На главную

Изучение работы методов контроля температуры в GROMACS

  1. Подготовка файлов

    2. Начнем с того, что подготовим файл координат и файл топологии. На прошлом занятии мы использовали gro файл с 38 молекулами этана. Создадим индекс файл в котором будет группа из одной молекулы этана.
    make_ndx -f box_38.gro -o 1.ndx После запуска команды появляется приглашение к вводу. Сначала ознакомимся с помощью, нажав "h" + enter. Задаем остаток номер 1 (r1+enter). Теперь создадим gro файл с одной молекулой и зададим ячейку. При запуске ediconf выбираем номер соответствующей группы из одной молекулы.
    editconf -f box_38.gro -o et1.gro -n 1.ndx
    #зададим ячейку и расположим молекулу по центру ячейку
    editconf -f et1.gro -o et.gro -d 2 -c
    Исправим файл топологии et.top из прошлого задания. Т.к. на прошлом практикуме для разных атомов углерода мы получили разные заряды, попробуем исправить входной файл Mol_red1.p2n (текст исходного файла приведен ниже). 
    
REMARK
REMARK TITLE MOLECULE
REMARK CHARGE-VALUE 0
REMARK MULTIPLICITY-VALUE 1
REMARK
ATOM      1 CT1  LIG     1       0.000   0.000  -0.765                C
ATOM      2  H1  LIG     1      -1.011   0.000  -1.157                H
ATOM      3  H1  LIG     1       0.506   0.876  -1.157                H
ATOM      4  H1  LIG     1       0.506  -0.876  -1.157                H
ATOM      5 CT2  LIG     1       0.000   0.000   0.765                C
ATOM      6  H2  LIG     1       1.011   0.000   1.157                H
ATOM      7  H2  LIG     1      -0.506   0.876   1.157                H
ATOM      8  H2  LIG     1      -0.506  -0.876   1.157                H
CONECT    1    2    3    4    5  
CONECT    2    1  
CONECT    3    1  
CONECT    4    1  
CONECT    5    1    6    7    8  
CONECT    6    5  
CONECT    7    5  
CONECT    8    5  
END

    Для того, чтобы скрипты RED распозновали правильно одинаковы атомы этана (С атомы), необходимо их переименовать из СТ1 и СТ2 и назвать одинаково.
    В разделе [ molecules ] измените количество молекул этана.
    конечный вариант et.top
    Даны 5 файлов с разными параметрами контроля температуры:
    be.mdp- метод Берендсена для контроля температуры.
    vr.mdp- метод "Velocity rescale" для контроля температуры.
    nh.mdp- метод Нуза-Хувера для контроля температуры.
    an.mdp- метод Андерсена для контроля температуры.
    sd.mdp- метод стохастической молекулярной динамики.
    Ниже приведен текст скрипта, позволяющий одновременно работать со всеми выше описанными файлами: 
    
for i in { an , be , nh , sd , vr };do
# grompp -f ${i}.mdp -c et.gro -p et.top -o et_${i}.tpr
# mdrun -deffnm et_${i} -v -nt 1
# trjconv -f et_${i}.trr -s et_${i}.tpr -o et_${i}.pdb
# g_energy -f et_${i}.edr -o et_${i}_en.xvg
g_bond -f et_${i}.trr -s et_${i}.tpr -o bond_${i}.xvg -n b.ndx 
done

  2. Анализ результатов

    3. Для каждой из пяти систем получили pdb файлы для визуализации процессов, протекающих в системе:
    et_be.pdb- метод Берендсена для контроля температуры.
    et_vr.pdb- метод "Velocity rescale" для контроля температуры.
    et_nh.pdb- метод Нуза-Хувера для контроля температуры.
    et_an.pdb- метод Андерсена для контроля температуры.
    et_sd.pdb- метод стохастической молекулярной динамики.
    Немного предварительных выводов:
    • Метод Берендсена

      • Сначала молекула этана практически не вращается (наблюдается лишь изменение торсионных углов НССН), постепенно молекул выходит из состояния равновесия и начинает колебаться, постепенно наращивая амплитуду и частоту колебаний. Такое поведение молекул этана трудно представить для системы, находящейся при одной и той же температуре, которую должен обеспечивать наш термостат. Такое поведение молекул с наибольшей вероятностью может быть реализовано в системе с изменением агрегатного состояния (твердый этан при низких температурах медленно нагревается, и через стадию жидкого переходит в газообразный).
    • Метод Андерсена

      • Наблюдаются незначительные колебания длин связей (молекула "дрожит"), но сама молекула не изменяет сввоего положения. Данный метод аналогично предыдущему выглядит наименее правдоподобным, а полученная система скорее всего демонстрирует состояние этана при сверхнизких температурах ( в твердом состоянии) (Т.е. в принципе, температура поддерживается на сверхнизком уровне, но возникает вопрос о применение такого термостата для моделирвания...)
    • Метод стохастической молекулярной динамики

      • Молекула изменяет свое положение с более или менее одинаковыми скоростями и амплитудами. Если просмотреть ролик покадрово, то в любой момент времени молекулы этана представлены заторможенной конформацией (что и логично, т.к. заслоненная конформация энергетически менее выгодна, чем заторможенная) Данный термостат (по предварительной визуальной оценке) может обеспечивать постоянную температуру в системе с хорошей точностью.
    • Метод Нуза-Хувера

      • В молекуле происходит изменение лишь НССН торсионных углов. длина СС связи не изменяется. Часто можно увидеть заслоненную конформацию этана, что не очень выгодно для системы. Такой термостат подает в систему мало энергии.
    • Метод "Velocity rescale"

      • Напоминает метод Нуза-Хувера, но молекулу реже можно заметить в заслоненной или близкой к ней конформации. добавляется пространственное вращение всей молекулы

    Предварительный вывод: неплохо справились с задачей метод стохастической молекулярной динамики и "Velocity rescale".
    Перейдем к более детальному изучению результатов работы. На рисунке ниже приведены зависимотсти энергий (потенциальной (красные крестики) и кинетической (зеленые крестики) от времени (состояния системы)) и распределение длинны связи.

    В случае метода Андерсена для системы характерны низкие значения как кинетической так и потенциальной энергии. Длинна связи С-С меняется незначительно.
    В случае метода Бренстеда картина чуть лучше, но через некоторое время потенциальная энергия опускается до нуля, а кинетическая "концентрируется" около одного значения (происходит уменьшение разброса)
    В случае метода Нуза-Хувера и потенциальная, и кинетическая энергии сконцентрированны около от 0 до 100 (хотя есть большое количество точек, кинетическая энергия которых принимает значительно большие значения). Из распределения длинн связей видим, что С-С связь практически не колеблется
    Все выше описанное не совпадает с реально возможными системами. в приведенных системах либо очень низкие температуры, либо они просто не могут существовать. Зато, при использовании методов стохастической молекулярной динамики и "Velocity rescale" получили неплохие результаты:есть некий разброс энергий около среднего значения, причем чем больше отклонения энергии системы от среднего, тем реже мы встречаем такие состояния (т.е. зависимости согласуются с распределением Больцмана:

    ni = A wie-ei/kT            (1)



    ), плюс распределение длинн С-С свзяей имеет разумный вид. Наши предположения о этих методах подтвердились (они действительно хорошо справились с задачей поддержания температуры системы).
    ©Анисенко Андрей