第三章 模型建構與模擬計算
3.1 系統模型建構
GROMACS 是 Groningen Machine for Chemical Simulations 的縮寫，是一套研究生物 分子系統與分子動力學的集合封包，可以模擬聚合物、晶體、蛋白質等分子，並 有多種的能量檔案對於分子模擬分析非常方便。GROMACS 是免費軟體可以在 www.gromacs.org 下載。
本研究的系統模型分為兩種，一種是將 N-甲基乙酰胺(N-methylacetamide)分子填 滿整個盒子，如圖 3.2，此系統被稱為 NMA200，另一種是在充滿水的盒子中放 一顆 NMA 分子，如圖 3.2，此系統被稱為 NMA_water。
圖 3.2：NMA200 是將兩百個 NMA 分子丟入盒子中。
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圖 3.3：NMA_water 將一顆 NMA 分子丟入 2nm*2nm*2nm 充滿水的盒子中。
3.1.1 NMA200 模型建構
建構NMA200模型，需要準備系統結構資訊(.gro)、力場資訊(.itp)、環境條件 (.mdp)。.gro告訴GROMACS系統起始的分子位置、分子結構。.itp記錄分子間作用 力函數、鍵結角度、鍵結長度、鍵結強度。這裡我們用的力場是OPLSAA[6]。mdp 設定模型模擬時的邊界條件、系統溫度、系統壓力、模擬時間、cutoff等等，當 所有資訊導入GROMACS之後會產生拓譜檔(.top)記錄系統資訊，下面將介紹模擬 的運算流程。
步驟一：創造平衡系統
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grompp_d -f md1.mdp -c em.gro -p topol.top -o md1.tpr mdrun_d -nt 4 -v -deffnm md1
指令 grompp 將所有資訊導入拓譜檔(topol.top)，值得注意的是如果 GROMACS 是 倍精度版本(double verson)就必須在指令後加上”_d”才能執行，在上面的指令中，
-f 導入系統環境條件(.mdp)，-c 導入系統結構(.gro)，-p 產生拓譜檔(.top)，-o 生成 GROMACS 看得懂的系統檔案(.tpr)。-nt 指定 cpu 運算核心數目，-deffnm 運算完 模擬之後生成檔案的檔案名稱，模擬結束之後會產生各種紀錄系統資訊的檔案，
包括系統位置與速度檔案(.trr)、系統能量(.edr)、系統結構(.gro)、系統運算資訊(.log)、
系統狀態(.cpt)。系統能量包括動能、位能、總能、庫倫作用力、系統溫度、系統 壓力、鍵能等等。系統運算資訊包括系統運算速率、系統運算效率、系統各種參 數、系統各種初始值、總運算時間，直接當作文件打開就可以取得資訊。
make_ndx –f md1.gro
make_ndx 指令可以標識出系統原子或是將不同分子結合成群組，若加上-o 可指 定生成檔名，預設生成檔案為 index.ndx。
步驟二：將所有的 NMA 的 CH3L 加熱至 1000K
grompp_df – md3.mdp -c md1.gro -t md1.cpt -n index.ndx -p topol.top -o md3.tpr mdrun_d -nt 4 -v -deffnm md3
在 GROMACS 裡可以將模擬分段，若想要將已計算出的結果做為起始條件，只需 要將前一個系統結構(.gro)、系統狀態(.cpt)利用 grompp 指令引入 tpr 即可。
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步驟三：加熱 NMA 後的 relaxation
grompp_df – md4.mdp -c md3.gro -t md3.cpt -n index.ndx -p topol.top -o md4.tpr mdrun_d -nt 4 -v -deffnm md4
步驟四：平衡態
grompp_df – md2.mdp -c md3.gro -t md1.cpt -n index.ndx -p topol.top -o md1.tpr mdrun_d -nt 4 -v -deffnm md2
指令 g_energy 可以將先前提到系統能量(.edr)內的資訊提出，方便觀察整個系統變 化，唯一美中不足的是 g_energy 指令只能取得各種整個系統的平均能量，並不能 對單一的局域部分做測量。
3.1.2 NMA_water 模型建構
步驟一：製造模型結構editconf_d -f nmlgopls.gro -o box.gro -box 2.089 2.085 2.08 -center 1.0 1.0 1.0 genbox_d -cp box.gro -cs spc216.gro -o solv1.gro -p topol.top
editconf_d -f solv1.gro -o solv.gro -box 2.0 2.0 2.0 -center 1.0 1.0 1.0
指令ediconf製作結構檔，將原有的NMA分子結構引入，-box定義盒子大小，-center 定義分子位置。指令genbox可以將給定的分子填滿給定的空間，在我們的系統就 是利用這個指令將水填滿整個系統空間模來擬體內環境。spc216.gro在GROMACS
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裡是採用TIP3P[7]的水分子模型。
步驟二：能量最小化
grompp_d -f min.mdp -c solv.gro -p topol.top -o em.tpr -maxwarn 5 mdrun_d -nt 4 -v -deffnm em
能量最小化並不是一個力學計算，通常初始條件(粒子的位置與速度)都是亂數給 定，為了讓系統有適當的位能、較完整的結構，因此需要執行能量最小化，讓系 統有一個趨近於真實的起始條件。
步驟三到六則重複 NMA200 的步驟一到四。