基于Gromacs进行膜蛋白体系的分子动力学模拟

随着近年来计算机算力的显著提升，计算机对于微观科学问题的解决发挥了非常重要的作用。目前理论、模拟和实验可谓解决科学问题的三辆并驾齐驱的马车。今天以KALP15蛋白为例，主要介绍基于Gromacs进行膜蛋白体系的构建和模拟。

1. 蛋白结构预处理。首先通过可视化软件（VMD、pymol等）检查结构文件中的分子成分，去除不需要的组分。然后通过pdb2gmx命令讲原始结构文件进行转换并选择相应力场。

2. 选择合适的膜组分。根据自身需要选择合适的磷脂成分（https://people.ucalgary.ca/~tieleman/download.html 可下载相关结构和力场）。并且在该步骤利用蛋白和磷脂力场构建需要的topol文件。

3. 选择合适的蛋白和磷脂取向。由于膜蛋白的取向和在膜上的高度是固定的，因此要根据文献报道确定合适的取向和位置。该步骤可使用trjconv和editconf等命令可以进行构象的调整。如图所示

4. 磷脂对蛋白质的包裹。由于上个步骤中构建的体系仅仅是调整了取向，磷脂还是非常松散，因此需要将磷脂进行收缩堆积。这里参考使用了InflateGRO方法。通过genrestr命令对蛋白质进行位置限制，保证蛋白质位置不变，仅仅改变磷脂位置，让其自身进行缩放，可缩放多次，直至达到结构的设定数值。

5. 模型构建完成之后，需要使用genion和solvate命令添加离子和水。但是此时需要注意，该步骤填充的水和离子会出现双层膜之间，这种结构是不合理的，需要手动去除双层膜熟睡核心的水分子。完成后结果如图所示：

6. 随后就可以通过grompp命令产生tpr文件并使用mdrun命令进行计算。

7. 结果分析：对于蛋白可以采用二级结构、RMSD等参数刻画蛋白质特征，对于膜或者磷脂来说则可以通过序参数表征膜的有序程度例如有序相和无序相等。如图所示：

也可以通过density命令分子膜的密度等特征。如图所示：

在膜蛋白体系的模拟中，有许多其他的小问题需要注意。例如压力耦合的设置、原子重叠甚至系统崩溃等问题，需要针对性的进行检查和排除。

来源：320科技工作室.