结构文件、生成拓扑文件、构建仿真体系，并进行必要的检查和优化。

1. 准备分子结构文件

1.1 分子结构文件的格式

在GROMACS中，分子结构文件通常以.gro格式存储。.gro文件包含了分子的原子坐标、原子类型、分子名称等信息。此外，GROMACS还支持其他格式的结构文件，如.pdb和.g96，但这些文件通常需要转换为.gro格式才能在GROMACS中使用。

1.1.1 `.gro`文件的结构

一个典型的.gro文件包含以下部分：

文件头：包含文件名称和注释信息。
原子数量：表示文件中包含的原子总数。
原子信息：每一行包含一个原子的详细信息，包括分子名称、原子名称、原子编号、坐标等。
箱子尺寸：表示仿真盒子的尺寸。


; This is a comment

10

MOL1  C1   1   1.00000   2.00000   3.00000

MOL1  C2   2   1.50000   2.50000   3.50000

MOL2  O1   3   2.00000   3.00000   4.00000

MOL2  H1   4   2.50000   3.50000   4.50000

MOL2  H2   5   3.00000   3.50000   4.00000

MOL3  N1   6   3.50000   4.00000   5.00000

MOL3  C1   7   4.00000   4.50000   5.50000

MOL3  H1   8   4.50000   5.00000   6.00000

MOL3  H2   9   5.00000   5.50000   6.50000

MOL3  H3  10   5.50000   6.00000   7.00000

10.00000 10.00000 10.00000

1.2 从PDB文件转换为GRO文件

PDB文件是一种常用的分子结构文件格式，通常用于存储蛋白质、核酸等生物大分子的结构信息。GROMACS提供了pdb2gmx工具，可以将PDB文件转换为GRO文件，并生成相应的拓扑文件。

1.2.1 使用pdb2gmx工具

pdb2gmx工具的使用步骤如下：

准备PDB文件。
运行pdb2gmx命令。
选择力场。
选择水模型。
生成GRO文件和拓扑文件。


# 运行pdb2gmx命令

pdb2gmx -f input.pdb -o output.gro -p topol.top -water tip3p

在运行pdb2gmx时，GROMACS会提示用户选择力场和水模型。常见的力场有GROMOS、OPLS、CHARMM等，常见的水模型有SPC、SPC/E、TIP3P等。

1.3 从其他格式转换为GRO文件

除了PDB文件，GROMACS还支持从其他格式的文件转换为GRO文件。例如，从G96文件转换为GRO文件可以使用gmx editconf工具。

1.3.1 使用gmx editconf工具

gmx editconf工具的使用步骤如下：

准备G96文件。
运行gmx editconf命令。
生成GRO文件。


# 运行gmx editconf命令

gmx editconf -f input.g96 -o output.gro

2. 生成拓扑文件

2.1 拓扑文件的结构

在GROMACS中，拓扑文件通常以.top格式存储。拓扑文件包含了分子的原子类型、键、角、二面角等信息，以及力场参数。一个典型的.top文件包含以下部分：

文件头：包含文件名称和注释信息。
包含文件：指向包含力场参数的文件。
分子类型：定义分子的原子类型、键、角、二面角等。
分子：定义体系中包含的分子及其数量。
系统：定义整个体系的信息。

2.1.1 拓扑文件的示例


; This is a comment

; Include force field parameters

#include "charmm36.ff/forcefield.itp"



; Molecule type

[ moleculetype ]

; Name            nrexcl

MOL1              3



; Atoms

[ atoms ]

;   nr  type  resnr  residu  atom  cgnr  charge  mass

1   C1   1  MOL1  C1   1  0.000  12.011

2   C2   1  MOL1  C2   1  0.000  12.011



; Bonds

[ bonds ]

;  ai  aj  funct  c0  c1

1   2   1   0.12000  370000.00



; Angles

[ angles ]

;  ai  aj  ak  funct  c0  c1

1   2   3   1   120.000  250.00



; Dihedrals

[ dihedrals ]

;  ai  aj  ak  al  funct  c0  c1  c2  c3

1   2   3   4   1   180.000  200.000  0  0



; Exclusions

[ exclusions ]

;  ai  aj

1   2



; System

[ system ]

; Name

System



; Molecules

[ molecules ]

; Compound  number

MOL1  1

MOL2  2

MOL3  3

2.2 使用GROMACS工具生成拓扑文件

GROMACS提供了多种工具来生成拓扑文件，其中最常用的是pdb2gmx和gmx make_ndx。

2.2.1 使用pdb2gmx生成拓扑文件

在上一节中，我们已经使用pdb2gmx工具将PDB文件转换为GRO文件，并生成了相应的拓扑文件。这里再详细说明一下pdb2gmx的使用：

准备PDB文件。
运行pdb2gmx命令。
选择力场。
选择水模型。
生成GRO文件和拓扑文件。


# 运行pdb2gmx命令

pdb2gmx -f input.pdb -o output.gro -p topol.top -water tip3p

2.2.2 使用gmx make_ndx生成索引文件

gmx make_ndx工具用于生成索引文件，索引文件定义了分子的不同部分，如蛋白质、水、离子等。索引文件的生成步骤如下：

准备GRO文件。
运行gmx make_ndx命令。
选择或定义索引组。
生成索引文件。


# 运行gmx make_ndx命令

gmx make_ndx -f output.gro -o index.ndx

在运行gmx make_ndx时，GROMACS会提示用户选择或定义索引组。例如，可以选择所有蛋白质原子、所有水分子等。

2.3 自定义拓扑文件

对于复杂体系，有时需要自定义拓扑文件。GROMACS提供了一种灵活的拓扑文件格式，允许用户定义新的原子类型、键、角、二面角等。

2.3.1 定义新的原子类型

在拓扑文件中，可以使用[ atomtypes ]部分定义新的原子类型。例如：


[ atomtypes ]

; name  at.num  mass  charge  ptype  sigma  epsilon

C1      6      12.011  0.000  A      0.340  0.200

C2      6      12.011  0.000  A      0.350  0.210

O1      8      15.999  -0.820  A      0.310  0.150

H1      1      1.008   0.410   A      0.290  0.100

H2      1      1.008   0.410   A      0.290  0.100

2.3.2 定义新的分子类型

在拓扑文件中，可以使用[ moleculetype ]部分定义新的分子类型。例如：


[ moleculetype ]

; Name            nrexcl

MOL1              3



; Atoms

[ atoms ]

;   nr  type  resnr  residu  atom  cgnr  charge  mass

1   C1   1  MOL1  C1   1  0.000  12.011

2   C2   1  MOL1  C2   1  0.000  12.011



; Bonds

[ bonds ]

;  ai  aj  funct  c0  c1

1   2   1   0.12000  370000.00



; Angles

[ angles ]

;  ai  aj  ak  funct  c0  c1

1   2   3   1   120.000  250.00



; Dihedrals

[ dihedrals ]

;  ai  aj  ak  al  funct  c0  c1  c2  c3

1   2   3   4   1   180.000  200.000  0  0



; Exclusions

[ exclusions ]

;  ai  aj

1   2

2.4 拓扑文件的检查和优化

生成拓扑文件后，需要对其进行检查和优化，以确保文件的正确性和完整性。

2.4.1 使用gmx check工具检查拓扑文件

gmx check工具可以用于检查拓扑文件的正确性。运行步骤如下：

准备拓扑文件。
运行gmx check命令。


# 运行gmx check命令

gmx check -f topol.top

gmx check会输出拓扑文件中的各种信息，帮助用户检查文件的正确性。

2.4.2 使用gmx grompp工具优化拓扑文件

gmx grompp工具可以用于生成运行输入文件（.tpr文件），并进行必要的优化。运行步骤如下：

准备拓扑文件、结构文件和MD参数文件。
运行gmx grompp命令。


# 运行gmx grompp命令

gmx grompp -f md.mdp -c output.gro -p topol.top -o system.tpr

gmx grompp会生成一个.tpr文件，这个文件包含了所有必要的仿真参数和初始条件。

3. 构建仿真体系

3.1 定义仿真盒子

在分子动力学仿真中，需要定义一个仿真盒子，以容纳所有的分子。GROMACS提供了多种方法来定义仿真盒子。

3.1.1 使用gmx editconf工具定义仿真盒子

gmx editconf工具可以用于定义和调整仿真盒子。运行步骤如下：

准备结构文件。
运行gmx editconf命令。


# 运行gmx editconf命令

gmx editconf -f output.gro -o box.gro -d 1.0 -bt cubic

在上面的命令中，-d 1.0表示最小距离为1.0纳米，-bt cubic表示仿真盒子为立方体。

3.2 添加溶剂

在大多数分子动力学仿真中，需要在体系中添加溶剂分子。GROMACS提供了gmx solvate工具来实现这一点。

3.2.1 使用gmx solvate工具添加溶剂

gmx solvate工具的使用步骤如下：

准备结构文件和拓扑文件。
运行gmx solvate命令。


# 运行gmx solvate命令

gmx solvate -cp box.gro -cs spc216.gro -o solvated.gro -p topol.top

在上面的命令中，-cp box.gro表示待填充盒子的结构文件，-cs spc216.gro表示溶剂分子的结构文件，-o solvated.gro表示输出文件，-p topol.top表示拓扑文件。

3.3 添加离子

在某些仿真中，需要添加离子以中和体系的电荷。GROMACS提供了gmx grompp和gmx genion工具来实现这一点。

3.3.1 使用gmx genion工具添加离子

gmx genion工具的使用步骤如下：

准备结构文件和拓扑文件。
运行gmx grompp生成运行输入文件。
运行gmx genion命令。


# 运行gmx grompp命令

gmx grompp -f ions.mdp -c solvated.gro -p topol.top -o ions.tpr



# 运行gmx genion命令

gmx genion -s ions.tpr -o solvated_ions.gro -p topol.top -neutral -conc 0.15

在上面的命令中，-s ions.tpr表示运行输入文件，-o solvated_ions.gro表示输出文件，-p topol.top表示拓扑文件，-neutral表示中和体系的电荷，-conc 0.15表示溶剂中的离子浓度为0.15 M。

3.4 系统能量最小化

在添加溶剂和离子后，需要进行系统能量最小化，以去除不合理的原子位置和相互作用。GROMACS提供了gmx grompp和gmx mdrun工具来实现这一点。

3.4.1 使用gmx grompp和gmx mdrun进行能量最小化

能量最小化的步骤如下：

准备MD参数文件。
运行gmx grompp生成运行输入文件。
运行gmx mdrun进行能量最小化。


# 运行gmx grompp命令

gmx grompp -f minim.mdp -c solvated_ions.gro -p topol.top -o minim.tpr



# 运行gmx mdrun命令

gmx mdrun -v -deffnm minim

在上面的命令中，-f minim.mdp表示MD参数文件，-c solvated_ions.gro表示初始结构文件，-p topol.top表示拓扑文件，-o minim.tpr表示生成的运行输入文件，-v表示详细输出，-deffnm minim表示输出文件的前缀为minim。

4. 系统热化和平衡

4.1 系统热化

在能量最小化后，需要对系统进行热化，以确保系统达到所需的温度。这一过程通常通过NVT（恒定粒子数、体积和温度）模拟来实现。GROMACS提供了gmx grompp和gmx mdrun工具来实现这一点。

4.1.1 使用gmx grompp和gmx mdrun进行系统热化

系统热化的步骤如下：

准备MD参数文件：创建一个MD参数文件（如nvt.mdp），定义热化过程的参数。
运行gmx grompp生成运行输入文件：使用gmx grompp工具将MD参数文件、初始结构文件和拓扑文件组合成一个运行输入文件（.tpr文件）。
运行gmx mdrun进行热化：使用gmx mdrun工具进行热化模拟。


# 运行gmx grompp命令

gmx grompp -f nvt.mdp -c minim.gro -p topol.top -o nvt.tpr



# 运行gmx mdrun命令

gmx mdrun -v -deffnm nvt

在上面的命令中：

-f nvt.mdp：表示MD参数文件，通常包含热化过程的具体参数，如温度控制方法、模拟时间等。
-c minim.gro：表示初始结构文件，这里使用经过能量最小化的结构文件。
-p topol.top：表示拓扑文件，包含系统的分子类型和参数。
-o nvt.tpr：表示生成的运行输入文件，包含了所有必要的仿真参数和初始条件。
-v：表示详细输出，帮助用户更好地理解模拟过程。
-deffnm nvt：表示输出文件的前缀为nvt，生成的轨迹文件、能量文件等都会以此前缀命名。

4.1.2 NVT模拟参数文件示例

以下是一个典型的NVT模拟参数文件（nvt.mdp）的示例：


; NVT simulation parameters

title           = NVT equilibration

cpp             = /usr/bin/cpp

define          = -DPOSRES

integrator      = md

nsteps          = 50000

dt              = 0.002

nstxout         = 5000

nstvout         = 5000

nstenergy       = 5000

nstlog          = 5000

continuation    = no

table           = none

nstlist         = 10

ns_type         = grid

pbc             = xyz

coulombtype     = PME

rcoulomb        = 1.0

rvdw            = 1.0

constraints     = h-bonds

constraint_algorithm = lincs

lincs_iter      = 1

lincs_order     = 4

comm_mode       = Linear

comm_vec        = 0 0 1

comm_grps       = System

tcoupl          = nose-hoover

tc-grps         = System

tau_t           = 1.0

ref_t           = 300

4.2 系统平衡

在热化后，系统需要进一步平衡，以确保系统在恒定的压力下达到平衡状态。这一过程通常通过NPT（恒定粒子数、压力和温度）模拟来实现。GROMACS同样提供了gmx grompp和gmx mdrun工具来实现这一点。

4.2.1 使用gmx grompp和gmx mdrun进行系统平衡

系统平衡的步骤如下：

准备MD参数文件：创建一个MD参数文件（如npt.mdp），定义平衡过程的参数。
运行gmx grompp生成运行输入文件：使用gmx grompp工具将MD参数文件、热化后的结构文件和拓扑文件组合成一个运行输入文件（.tpr文件）。
运行gmx mdrun进行平衡：使用gmx mdrun工具进行平衡模拟。


# 运行gmx grompp命令

gmx grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -p topol.top -o npt.tpr



# 运行gmx mdrun命令

gmx mdrun -v -deffnm npt

在上面的命令中：

-f npt.mdp：表示MD参数文件，通常包含平衡过程的具体参数，如压力控制方法、模拟时间等。
-c nvt.gro：表示初始结构文件，这里使用经过NVT热化的结构文件。
-p topol.top：表示拓扑文件，包含系统的分子类型和参数。
-o npt.tpr：表示生成的运行输入文件，包含了所有必要的仿真参数和初始条件。
-v：表示详细输出，帮助用户更好地理解模拟过程。
-deffnm npt：表示输出文件的前缀为npt，生成的轨迹文件、能量文件等都会以此前缀命名。

4.2.2 NPT模拟参数文件示例

以下是一个典型的NPT模拟参数文件（npt.mdp）的示例：


; NPT simulation parameters

title           = NPT equilibration

cpp             = /usr/bin/cpp

define          = -DPOSRES

integrator      = md

nsteps          = 50000

dt              = 0.002

nstxout         = 5000

nstvout         = 5000

nstenergy       = 5000

nstlog          = 5000

continuation    = no

table           = none

nstlist         = 10

ns_type         = grid

pbc             = xyz

coulombtype     = PME

rcoulomb        = 1.0

rvdw            = 1.0

constraints     = h-bonds

constraint_algorithm = lincs

lincs_iter      = 1

lincs_order     = 4

comm_mode       = Linear

comm_vec        = 0 0 1

comm_grps       = System

tcoupl          = nose-hoover

tc-grps         = System

tau_t           = 1.0

ref_t           = 300

pcoupl          = Parrinello-Rahman

pcoupltype      = isotropic

tau_p           = 2.0

ref_p           = 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

compressibility = 4.5e-5 4.5e-5 4.5e-5 0 0 0

4.3 检查热化和平衡过程

在热化和平衡过程中，需要定期检查系统的能量、温度和压力等关键参数，以确保系统达到预期的平衡状态。

4.3.1 使用gmx energy工具检查能量

gmx energy工具可以用于分析仿真过程中的能量变化。运行步骤如下：

准备MD参数文件和轨迹文件。
运行gmx energy命令。


# 运行gmx energy命令

gmx energy -f nvt.edr -o nvt_energy.xvg

在上面的命令中：

-f nvt.edr：表示能量文件，通常由gmx mdrun生成。
-o nvt_energy.xvg：表示输出文件，包含能量的变化曲线。

4.3.2 使用gmx traj工具检查轨迹

gmx traj工具可以用于分析仿真过程中的轨迹变化。运行步骤如下：

准备MD参数文件和轨迹文件。
运行gmx traj命令。


# 运行gmx traj命令

gmx traj -f nvt.xtc -s nvt.tpr -o nvt_traj.pdb

在上面的命令中：

-f nvt.xtc：表示轨迹文件，通常由gmx mdrun生成。
-s nvt.tpr：表示运行输入文件，包含仿真参数和初始条件。
-o nvt_traj.pdb：表示输出文件，包含轨迹的变化。

4.4 检查温度和压力

在NVT和NPT模拟过程中，需要检查系统的温度和压力是否达到了预期值。GROMACS提供了多种工具来帮助用户进行这些检查。

4.4.1 使用gmx energy工具检查温度

gmx energy工具可以用于分析仿真过程中的温度变化。运行步骤如下：

准备MD参数文件和能量文件。
运行gmx energy命令。


# 运行gmx energy命令

gmx energy -f nvt.edr -o nvt_temperature.xvg

在上面的命令中，-f nvt.edr表示能量文件，-o nvt_temperature.xvg表示输出文件，包含温度的变化曲线。

4.4.2 使用gmx energy工具检查压力

gmx energy工具同样可以用于分析仿真过程中的压力变化。运行步骤如下：

准备MD参数文件和能量文件。
运行gmx energy命令。


# 运行gmx energy命令

gmx energy -f npt.edr -o npt_pressure.xvg

在上面的命令中，-f npt.edr表示能量文件，-o npt_pressure.xvg表示输出文件，包含压力的变化曲线。

5. 生产模拟

在完成热化和平衡过程后，可以进行生产模拟，生成详细的分子动力学轨迹和能量数据。

5.1 准备生产模拟的MD参数文件

生产模拟的MD参数文件通常与平衡过程的参数文件类似，但模拟时间会更长。以下是一个典型的生产模拟参数文件（md.mdp）的示例：


; Production MD simulation parameters

title           = Production MD

cpp             = /usr/bin/cpp

define          = -DPOSRES

integrator      = md

nsteps          = 5000000

dt              = 0.002

nstxout         = 5000

nstvout         = 5000

nstenergy       = 5000

nstlog          = 5000

continuation    = no

table           = none

nstlist         = 10

ns_type         = grid

pbc             = xyz

coulombtype     = PME

rcoulomb        = 1.0

rvdw            = 1.0

constraints     = h-bonds

constraint_algorithm = lincs

lincs_iter      = 1

lincs_order     = 4

comm_mode       = Linear

comm_vec        = 0 0 1

comm_grps       = System

tcoupl          = nose-hoover

tc-grps         = System

tau_t           = 1.0

ref_t           = 300

pcoupl          = Parrinello-Rahman

pcoupltype      = isotropic

tau_p           = 2.0

ref_p           = 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

compressibility = 4.5e-5 4.5e-5 4.5e-5 0 0 0

5.2 运行生产模拟

生产模拟的步骤如下：

准备MD参数文件：使用上面的生产模拟参数文件（md.mdp）。
运行gmx grompp生成运行输入文件：使用gmx grompp工具将MD参数文件、平衡后的结构文件和拓扑文件组合成一个运行输入文件（.tpr文件）。
运行gmx mdrun进行生产模拟：使用gmx mdrun工具进行生产模拟。


# 运行gmx grompp命令

gmx grompp -f md.mdp -c npt.gro -p topol.top -o md.tpr



# 运行gmx mdrun命令

gmx mdrun -v -deffnm md

在上面的命令中：

-f md.mdp：表示生产模拟的MD参数文件。
-c npt.gro：表示初始结构文件，这里使用经过NPT平衡的结构文件。
-p topol.top：表示拓扑文件，包含系统的分子类型和参数。
-o md.tpr：表示生成的运行输入文件，包含了所有必要的仿真参数和初始条件。
-v：表示详细输出，帮助用户更好地理解模拟过程。
-deffnm md：表示输出文件的前缀为md，生成的轨迹文件、能量文件等都会以此前缀命名。

5.3 分析生产模拟结果

生产模拟完成后，需要对生成的数据进行分析，以提取有用的信息。

5.3.1 使用gmx energy工具分析能量

gmx energy工具可以用于分析生产模拟过程中的能量变化。运行步骤如下：

准备MD参数文件和能量文件。
运行gmx energy命令。


# 运行gmx energy命令

gmx energy -f md.edr -o md_energy.xvg

5.3.2 使用gmx rms工具分析均方根偏差

gmx rms工具可以用于分析生产模拟过程中的均方根偏差（RMSD），以评估系统的稳定性。运行步骤如下：

准备MD参数文件和轨迹文件。
运行gmx rms命令。


# 运行gmx rms命令

gmx rms -f md.xtc -s md.tpr -o md_rmsd.xvg

5.3.3 使用gmx trjconv工具处理轨迹文件

gmx trjconv工具可以用于处理轨迹文件，例如去掉PBC效应、生成特定时间点的结构文件等。运行步骤如下：

准备MD参数文件和轨迹文件。
运行gmx trjconv命令。


# 运行gmx trjconv命令

gmx trjconv -f md.xtc -s md.tpr -o md_nopbc.xtc -pbc mol

在上面的命令中，-pbc mol表示去掉PBC效应，保留分子的完整性。

6. 总结

在分子动力学仿真中，体系构建和拓扑文件生成是至关重要的步骤。通过GROMACS提供的各种工具，可以有效地准备分子结构文件、生成拓扑文件、构建仿真体系，并进行必要的检查和优化。完成这些步骤后，可以进行热化、平衡和生产模拟，并对生成的数据进行分析，以提取有用的信息。

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随着AI应用落地的需求越来越广，很多导师都在催同学们学习一下LangGraph，但是阅读过程中发现基本上都是教大家怎么调用接口的，没有完整成体系的讲解其源码相关的文章。这样就会导致很多人对多智能体架构本身并没有什么理解，应用过程中会采取一些重复造轮子或者低效的实现方法，所以准备阅读过程中出个系列和大家一起读。