自由能形貌绘制

1. 自由能形貌图(free energy landscape，FEL）

自由能形貌图，就是用一张图来表示分子的构象自由能的变化。比如文献中常见的这类图：

图上不同的能量洼地表示不同的低能量构象。这种自由能景观图表征的是构象的相对自由能而非绝对自由能。一般可以通过两个描述体系特征的量来进行绘制，如这里的两个片段的RMSD。文献中的自由能形貌图通常利用RMSD和gyrate，或者体系运动的前两个主成分PC1和PC2来进行绘制。

所谓主成分，是通过主成分分析（PCA，一种降维手段）得到的。比如说N个原子的蛋白，其运动轨迹在普通分子动力学模拟中是通过3N维笛卡尔坐标来描述的，这样高维的数据很难分析和理解。通过PCA，可以从高维数据中分析出主要的影响因素（称为本征向量）。前几个本征向量一般可以描述分子运动的大部分信息，也被称作主成分。

2. 利用gmx绘制FEL

下文绘制FEL的轨迹来自于某一蛋白（某五聚体）模拟的后20ns，也即使用的是模拟稳定之后的状态下的蛋白轨迹。其文件为pro20.xtc，对应的参数文件为pro.tpr。在最开始，请先对轨迹进行周期性校正，并消除平动和转动的影响(-fit rot+trans)：

# 1. 自行校正周期性# 2. 用下行的命令去除蛋白的平动和转动gmx trjconv -s pro.tpr -f pro20.xtc -o pro20.xtc -fit rot+trans

2.1 利用RMSD和Gyrate绘制FEL

首先获得蛋白质backbone的RMSD和回旋半径数据并存储到rmsd.xvg和gyrate.xvg中：

gmx rms -s pro.tpr -f pro20.xtc -o rmsd.xvg# 选择backbone进行计算和输出gmx gyrate -s pro.tpr -f pro20.xtc -o gyrate.xvg# 同样选择backbone

所得rmsd.xvg和gyrate.xvg还需要进行处理，删除所有注释行（以#或者@开头的行以及空行），gyrate文件中还包含XYZ三个方向上的回旋半径数据，也需要全部删去（可以用包含块编辑功能的编辑器进行删除）。

如此，rmsd.xvg文件和gyrate.xvg文件中都只有两列数据了，第一列是时间，第二列是rmsd或者gyrate数据。然后我们需要将这两个文件进行组合。把同一时间下的rmsd和gyrate数据写在同一行，也即组合文件中包含三列：时间、rmsd、gyrate数据。得到组合文件之后，我们就可以利用gmx的sham命令来生成自由能形貌图了。sham是一个挺复杂的命令，可以接受很多输入和输出，建议详细阅读gmx help sham给出的帮助信息。

对于本示例，我们使用如下命令来生成自由能形貌图：

gmx sham -tsham 310 -nlevels 100 -f output.xvg -ls gibbs.xpm -g gibbs.log -lsh enthalpy.xpm -lss entropy.xpm

简单介绍下这些参数：

-tsham ：设定温度-nlevels：设定FEL的层次数量-f : 读入组合文件-ls : 输出自由能形貌图（Gibbs自由能）-g ：输出log文件-lsh : 焓的形貌图-lss : 熵的形貌图

我们最关心的是Gibbs自由能的形貌图，也即gibbs.xpm。xpm文件可以通过多种方式查看。可以使用gmx的命令把xpm转为eps格式，使用PS打开查看：

gmx xpm2ps -f ibbs.xpm -o ibbs.eps

可以看出能量阱差不多可以算是1个。模拟轨迹越长，采样越丰富，画出来的自由能形貌图可能越清晰好看。

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