GROMACS 命令概览

GROMACS 的命令通常遵循 gmx 前缀，后面跟着具体的子命令，所有子命令都可以通过 gmx help 来查看。

基本结构： gmx [子命令] [选项]

gmx mdrun -v -deffnm md

系统准备阶段

这个阶段的目标是将你的生物分子（如蛋白质）转换成 GROMACS 可以识别的格式,并为其构建一个合适的模拟环境。

pdb2gmx

功能： 将 PDB (Protein Data Bank) 文件转换为 GROMACS 的拓扑结构格式（.gro 和 .top）。 作用：

• 根据力场（如 CHARMM36, AMBER, OPLS-AA）为分子添加原子类型和键角参数。
• 处理缺失的原子（如蛋白质末端的氢原子）。
• 识别残基，并生成拓扑文件 topol.top。
• 生成初始坐标文件 processed.gro。

常用选项：

• -f <filename.pdb>: 指定输入的 PDB 文件。
• -o <filename.gro>: 指定输出的坐标文件。
• -water <model>: 指定水模型，spc, spce, tip3p, tip4pew。
• -ignh: 忽略 PDB 文件中的氢原子（常用于实验结构）。
• -ff <forcefield>: 指定力场，charmm36, amber99sb-ildn, oplsaa。

示例：

# 使用 CHARMM36 力场和 TIP3P 水模型处理一个蛋白质 PDB 文件
gmx pdb2gmx -f protein.pdb -o processed.gro -water tip3p -ff charmm36

editconf

功能： 编辑坐标文件（.gro 或 .pdb），主要用来定义模拟盒子。 作用：

• 设置模拟盒子的形状（立方体、正交、三斜等）。
• 设置盒子的大小（边长）。
• 将分子置于盒子中心。
• 转换文件格式。

常用选项：

• -f <filename.gro>: 输入坐标文件。
• -o <filename.gro>: 输出坐标文件。
• -c: 将分子置于盒子中心。
• -box <dx, dy, dz>: 设置立方体或正交盒子的尺寸（单位：纳米）。
• -d <distance>: 设置分子与盒子边界的最小距离（单位：纳米）。
• -bt <type>: 设置盒子类型，cubic (立方体), dodecahedron (十二面体), triclinic (三斜)。

示例：

# 将 processed.gro 中的分子放入一个距离边界至少 1.0 nm 的立方体盒子中
gmx editconf -f processed.gro -o boxed.gro -c -d 1.0 -bt cubic

genion

功能： 在已溶水的体系中添加或替换离子，以中和体系电荷或达到特定的离子浓度。 作用：

• 替换水分子为离子（如 Na+, Cl-）。
• 在体系中添加额外的离子。

常用选项：

• -s <filename.tpr>: 输入一个 .tpr 文件（通常由 gmx grompp 生成）。
• -o <filename.gro>`: 输出坐标文件。
• -p <filename.top>`: 输出拓扑文件（会更新）。
• -pname `: 阳离子的名称（如 NA）。
• -nname `: 阴离子的名称（如 CL）。
• -neutral`: 自动添加离子以中和体系总电荷。
• -conc <mol/L>`: 添加离子以达到指定的浓度。

示例：

# 首先生成输入文件 tpr
gmx grompp -f ions.mdp -c boxed.gro -p topol.top -o ions.tpr
# 然后使用 genion 中和体系电荷
# 注意：运行后会弹出让你选择替换哪种原子的菜单，通常选择 SOL (水)
gmx genion -s ions.tpr -o ionized.gro -p topol.top -neutral

模拟运行阶段

这个阶段使用准备好的拓扑和坐标文件，通过 GROMACS 预处理程序生成二进制输入文件,然后运行动力学模拟。

gmx grompp

功能： GROMACS Preprocessor，GROMACS 模拟的编译器，它读取 .mdp (参数文件)、.top (拓扑文件) 和 .gro (坐标文件)，生成一个可执行的二进制输入文件 .tpr (Portable xdr Run-input file)。 作用：

• 检查所有输入文件的兼容性。
• 将所有参数整合成一个 .tpr 文件，供 mdrun 使用。

常用选项：

• -f <filename.mdp>: 指定 MD 参数文件。
• -c <filename.gro>: 指定初始坐标文件。
• -p <filename.top>: 指定拓扑文件。
• -o <filename.tpr>: 指定输出的 .tpr 文件。
• -po <filename.mdp>: 输出合并了所有参数的 .mdp 文件（用于检查）。

示例：

# 使用 em.mdp (能量最小化参数) 文件编译能量最小化任务
gmx grompp -f em.mdp -c ionized.gro -p topol.top -o em.tpr
# 使用 md.mdp (分子动力学参数) 文编译生产模拟任务
gmx grompp -f md.mdp -c ionized.gro -p topol.top -o md.tpr

gmx mdrun

功能： GROMACS 的核心执行引擎，负责运行分子动力学模拟。 作用：

• 读取 .tpr 文件,执行模拟。
• 输出轨迹文件（.xtc, .trr）、能量文件（.edr）和其他日志文件。

常用选项：

• -s <filename.tpr>: 指定输入的 .tpr 文件。
• -deffnm <prefix>: 默认文件名前缀。-deffnm md 会生成 md.xtc, md.log, md.edr 等,这是最常用的选项。
• -v: 详细输出,在终端显示模拟进度。
• -nt `: 使用指定的 CPU 核心数进行并行计算。
• -gpu_id `: 指定使用的 GPU ID（如果编译时支持 GPU）。
• -cpi 从检查点文件（.cpt`）继续中断的模拟。
• -stepout `: 每隔 N 步在屏幕和日志文件中输出一次能量信息。

示例：

# 运行一个以 md.tpr 为输入，并以 md 为前缀输出文件的模拟
gmx mdrun -s md.tpr -deffnm md -v -nt 8

模拟分析阶段

模拟结束后，需要对庞大的轨迹文件进行分析,以获得有意义的物理化学信息。

gmx energy

功能： 从 .edr 能量文件中提取特定的能量项数据，并输出为可用于绘图（如 xmgrace, gnuplot, Python/Matlab）的文本文件。 作用：

• 提取温度、压力、动能、势能、键长、角度等随时间变化的数据。

常用选项：

• -f <filename.edr>: 输入能量文件。
• -o <filename.xvg>: 输出的 ASCII 图形文件。
• -b <time>: 开始分析的时间（单位：ps）。
• -e <time>: 结束分析的时间（单位：ps）。

示例：

# 从 md.edr 中提取温度和压力数据
# 运行后会弹出让你选择需要提取的项的菜单（输入编号即可）
gmx energy -f md.edr -o temp_pressure.xvg

gmx rmsd

功能： 计算坐标均方根偏差，常用来衡量结构相对于初始构象的稳定性。 作用：

• 计算蛋白质骨架（Backbone）或所有重原子（Heavy Atoms）的 RMSD。

常用选项：

• -s <filename.tpr>: 参考结构的 .tpr 文件。
• -f <filename.xtc>`: 轨迹文件。
• -o <filename.xvg>`: 输出的 RMSD 图形文件。
• -tu <ps|ns|fs>`: X 轴的时间单位。

示例：

# 计算蛋白质骨架相对于初始结构的 RMSD
gmx rmsd -s md.tpr -f md.xtc -o rmsd.xvg -tu ns

gmx rmsf

功能： 计算坐标均方根涨落，常用来分析蛋白质的柔性区域。 作用：

• 输出每个残基或原子的 RMSF 值,残基值高则表示该区域运动剧烈。

常用选项：

• -s <filename.tpr>: 参考结构的 .tpr 文件。
• -f <filename.xtc>`: 轨迹文件。
• -o <filename.xvg>`: 输出的 RMSF 图形文件。
• -res`: 按残基输出 RMSF 值。

示例：

# 计算每个残基的 RMSF
gmx rmsf -s md.tpr -f md.xtc -o rmsf.xvg -res

gmx distance

功能： 计算两个组（如两个原子、两个残基）之间的距离随时间的变化。 作用：

• 用于测量关键相互作用距离、构象变化等。

常用选项：

• -s <filename.tpr>: 输入文件。
• -f <filename.xtc>`: 轨迹文件。
• -o <filename.xvg>`: 输出的距离图形文件。
• -select 使用索引组选择原子（需要先用gmx make_ndx` 创建组）。

示例：

# 假设我们已经用 make_ndx 创建了名为 "res1" 和 "res2" 的组
gmx distance -s md.tpr -f md.xtc -o-dist distances.xvg -select "res1 and res2"

gmx hbond

功能： 分析氢键的形成情况。 作用：

• 计算氢键的数量、存在时间、供体-受体距离和角度等。

常用选项：

• -s <filename.tpr>: 输入文件。
• -f <filename.xtc>`: 轨迹文件。
• -num <filename.xvg>`: 输出氢键数量的图形文件。
• -hb <filename.hbm>`: 输出氢键详细信息。

示例：

# 分析蛋白质内部和蛋白质-水之间的氢键
gmx hbond -s md.tpr -f md.xtc -num hbond_num.xvg

gmx sasa

功能： 计算溶剂可及表面积。 作用：

• 评估分子的疏水性或暴露程度。

常用选项：

• -s <filename.tpr>: 输入文件。
• -f <filename.xtc>`: 轨迹文件。
• -o <filename.xvg>`: 输出的 SASA 图形文件。

示例：

# 计算蛋白质整体的溶剂可及表面积
gmx sasa -s md.tpr -f md.xtc -o sasa.xvg

gmx cluster

功能： 对轨迹进行聚类分析，找到代表性构象。 作用：

• 将模拟过程中的构象按照相似性分组，找到几个代表性的结构,用于后续分析或可视化。

常用选项：

• -s <filename.tpr>: 输入文件。
• -f <filename.xtc>`: 轨迹文件。
• -o <filename.xvg>`: 输出聚类大小随时间变化的图形文件。
• -cl <filename.gro>`: 输出每个簇的中心结构。

示例：

# 使用 RMSD 作为衡量标准进行聚类，找到 10 个代表性构象
gmx cluster -s md.tpr -f md.xtc -o clusters.xvg -cl cluster_structures.gro -method gromos -nstructs 10

辅助工具

gmx make_ndx

功能： 交互式地创建原子组索引。 作用：

• 这是很多分析命令（如 distance, rmsd）的前提,用于选择特定的原子集合。

使用方法：

1. 运行命令：gmx make_ndx -f md.tpr
2. 根据提示输入命令：
   • a: 选择所有原子。
   • r 1: 选择第一个残基。
   • name 1 Backbone: 将当前选择的组命名为 "Backbone"。
   • q: 退出。

示例：

# 创建一个蛋白质骨架的组
gmx make_ndx -f md.tpr
# (在交互界面中输入)
> a C CA N O
> name 1 Backbone
> q

gmx trjconv

功能： 转换和处理轨迹文件。 作用：

• 改变轨迹文件的格式（.xtc -> .trr）。
• 选取轨迹的一部分（时间范围）。
• 选取体系的某一部分（如蛋白质、配体）。
• 重新设置盒子（-pbc）。

常用选项：

• -s <filename.tpr>: 输入文件（用于获取拓扑信息）。
• -f <filename.xtc>`: 输入轨迹文件。
• -o <filename.xtc>`: 输出轨迹文件。
• -b `: 开始时间。
• -e `: 结束时间。
• -center`: 将选择的组置于盒子中心。
• -pbc <mol|res|atom> 处理周期性边界条件，mol(分子),res(残基),atom` (原子)。

示例：

# 选取从 10ns 到 20ns 的轨迹，并将蛋白质置于中心
gmx trjconv -s md.tpr -f md.xtc -o centered.xtc -b 10000 -e 20000 -center -pbc mol

掌握这些核心命令，你就可以完成绝大多数 GROMACS 模拟任务了，建议结合 GROMACS 官方手册和教程进行深入学习。