ЯНТАРЬ

Assisted Model Building with Energy Refinement ( AMBER ) — это название широко используемого пакета программного обеспечения для молекулярной динамики, изначально разработанного группой Питера Коллмана в Калифорнийском университете в Сан-Франциско . Впоследствии оно также стало обозначать семейство силовых полей для молекулярной динамики биомолекул , которые могут использоваться как в программном пакете AMBER, так и со многими современными вычислительными платформами.

Первоначальная версия программного пакета AMBER была написана Полом Вайнером, постдокторантом в лаборатории Питера Коллмана, и выпущена в 1981 году. ^[2]

Впоследствии У Чандра Сингх, будучи постдоком в лаборатории Коллмана, расширил AMBER, добавив возможности молекулярной динамики и свободной энергии.

Следующая итерация AMBER была начата около 1987 года группой разработчиков в (и связанных с) лаборатории Коллмана, включая Дэвида Перлмана, Дэвида Кейса, Джеймса Колдуэлла, Уильяма Росса, Томаса Читэма, Стивена ДеБолта, Дэвида Фергюсона и Джорджа Сейбела. ^[3] Эта команда возглавляла разработку более десяти лет и внесла множество усовершенствований, включая значительное расширение возможностей свободной энергии, приспособление для современных аппаратных платформ параллельной и массивной обработки (Cray, Star и т. д.), реструктуризацию кода и контроль версий для большей ремонтопригодности, суммирование PME Эвальда, инструменты для уточнения ЯМР и многое другое.

В настоящее время AMBER поддерживается благодаря активному сотрудничеству Дэвида Кейса из Ратгерского университета , Тома Читэма из Университета Юты , Адриана Ройтберга из Университета Флориды , Кена Мерца из Мичиганского государственного университета, Карлоса Зиммерлинга из Университета Стоуни-Брук , Рэя Ло из Калифорнийского университета в Ирвайне и Цзюньмей Вана из Питтсбургского университета .

Силовое поле

Термин AMBER force field в целом относится к функциональной форме, используемой семейством силовых полей AMBER. Эта форма включает несколько параметров; каждый член семейства силовых полей AMBER предоставляет значения для этих параметров и имеет свое собственное имя.

Функциональная форма

Функциональная форма силового поля AMBER ^[4]

V(r^{N})=\sum _{i\in {\text{связи}}}{k_{b}}_{i}(l_{i}-l_{i}^{0})^{2}+\sum _{i\in {\text{углы}}}{k_{a}}_{i}(\theta _{i}-\theta _{i}^{0})^{2}

$+\sum _{i\in {\text{торсионы}}}\sum _{n}{\frac {1}{2}}V_{i}^{n}[1+\cos(n\omega _{i}-\gamma _{i})]$ $+\sum _{j=1}^{N-1}\sum _{i=j+1}^{N}f_{ij}{\biggl \{}\epsilon _{ij}{\biggl [}\left({\frac {r_{ij}^{0}}{r_{ij}}}\right)^{12}-2\left({\frac {r_{ij}^{0}}{r_{ij}}}\right)^{6}{\biggr ]}+{\frac {q_{i}q_{j}}{4\pi \epsilon _{0}r_{ij}}}{\biggr \}}$

Несмотря на термин «силовое поле» , это уравнение определяет потенциальную энергию системы; сила является производной этого потенциала относительно положения.

Значения терминов правой части следующие:

Первый член ( суммирование по связям): представляет энергию между ковалентно связанными атомами. Эта гармоническая (идеальная пружина) сила является хорошим приближением вблизи равновесной длины связи, но становится все хуже по мере разделения атомов.
Второй член (суммирование по углам): представляет собой энергию, обусловленную геометрией электронных орбиталей, участвующих в ковалентной связи.
Третий член (суммирование по кручениям): представляет энергию для скручивания связи из-за порядка связи (например, двойные связи) и соседних связей или неподеленных пар электронов. Одна связь может иметь более одного из этих членов, так что общая энергия кручения выражается как ряд Фурье .
Четвертый член (двойное суммирование по и ): представляет собой несвязанную энергию между всеми парами атомов, которую можно разложить на энергию Ван-дер-Ваальса (первый член суммирования) и электростатическую (второй член суммирования) энергии. $я$ $j$

Форма энергии Ван-дер-Ваальса рассчитывается с использованием равновесного расстояния ( ) и глубины ямы ( ). Фактор гарантирует, что равновесное расстояние равно . Иногда энергия переформулируется в терминах , где , как это используется, например, при реализации потенциалов softcore. $r_{ij}^{0}$ $\epsilon$ $2$ $r_{ij}^{0}$ $\сигма$ $r_{ij}^{0}=2^{1/6}(\sigma)$

Форма электростатической энергии, используемая здесь, предполагает, что заряды, обусловленные протонами и электронами в атоме, могут быть представлены одним точечным зарядом (или, в случае наборов параметров, использующих неподеленные пары, небольшим числом точечных зарядов).

Наборы параметров

Для использования силового поля AMBER необходимо иметь значения параметров силового поля (например, силовые константы, равновесные длины связей и углы, заряды). Существует довольно большое количество таких наборов параметров, которые подробно описаны в руководстве пользователя программного обеспечения AMBER. Каждый набор параметров имеет название и предоставляет параметры для определенных типов молекул.

Параметры пептидов , белков и нуклеиновых кислот предоставляются наборами параметров с именами, начинающимися с «ff» и содержащими двузначный номер года, например «ff99». По состоянию на 2018 год основной моделью белка, используемой костюмом AMBER, является силовое поле ff14SB ^[5]^[6] .
Силовое поле General AMBER (GAFF) предоставляет параметры для малых органических молекул, облегчающие моделирование лекарственных препаратов и лигандов малых молекул в сочетании с биомолекулами.
Силовые поля GLYCAM были разработаны Робом Вудсом для моделирования углеводов.
Основным силовым полем, используемым в костюме AMBER для липидов, является липид14. ^[7]

Программное обеспечение

Пакет программного обеспечения AMBER предоставляет набор программ для применения силовых полей AMBER к моделированию биомолекул. Он написан на языках программирования Fortran 90 и C с поддержкой большинства основных операционных систем и компиляторов типа Unix . Разработка ведется свободным объединением в основном академических лабораторий. Новые версии обычно выпускаются весной четных лет; AMBER 10 был выпущен в апреле 2008 года. Программное обеспечение доступно по лицензионному соглашению сайта , которое включает полный исходный код, в настоящее время по цене 500 долларов США для некоммерческих и 20 000 долларов США для коммерческих организаций.

Программы

LEaP подготавливает входные файлы для программ моделирования.
Antechamber автоматизирует процесс параметризации малых органических молекул с использованием GAFF.
Имитация отжига с ограничениями энергии, полученными с помощью ЯМР (SANDER) — это основная программа моделирования, которая предоставляет возможности для минимизации энергии и молекулярной динамики с широким спектром опций.
pmemd — это несколько более ограниченная по функциям переопределение SANDER Боба Дьюка. Он был разработан для параллельных вычислений и работает значительно лучше SANDER при запуске на более чем 8–16 процессорах.
- pmemd.cuda запускает моделирование на машинах с графическими процессорами (GPU).
- pmemd.amoeba обрабатывает дополнительные параметры в поляризуемом силовом поле AMOEBA.
nmode вычисляет нормальные моды.
ptraj численно анализирует результаты моделирования. AMBER не включает возможности визуализации, которая обычно выполняется с помощью Visual Molecular Dynamics (VMD). Ptraj теперь не поддерживается, начиная с AmberTools 13.
cpptraj — это переписанная версия ptraj, созданная на C++ для ускорения анализа результатов моделирования. Несколько действий стали параллелизуемыми с OpenMP и MPI.
MM-PBSA позволяет выполнять неявные расчеты растворителя на основе мгновенных снимков, полученных в результате моделирования молекулярной динамики.
NAB — это встроенная среда построения нуклеиновых кислот, призванная помочь в процессе манипулирования белками и нуклеиновыми кислотами, где атомарный уровень описания будет способствовать вычислениям.

Смотрите также

Ссылки

^ Справочное руководство Amber 2023
^ Вайнер, Пол К.; Коллман, Питер А. (1981). «AMBER: Вспомогательное построение моделей с уточнением энергии. Общая программа для моделирования молекул и их взаимодействий». Журнал вычислительной химии . 2 (3): 287–303. doi :10.1002/jcc.540020311. ISSN 0192-8651.
^ Pearlman, David A.; Case, David A.; Caldwell, James W.; Ross, Wilson S.; Cheatham, Thomas E.; DeBolt, Steve; Ferguson, David; Seibel, George; Kollman, Peter (1995). "AMBER, пакет компьютерных программ для применения молекулярной механики, анализа нормальных мод, молекулярной динамики и расчетов свободной энергии для моделирования структурных и энергетических свойств молекул". Computer Physics Communications . 91 (1–3): 1–41. doi :10.1016/0010-4655(95)00041-d. ISSN 0010-4655.
^ Cornell WD, Cieplak P, Bayly CI, Gould IR, Merz KM Jr, Ferguson DM, Spellmeyer DC, Fox T, Caldwell JW, Kollman PA (1995). «Силовое поле второго поколения для моделирования белков, нуклеиновых кислот и органических молекул». J. Am. Chem. Soc . 117 (19): 5179–5197. CiteSeerX 10.1.1.323.4450 . doi :10.1021/ja00124a002.
^ Майер, Джеймс А.; Мартинес, Карменза; Касаваджхала, Кошик; Викстром, Лорен; Хаузер, Кевин Э.; Симмерлинг, Карлос (2015). «Ff14SB: Повышение точности параметров боковой цепи и скелета белка из ff99SB». Журнал химической теории и вычислений . 11 (8): 3696–3713. doi :10.1021/acs.jctc.5b00255. PMC 4821407. PMID 26574453 .
^ «Янтарное силовое поле».
^ Диксон, Каллум Дж.; Мадей, Бенджамин Д.; Скьевик, Оге А.; Бетц, Робин М.; Тейген, Кнут; Гулд, Ян Р.; Уокер, Росс К. (2014). «Lipid14: янтарное липидное силовое поле». Журнал химической теории и вычислений . 10 (2): 865–879. doi :10.1021/ct4010307. PMC 3985482. PMID 24803855 .

Связанное чтение

1. Дуань, Юн; Ву, Чунь; Чоудхури, Шибасиш; Ли, Мэтью К.; Сюн, Гомин; Чжан, Вэй; Ян, Ронг; Цеплак, Петр; и др. (2003). «Силовое поле точечного заряда для моделирования молекулярной механики белков на основе квантово-механических расчетов в конденсированной фазе». Журнал вычислительной химии . 24 (16): 1999–2012. doi :10.1002/jcc.10349. PMID 14531054. S2CID 283317.

Внешние ссылки

Официальный сайт
Архив рассылки AMBER
Amber на немецких кластерных системах HPC-C5