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分子模擬時(shí)間越長(zhǎng)越好嗎？
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| 如題，在對(duì)蛋白質(zhì)做分子動(dòng)力學(xué)模擬的時(shí)候，我用Gromacs先進(jìn)行了3ns的MD運(yùn)算，然后又進(jìn)行了2ns，對(duì)接結(jié)果發(fā)現(xiàn)后者不如前者，但通過(guò)蛋白質(zhì)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)后者的各項(xiàng)指標(biāo)要好一些，請(qǐng)各位高手討論一下MD多長(zhǎng)時(shí)間比較好呢？ |
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奮斗1s(金幣+1):謝謝參與
奮斗1s(金幣+10): 很詳細(xì)，謝謝這位兄弟的指點(diǎn)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(xì)，謝謝這位兄弟的指點(diǎn)呀！ 2011-07-01 08:21:38
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平衡態(tài)模擬的時(shí)間長(zhǎng)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(jì)平均值，需要在不同的弛豫周期采樣3-10次。比如，鍵的振動(dòng)，振動(dòng)一次10fs算一個(gè)周期，你需要采樣至少50fs。分子擴(kuò)散的數(shù)量級(jí)在ns，中等肽鏈loop-closing需要10ns數(shù)量級(jí)，形成alpha螺旋的弛豫周期在200ns量級(jí)，beta結(jié)構(gòu)在1-10微秒，等等。 弛豫周期的長(zhǎng)度取決于某種運(yùn)動(dòng)的持續(xù)多久以后就與先前的狀態(tài)無(wú)關(guān)了，或者忘記了。所有的運(yùn)動(dòng)都有多個(gè)狀態(tài)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)所要穿越的自由能壘，決定了該運(yùn)動(dòng)的弛豫周期。這就是為什么我們可以模擬一個(gè)過(guò)程（如蛋白質(zhì)折疊）的平均特征時(shí)間，根據(jù)阿倫尼烏斯公式，反推自由能壘。 然而，平均特征時(shí)間為200ns的過(guò)程，并不意味著你跑200ns就一定能模擬到該過(guò)程的發(fā)生。它能否向你要的最終態(tài)跑去，也是個(gè)概率問(wèn)題。可能很快跑過(guò)去，也可能很慢，甚至完全跑不過(guò)去，即使能壘不高。因?yàn)槟阒挥猩贁?shù)幾個(gè)分子阿。而實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的是10^23數(shù)量級(jí)的分子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)，采樣時(shí)間取特征時(shí)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(gè)過(guò)程或某個(gè)性質(zhì)的平均馳豫時(shí)間呢？以體積弛豫為例，如果你plot整個(gè)體積數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線，你會(huì)看到體積在平均值上下浮動(dòng)。它受到盒子內(nèi)分子相互作用，振動(dòng)，擴(kuò)散的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)，有多種頻率的波動(dòng)。瞬時(shí)的波動(dòng)是受分子振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的的，而緩慢的，長(zhǎng)周期的上下浮動(dòng)是受到分子聚合，擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的，但是不容易看出來(lái)。怎么估計(jì)這種緩慢浮動(dòng)的周期呢？有幾種方法估計(jì)： 一是計(jì)算相關(guān)函數(shù)，看看相關(guān)函數(shù)中，從任一時(shí)刻開(kāi)始，體積數(shù)據(jù)之間需要多久時(shí)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(shí)間長(zhǎng)度，就是特征弛豫時(shí)間；該方法適合與考察擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)間特征，計(jì)算自擴(kuò)散系數(shù)，黏度等。 第二種方法是block avergage方法，看看多大的block計(jì)算得到的均方偏差RMSD與你取的block size無(wú)關(guān)。做法是把你的trajectory分成很多等長(zhǎng)的小段，每一段稱為block， 每段長(zhǎng)度稱為block size， 有的稱window size（e.g., 5ps），對(duì)于每一種block size的取法（比如，5ps, 10ps, 15ps, 20ps....），你計(jì)算每個(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn)，曲線逐漸升高，但在某個(gè)size(比如20ps)之后成為平臺(tái)區(qū)，與window size無(wú)關(guān)了（再之后會(huì)劇烈升降，進(jìn)入混沌狀態(tài)），那么該性質(zhì)的特征弛豫時(shí)間為20ps。而20ps block得到的RMSD就是你對(duì)該過(guò)程或性質(zhì)的相對(duì)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?yàn)樗^獨(dú)立測(cè)量，必須是測(cè)量結(jié)果之間沒(méi)有相關(guān)性。我們MD模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量一樣，也要從不相關(guān)的各個(gè)block中間取值阿兄弟們） 第三種方法，計(jì)算波動(dòng)譜。我們知道振動(dòng)有振動(dòng)譜，那波動(dòng)自然也有波動(dòng)譜。比如體積波動(dòng)，將體積數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算，并做傅立葉變化，可以得到一個(gè)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(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短，而峰面積顯示了與該頻率的運(yùn)動(dòng)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(jì)算其運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間。（紅外光譜就是這么計(jì)算的，它保留整個(gè)盒子的dipole，然后分解為很多不同頻率的運(yùn)動(dòng)，不同頻率的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)不同模式的振動(dòng)，它們對(duì)盒子的總dipole的變化有貢獻(xiàn)，傅立葉一分解就出來(lái)了）所以，只要是某種運(yùn)動(dòng)對(duì)某種性質(zhì)有貢獻(xiàn)，都可以通過(guò)對(duì)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(shí)間。 PS，上面我用到馳豫時(shí)間relaxation time這個(gè)概念，它其實(shí)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(shí)間。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間是與受到激發(fā)的那種運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)周期直接相對(duì)應(yīng)的，所以該體系沒(méi)有受激發(fā)的時(shí)候，那種運(yùn)動(dòng)的周期也可以稱relaxation time弛豫時(shí)間。 再次回到樓主提出的問(wèn)題上，模擬時(shí)間是否越長(zhǎng)越好�？梢钥隙ǖ恼f(shuō)是的，但是沒(méi)有必要。且不說(shuō)成本，機(jī)時(shí)，能量，地球，綠色啥的問(wèn)題，單說(shuō)分子動(dòng)力學(xué)模擬本身，是揭示相關(guān)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間特征，從而定量估算內(nèi)在驅(qū)動(dòng)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(shuō)明的是，上面的討論均是指采樣階段，隱含著模擬已達(dá)到平衡的要求。而審稿人要求模擬時(shí)間加長(zhǎng)的，一般是因?yàn)閾?dān)心體系并沒(méi)有達(dá)到平衡，或者說(shuō)擔(dān)心體系停留在一個(gè)局部最小的亞平衡態(tài)。亞平衡態(tài)體系可能在幾百個(gè)納秒之后突然跳到另外一個(gè)亞平衡態(tài)。體系在多個(gè)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?yàn)楹茈y預(yù)知究竟有多少個(gè)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(zhǎng)模擬時(shí)間。關(guān)于多態(tài)體系平衡的問(wèn)題，囿于計(jì)算能力和研究周期限制，文獻(xiàn)中較少涉及。 |
8樓2011-07-01 02:24:58
2樓2011-06-30 17:08:06
3樓2011-06-30 17:34:47
caoximin
超級(jí)版主
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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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12樓2011-07-01 08:04:34
簡(jiǎn)單回復(fù)
zhang73110711樓
2011-07-01 07:56
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