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分子模擬時間越長越好嗎？
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| 如題，在對蛋白質(zhì)做分子動力學(xué)模擬的時候，我用Gromacs先進行了3ns的MD運算，然后又進行了2ns，對接結(jié)果發(fā)現(xiàn)后者不如前者，但通過蛋白質(zhì)評價發(fā)現(xiàn)后者的各項指標(biāo)要好一些，請各位高手討論一下MD多長時間比較好呢？ |
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3樓2011-06-30 17:34:47
2樓2011-06-30 17:08:06
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奮斗1s(金幣+1):謝謝參與
奮斗1s(金幣+10): 很詳細，謝謝這位兄弟的指點呀！ 2011-07-01 08:21:38
奮斗1s(金幣+1):謝謝參與
奮斗1s(金幣+10): 很詳細，謝謝這位兄弟的指點呀！ 2011-07-01 08:21:38
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平衡態(tài)模擬的時間長度取決于所感興趣的性質(zhì)的弛豫周期。獲得感興趣性質(zhì)的的統(tǒng)計平均值，需要在不同的弛豫周期采樣3-10次。比如，鍵的振動，振動一次10fs算一個周期，你需要采樣至少50fs。分子擴散的數(shù)量級在ns，中等肽鏈loop-closing需要10ns數(shù)量級，形成alpha螺旋的弛豫周期在200ns量級，beta結(jié)構(gòu)在1-10微秒，等等。 弛豫周期的長度取決于某種運動的持續(xù)多久以后就與先前的狀態(tài)無關(guān)了，或者忘記了。所有的運動都有多個狀態(tài)，這個運動所要穿越的自由能壘，決定了該運動的弛豫周期。這就是為什么我們可以模擬一個過程（如蛋白質(zhì)折疊）的平均特征時間，根據(jù)阿倫尼烏斯公式，反推自由能壘。 然而，平均特征時間為200ns的過程，并不意味著你跑200ns就一定能模擬到該過程的發(fā)生。它能否向你要的最終態(tài)跑去，也是個概率問題�？赡芎芸炫苓^去，也可能很慢，甚至完全跑不過去，即使能壘不高。因為你只有少數(shù)幾個分子阿。而實驗觀測的是10^23數(shù)量級的分子的統(tǒng)計結(jié)果。不過一般來說，采樣時間取特征時間的10倍以上，都可能獲得感興趣的性質(zhì)的良好的平均值。 那么，如何知道一個過程或某個性質(zhì)的平均馳豫時間呢？以體積弛豫為例，如果你plot整個體積數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線，你會看到體積在平均值上下浮動。它受到盒子內(nèi)分子相互作用，振動，擴散的內(nèi)在驅(qū)動，有多種頻率的波動。瞬時的波動是受分子振動驅(qū)動的的，而緩慢的，長周期的上下浮動是受到分子聚合，擴散驅(qū)動的，但是不容易看出來。怎么估計這種緩慢浮動的周期呢？有幾種方法估計： 一是計算相關(guān)函數(shù)，看看相關(guān)函數(shù)中，從任一時刻開始，體積數(shù)據(jù)之間需要多久時間就不再有相互的關(guān)聯(lián)了(相關(guān)函數(shù)值趨近于0); 這段時間長度，就是特征弛豫時間；該方法適合與考察擴散運動的時間特征，計算自擴散系數(shù)，黏度等。 第二種方法是block avergage方法，看看多大的block計算得到的均方偏差RMSD與你取的block size無關(guān)。做法是把你的trajectory分成很多等長的小段，每一段稱為block， 每段長度稱為block size， 有的稱window size（e.g., 5ps），對于每一種block size的取法（比如，5ps, 10ps, 15ps, 20ps....），你計算每個block的平均值average，根據(jù)所有的block average你可以得到它們的均方偏差RMSD，Plot你的RMSD隨block size變化的曲線，你會發(fā)現(xiàn)，曲線逐漸升高，但在某個size(比如20ps)之后成為平臺區(qū)，與window size無關(guān)了（再之后會劇烈升降，進入混沌狀態(tài)），那么該性質(zhì)的特征弛豫時間為20ps。而20ps block得到的RMSD就是你對該過程或性質(zhì)的相對誤差。（很多人用全部數(shù)據(jù)的MSD做為誤差，是不嚴(yán)密的。因為所謂獨立測量，必須是測量結(jié)果之間沒有相關(guān)性。我們MD模擬和實驗測量一樣，也要從不相關(guān)的各個block中間取值阿兄弟們） 第三種方法，計算波動譜。我們知道振動有振動譜，那波動自然也有波動譜。比如體積波動，將體積數(shù)據(jù)進行自相關(guān)計算，并做傅立葉變化，可以得到一個譜圖。上面有一系列峰，在不同的頻率上。不同頻率即反映了波動的時間長短，而峰面積顯示了與該頻率的運動的相關(guān)性。面積最大的峰自然就是其特征峰了。根據(jù)其頻率可以計算其運動的特征時間。（紅外光譜就是這么計算的，它保留整個盒子的dipole，然后分解為很多不同頻率的運動，不同頻率的運動對應(yīng)不同模式的振動，它們對盒子的總dipole的變化有貢獻，傅立葉一分解就出來了）所以，只要是某種運動對某種性質(zhì)有貢獻，都可以通過對該性質(zhì)的自相關(guān)函數(shù)-傅立葉變化分解出其特征頻率，繼而得到其特征時間。 PS，上面我用到馳豫時間relaxation time這個概念，它其實指的是體系受到特定能量的激發(fā)以后，逐漸衰退decay到正常狀態(tài)所需的時間。因為這個時間是與受到激發(fā)的那種運動的運動周期直接相對應(yīng)的，所以該體系沒有受激發(fā)的時候，那種運動的周期也可以稱relaxation time弛豫時間。 再次回到樓主提出的問題上，模擬時間是否越長越好。可以肯定的說是的，但是沒有必要。且不說成本，機時，能量，地球，綠色啥的問題，單說分子動力學(xué)模擬本身，是揭示相關(guān)運動的時間特征，從而定量估算內(nèi)在驅(qū)動的能量特征。 搞到蛋疼才夠酷阿兄弟  。[ Last edited by ChemiAndy on 2011-6-30 at 14:19 ] 需要說明的是，上面的討論均是指采樣階段，隱含著模擬已達到平衡的要求。而審稿人要求模擬時間加長的，一般是因為擔(dān)心體系并沒有達到平衡，或者說擔(dān)心體系停留在一個局部最小的亞平衡態(tài)。亞平衡態(tài)體系可能在幾百個納秒之后突然跳到另外一個亞平衡態(tài)。體系在多個亞平衡態(tài)之間跳躍是正常的。這樣的多態(tài)體系很難定義其平衡態(tài)，因為很難預(yù)知究竟有多少個亞態(tài)，也不知道亞態(tài)之間的能壘有多高，所以唯一的辦法就是盡可能的延長模擬時間。關(guān)于多態(tài)體系平衡的問題，囿于計算能力和研究周期限制，文獻中較少涉及。 |
8樓2011-07-01 02:24:58
caoximin
專家顧問
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奮斗1s(金幣+1):謝謝參與
奮斗1s(金幣+1):謝謝參與
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本帖內(nèi)容被屏蔽 |
12樓2011-07-01 08:04:34
簡單回復(fù)
zhang73110711樓
2011-07-01 07:56
回復(fù)
奮斗1s(金幣+1):謝謝參與
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