GROMACS 命令核心特点

1. 命名规范：所有 GROMACS 命令都以 gmx 开头，后跟具体的操作指令，gmx mdrun。
2. 交互式提示：许多 GROMACS 命令（尤其是设置和分析命令）是交互式的，当你运行命令时，它会通过命令行提示你选择选项或输入参数，这些提示通常包含默认值（用方括号 [] 标出），直接按回车键即可使用默认值。
3. 索引文件 (.ndx)：在进行选择性分析（如计算特定残基的距离、RMSF 等）时，通常需要先创建一个索引文件来定义原子组。

GROMACS 模拟完整流程及对应命令

一个标准的 MD 模拟流程通常包括以下几个步骤：

准备阶段

这一步的目标是准备好模拟所需的拓扑结构和坐标文件。

• pdb2gmx: 将 PDB 文件转换为 GROMACS 格式的拓扑和坐标文件。
  • 功能：根据力场选择，为分子（通常是蛋白质）添加原子名称、电荷和键角等拓扑信息，并生成 .gro (坐标) 和 .top (拓扑) 文件。
  • 交互式选择：它会提示你选择力场、水模型等。
  • 示例：

    gmx pdb2gmx -f protein.pdb -o processed.gro -water spc

定义模拟盒子

这一步将单个分子放入一个充满溶剂的盒子中。

• editconf: 编辑坐标文件，如调整盒子大小、形状等。
  • 功能：可以设置盒子类型（立方体、截角八面体、正交）、盒子边长、将分子置于盒子中心等。
  • 示例：

    gmx editconf -f processed.gro -o boxed.gro -c -d 1.0 -bt cubic

    • -c: 将分子置于盒子中心。
    • -d 1.0: 分子与盒子边界的最小距离为 1.0 纳米。
    • -bt cubic: 定义盒子为立方体。

溶剂化与添加离子

• solvate: 在盒子中添加溶剂分子（通常是水）。

  • 功能：根据盒子大小自动添加水分子，生成 solvated.gro。
  • 示例：

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

    • -cp: 溶质坐标文件。
    • -cs: 溶剂模型文件（如 spc216.gro 是预先生成的 SPC/E 水盒子）。
    • -p: 更新拓扑文件，加入溶剂分子的拓扑信息。

• genion: 添加离子以中和系统电荷并达到所需的离子强度。

  
  （图片来源网络，侵删）
  • 功能：替换水分子中的氢原子，添加 Na+ 或 Cl- 离子。
  • 示例：

    gmx genion -s solvated.tpr -o ionized.gro -p topol.top -pname NA+ -nname CL- -neutral

    • -s: 输入 tpr 文件（由 gmx grompp 生成，见下一步）。
    • -pname NA+: 正离子名称为 NA+。
    • -nname CL-: 负离子名称为 CL-。
    • -neutral: 系统总电荷设为 0。

能量最小化

• grompp (GROMACS Preprocessor): 编译 .top 和 .gro 文件，生成 .tpr (Portable XDR Run Input) 二进制文件。

  • 功能：这是运行任何模拟前的必要步骤，用于检查输入文件的完整性和正确性。
  • 示例：

    gmx grompp -f em.mdp -c ionized.gro -p topol.top -o em.tpr

    • -f: MD 参数文件 (.mdp)。
    • -c: 初始坐标文件。
    • -p: 拓扑文件。
    • -o: 输出的 tpr 文件。

• mdrun: 运行模拟。

  • 功能：这是执行 MD 模拟的核心命令。
  • 示例（能量最小化）：

    gmx mdrun -v -deffnm em

    • -v: 详细输出，显示进度。
    • -deffnm em: 使用 em 作为输入/输出文件的前缀（即读取 em.tpr，输出 em.trr, em.log, em.edr 等）。

平衡阶段

包括 NVT 系综（恒定粒子数、体积、温度）和 NPT 系综（恒定粒子数、压力、温度）的平衡。

• gmx grompp: 同上，使用不同的 .mdp 参数文件（如 nvt.mdp, npt.mdp）编译 tpr 文件。

  
  （图片来源网络，侵删）

• gmx mdrun: 运行平衡模拟。

  • 示例：

    # NVT 平衡
    gmx grompp -f nvt.mdp -c em.gro -p topol.top -o nvt.tpr
    gmx mdrun -deffnm nvt
    # NPT 平衡
    gmx grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -p topol.top -o npt.tpr
    gmx mdrun -deffnm npt

生产阶段

• gmx grompp: 使用生产模拟的 .mdp 文件（如 md.mdp）编译 tpr 文件。
• gmx mdrun: 运行生产模拟，产生轨迹文件（.xtc 或 .trr）和能量文件（.edr）。
  • 示例：

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

GROMACS 分析核心命令

模拟完成后,使用 gmx 命令套件对轨迹进行分析。绝大多数分析命令都需要先使用 gmx make_ndx 创建索引文件。

创建索引文件

• make_ndx: 创建或编辑索引文件 (.ndx)。
  • 功能：让你选择原子，给它们命名，并定义原子组，这些组名可以在后续分析中使用。
  • 交互式操作：
    1. 输入 q 退出。
    2. 输入 a + 残基号 + 原子名 来选择原子，a 1 3 选择残基1的原子3。
    3. 输入 r + 残基号 选择整个残基，r 1 选择残基1。
    4. 输入 name + 组名 来给当前选中的原子组命名，name 1 Protein。
    5. 重复步骤 2-4 定义其他组（如 SOL, LIG）。
  • 示例：

    gmx make_ndx -f md.tpr -o index.ndx

常用分析命令

• energy: 提取能量信息。

  • 功能：从 .edr 文件中读取并绘制能量随时间的变化，如动能、势能、温度、压力等。
  • 示例：

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

    • 交互式提示：它会列出所有可用的能量项，让你选择要绘制的项（通常使用 0 选择全部）。

• rmsd: 计算均方根偏差。

  • 功能：计算原子或骨架相对于参考结构的位移。
  • 示例：

    gmx rmsd -s md.tpr -f md.xtc -o rmsd.xvg -tu ns

    • -tu ns: 将 x 轴单位设置为纳秒。
    • 交互式提示：它会让你选择一个参考结构（通常选第一个），然后选择要计算的原子组（如 Backbone）。

• rmsf: 计算均方根涨落。

  • 功能：计算每个残基（或原子）的平均位移，用于评估柔性区域。
  • 示例：

    gmx rmsf -s md.tpr -f md.xtc -o rmsf.xvg -res

    • -res: 按残基输出结果。

• gyrate: 计算回转半径。

  • 功能：衡量分子的紧凑程度。
  • 示例：

    gmx gyrate -s md.tpr -f md.xtc -o gyrate.xvg

• hbond: 分析氢键。

  • 功能：计算氢键的数量、存在时间等。
  • 示例：

    gmx hbond -s md.tpr -f md.xtc -num hbond.xvg

• mindist: 计算最小距离。

  • 功能：计算两个原子组之间的最小距离。
  • 示例：

    gmx mindist -s md.tpr -f md.xtc -n index.ndx -o mindist.xvg

    • 交互式提示：它会让你选择第一个原子组（如 Protein），然后选择第二个原子组（如 LIG）。

• sasa: 计算溶剂可及表面积。

  • 功能：衡量分子暴露在溶剂中的表面积。
  • 示例：

    gmx sasa -s md.tpr -f md.xtc -o sasa.xvg -n index.ndx

    交互式提示：让你选择要计算的原子组。

• density: 计算密度。

  • 功能：计算沿 Z 轴的密度分布。
  • 示例：

    gmx density -s md.tpr -f md.xtc -o density.xvg -d Z -sl 30

    • -d Z: 沿 Z 轴计算。
    • -sl 30: 将 Z 轴分成30个薄片。

• angle / dihedral: 计算键角或二面角。

  • 功能：分析特定键角或二面角的变化。
  • 示例：

    gmx angle -s md.tpr -f md.xtc -n index.ndx -o angle.xvg

    交互式提示：让你选择要分析的键角。

• trjconv: 轨迹文件转换和编辑。

  • 功能：非常强大的工具，用于转换轨迹格式（.xtc -> .pdb）、裁剪轨迹、旋转/平移分子、仅输出特定帧等。
  • 示例（将最后一帧保存为 PDB 文件）：

    gmx trjconv -s md.tpr -f md.xtc -o last_frame.pdb -dump 0

    • -dump 0: 输出第0帧（即最后一帧）。-dump 100 则输出第100帧。

完整工作流示例

# 1. 准备拓扑和坐标
gmx pdb2gmx -f 1AKI.pdb -o processed.gro -water spce
# 2. 定义盒子
gmx editconf -f processed.gro -o boxed.gro -c -d 1.0 -bt cubic
# 3. 溶剂化
gmx solvate -cp boxed.gro -cs spc216.gro -o solvated.gro -p topol.top
# 4. 添加离子 (需要先生成一个 tpr 文件)
gmx grompp -f ions.mdp -c solvated.gro -p topol.top -o ions.tpr
gmx genion -s ions.tpr -o ionized.gro -p topol.top -pname NA+ -nname CL- -neutral
# 5. 能量最小化
gmx grompp -f em.mdp -c ionized.gro -p topol.top -o em.tpr
gmx mdrun -deffnm em
# 6. NVT 平衡
gmx grompp -f nvt.mdp -c em.gro -p topol.top -o nvt.tpr
gmx mdrun -deffnm nvt
# 7. NPT 平衡
gmx grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -p topol.top -o npt.tpr
gmx mdrun -deffnm npt
# 8. 生产模拟
gmx grompp -f md.mdp -c npt.gro -p topol.top -o md.tpr
gmx mdrun -deffnm md -v
# 9. 分析
# 9.1 创建索引文件
gmx make_ndx -f md.tpr -o index.ndx
# (在交互模式下选择蛋白质残基，输入 'name 1 Protein'，选择配体残基，输入 'name 2 LIG'，输入 'q' 退出)
# 9.2 计算蛋白质骨架的 RMSD
gmx rmsd -s md.tpr -f md.xtc -o rmsd.xvg -tu ns -n index.ndx
# (交互式提示：选择 'Backbone' 或 'Protein')
# 9.3 计算蛋白质和配体之间的最小距离
gmx mindist -s md.tpr -f md.xtc -n index.ndx -o mindist.xvg
# (交互式提示：先选择 'Protein'，再选择 'LIG')
# 9.4 提取能量
gmx energy -f md.edr -o energy.xvg
# (交互式提示：选择 'Bonded', 'Nonbonded', 'Coulomb', 'LJ', 'Temperature', 'Pressure' 等)

GROMACS 的命令行操作虽然初看复杂，但一旦掌握了其流程和核心命令，就会变得非常高效和强大，关键在于：

1. 理解流程：从准备到分析，每一步的目的和输入输出是什么。
2. 善用 .mdp 文件：.mdp 文件是模拟的“灵魂”，决定了模拟的物理参数。
3. 掌握 make_ndx：这是进行选择性分析的“钥匙”。
4. 查阅官方文档：GROMACS 官方文档 (https://manual.gromacs.org/current/) 是最权威、最详细的参考资料，每个命令都有详尽的说明和示例。

希望这份详细的梳理对您有帮助！