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目的:介绍利用介观建模工具建立和模拟磷脂双分子层的方法。
所用模块:Materials Visualizer、Mesocite
背景
与原子的分子动力学相比,粗粒化分子动力学能够模拟更长的时间尺度和更大的长度尺度。这是通过将多个原子组成的群表示为单个单元或珠子来实现的。力场被参数化,用于体系中每种类型的珠子之间的相互作用。一般来说,粗粒化力场必须对每个待研究体系进行参数化。Marrink等人生成了一个粗粒化力场——MARTINI,该力场针对大部分有机化合物进行参数化,重点是模拟生物分子材料,如脂质。
二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)是一种磷脂,是肺表面活性物质的主要成分。它也是研究脂质体、脂质双分子层和生物膜的模型。
Materials Studio包括一个稍加修正的MARTINI力场版本,即MS MARTINI,可用于运行珠子结构的粗粒化分子动力学模拟。
介绍
在本教程中,将使用Mesocite模块,利用MS Martini力场对磷脂双分子层进行粗粒化分子动力学模拟。将使用介观结构构建工具来构建起始结构,并对双分子层进行几何优化。
本教程包括如下部分:
开始
建立磷脂和溶剂分子模型
应用力场类型并修改力场参数
建立双分子层模型
优化和平衡结构
模拟双分子层并分析结果
注意:为了和本教程中的参数保持一致,可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。
1、开始
首先启动Materials Studio并创建一个新工程。
打开New Project对话框,输入CG_bilayer作为工程名,单击OK按钮。
新工程将以CG_bilayer为工程名显示于Project Explorer中。
可以通过Build菜单或使用Mesostructure工具栏访问介观结构构建工具。要使用工具栏,请确保其可见。
从菜单栏中选择View | Toolbars,并确保已启用Mesostructure工具栏。
2、建立磷脂和溶剂分子模型
第一步是定义用于构建磷脂和溶剂分子的珠子类型。将使用与Marrink等人相同的表示法,其中1个珠子表示大约四个重原子,平均质量为72 g/mol,有效半径为2.35 Å。
单击Mesostructure工具栏上的Bead Types按钮,打开Bead Types对话框。单击Defaults...按钮,打开Bead Type Defaults对话框。
将Mass设置为72,Radius设置为2.35,然后关闭Bead Type Defaults对话框。
在Bead Types对话框中,定义以下新的珠子类型:C、GL、NC、PO和W。关闭该对话框。
使用定义的珠子类型,可以构建磷脂和溶剂的初始珠子表示。
单击Mesostructure工具栏上的Mesomolecule按钮,打开Build Mesomolecule对话框。
为了构建具有其特征构象的磷脂分子,可以分三步构建该分子。从磷酸盐和胆碱的头部基团开始。
定义1单位PO和1单位NC的重复单元。单击Build按钮。
接下来将两个甘油珠子添加到磷酸基团中。
删除现有的重复单元定义,并定义一个1单位GL的新重复单元。在结构中选择PO珠子,并勾选Add to branch points复选框。点击More...按钮打开Mesomolecule Branches对话框,并确认勾选了Branch from selected beads,且Number of branches to attach设置为2。
关闭对话框并单击Build按钮。
提示:使用Label对话框可在文档中添加BeadTypeName标签。
最后将碳尾部原子添加到两个甘油珠子中。将添加四个尾部原子并删除不需要的两个尾部原子,以便生成合适的初始几何构型结构。
删除现有的重复单元定义,并定义一个包含4单位C的新重复单元。选择结构中的两个GL珠子,然后单击Build按钮。
在生成的结构中,删除指向头部原子组方向的两个支链。
现在介观分子的结构应如下图所示。
磷脂的初始珠子结构为球棍模型显示样式,珠子由BeadTypeName标记
保存文档并关闭视图。在Project Explorer中,将文档重命名为DPPC.xsd。
最后构建一个溶剂分子。这将是一个W类型单个珠子,代表四个水分子。
删除现有的重复单元定义,并定义一个新的重复单元,即1个W单元。单击Build按钮并关闭对话框。
保存并关闭新文档,然后将其重命名为solvent.xsd。
3、应用力场类型并修改力场参数
将使用MS Martini力场来执行本教程中的所有计算。MS Martini基于Marrink等人开发的MARTINI力场,并已被参数化以研究磷脂双分子层和其他有机化合物。对于所有力场类型,基本力场使用4.7 Å的平衡键长和180°的平衡键角。对于非线性键(例如顺式不饱和键),Marrink等人使用了120°的修正角,并使用该非线性顺式键角来表示GL-PO-GL键角。默认情况下,MS Martini中不包含此非线性顺式键角度,为应用到该数据,需要对提供的力场进行细微修正。
当要修改现有的MS Martini力场时,需要将其导入到工程中。
从菜单栏中选择Modules | Mesocite | Forcefield Manager以打开Mesocite Forcefield Manager。选择MS Martini并单击>>按钮打开力场。关闭对话框。
保存并关闭文档,将其重命名为MS Martini CIS.off。
首先,将定义珠子的力场类型。为MARTINI文件中列出的DPPC磷脂参数化类型。
由于Mesocite中没有珠子类型规则,因此需要手动将力场类型分配给珠子。可以使用Properties Explorer或Mesocite对话框执行此操作。在下文中,将使用Mesocite对话框。
从菜单栏中选择Modules | Mesocite | Calculation。
将打开Mesocite Calculation对话框。Setup选项卡可用于定义计算任务,Energy选项卡定义力场和非键项,Job Control选项卡用于设置计算参数。在自定义forcefield时,应选择导入的Martini版本,而不是标准版本。
选择Energy选项卡,然后从Forcefield下拉列表中选择Browse...。在Choose Forcefield对话框中,选择MS Martini CIS.off。
单击Forcefield后面的More...按钮以打开Mesocite Preparation Options对话框。
Mesocite Preparation Options对话框显示当前力场中所有力场类型的列表。现在,可以将选定类型分配给磷脂和溶剂结构中的选定珠子。
打开DPPC.xsd文档。在3D Viewer中,按下ALT键并双击任意C珠子。
将选择BeadTypeName为C的所有珠子。
在力场类型列表中选择C1,然后单击Assign按钮。对GL、PO和NC珠子类型重复此操作,按上表分配力场类型。
两种珠子类型,NC和PO,也分配了电荷。需要使用Properties Explorer或Charges对话框分配电荷。
选择PO珠子,并在Properties Explorer中将Charge设置为-1。对NC珠子重复此操作,将Charge设置为1。保存并关闭文档。
最后,需要将溶剂珠子的力场类型指定为高极性(P4)。
打开solvent.xsd文档。在Mesocite Preparation Options对话框中选择P4,单击Assign按钮并关闭对话框。保存并关闭文档。
现在,将通过为GL-PO-GL键角添加一个显式键角项来修改力场,该键角对应于力场类型Na-Qa-Na之间的角度。
打开力场文件MS Martini CIS.off,选择Interactions选项卡。从Show interaction下拉列表中选择Angle Bend。在空白一行中,将Fi和Fk设置为Na,将Fj设置为Qa。将Functional Form修改为Cosine Harmonic。
对于GL-PO-GL键角,Marrink等使用了一个120°的平衡键角,或T0,及一个10.8 kcal/mol (45 kJ/mol)的力常数。
将T0设置为120,K0设置为10.8。保存并关闭力场文件。
现在可以使用介观结构模板Mesostructure Template创建工具将构建介观分子体块结构。
【系列教程】
Materials Studio官方教程:Kinetix——CO在Pt(1 1 1)表面氧化的多位点模拟【1】
Materials Studio官方教程:Kinetix——蒙特卡洛方法模拟CO的氧化【1】
Materials Studio官方教程:GULP——拟合力场
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