ЯНТАРЬ

Помощь в построении модели с уточнением энергии (AMBER)
Оригинальный автор(ы)	Питер Коллман , Версия 1: + Пол Вайнер. Версия 2: + У Чандра Сингх; В3. + Дэвид Перлман, Джеймс Колдуэлл, Уильям Росс, Томас Читэм, Стивен Деболт, Дэвид Фергюсон, Джордж Сейбел; Более поздние версии: Дэвид Кейс, Том Читэм, Кен Мерц, Адриан Ройтберг, Карлос Зиммерлинг, Рэй Луо, Цзюньмей Ван, Росс Уокер.
Разработчик(и)	Калифорнийский университет, Сан-Франциско
Первоначальный выпуск	1981 год ; 43 года назад
Стабильная версия	Янтарь23, Янтарные инструменты23 / 21 апреля 2023 г .; 15 месяцев назад
Написано в	С , С++ , Фортран
Операционная система	Windows , OS X , Linux , Unix , CNK
Платформа	x86 , графические процессоры Nvidia , Blue Gene
Размер	Варьируется
Доступно в	Английский
Тип	Молекулярная динамика
Лицензия	Янтарь: Собственный ; AmberTools: GPL , общественное достояние , другое с открытым исходным кодом.
Веб-сайт	амбермд .org

Assisted Model Building with Energy Refinement ( AMBER ) — это название широко используемого пакета программного обеспечения для молекулярной динамики, первоначально разработанного группой Питера Коллмана в Калифорнийском университете в Сан-Франциско . Впоследствии оно также стало обозначать семейство силовых полей для молекулярной динамики биомолекул , которые можно использовать как в программном пакете AMBER, так и на многих современных вычислительных платформах.

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

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

Следующая версия AMBER была начата примерно в 1987 году группой разработчиков из лаборатории Коллмана (и связанных с ней), в которую входили Дэвид Перлман, Дэвид Кейс, Джеймс Колдуэлл, Уильям Росс, Томас Читэм, Стивен ДеБолт, Дэвид Фергюсон и Джордж Сейбел. ^[3] Эта команда возглавляла разработку более десяти лет и представила множество улучшений, включая значительное расширение возможностей свободной энергии, размещение современных аппаратных платформ параллельной и массивной обработки (Cray, Star и т. д.), реструктуризацию кода и контроль версий. для большей удобства обслуживания, суммирование PME Эвальда, инструменты для уточнения ЯМР и многие другие.

В настоящее время AMBER поддерживается благодаря активному сотрудничеству Дэвида Кейса из Университета Рутгерса , Тома Читэма из Университета Юты , Адриана Ройтберга из Университета Флориды , Кена Мерца из Университета штата Мичиган, Карлоса Зиммерлинга из Университета Стоуни Брук , Рэя Луо из Калифорнийского университета в Ирвине. и Цзюньмей Ван из Encysive Pharmaceuticals.

Силовое поле

Термин AMBER силовое поле обычно относится к функциональной форме, используемой семейством силовых полей AMBER. Эта форма включает в себя несколько параметров; каждый член семейства силовых полей AMBER предоставляет значения для этих параметров и имеет собственное имя.

Функциональная форма

Функциональная форма силового поля ЯНТАРЯ такова: ^[4]

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

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

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 собой энергию между ковалентно связанными атомами. Эта гармоническая сила (идеальная пружина) 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 кручению): представляет собой энергию скручивания связи из-за порядка связи (например, двойных связей) и соседних связей или неподеленных пар электронов. Одна связь может иметь более одного из этих членов, так что полная энергия кручения выражается в виде ряда Фурье .
Четвертый член (двойное суммирование по $i$ и $j$ ): представляет собой несвязанную энергию между всеми парами атомов, которую можно разложить на энергии Ван-дер-Ваальса (первый член суммирования) и электростатическую (второй член суммирования).

Форма энергии Ван-дер-Ваальса рассчитывается с использованием равновесного расстояния ( $r_{ij}^{0}$ ) и глубина скважины ( $\epsilon$ ). Фактор $2$ гарантирует, что равновесное расстояние $r_{ij}^{0}$ . Энергию иногда переформулируют в терминах $\sigma$ , где $r_{ij}^{0}=2^{1/6}(\sigma )$ , как используется, например, при реализации возможностей softcore.

Используемая здесь форма электростатической энергии предполагает, что заряды протонов и электронов в атоме могут быть представлены одним точечным зарядом (или, в случае наборов параметров, в которых используются неподеленные пары, небольшим количеством точечных зарядов).

Наборы параметров

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

Параметры пептида , белка и нуклеиновой кислоты предоставляются наборами параметров, имена которых начинаются с «ff» и содержат двузначный номер года, например «ff99». По состоянию на 2018 год основной белковой моделью, используемой в костюме AMBER, является ff14SB. ^[5]^[6] силовое поле.
Общее силовое поле AMBER (GAFF) предоставляет параметры для небольших органических молекул, чтобы облегчить моделирование лекарств и лигандов малых молекул в сочетании с биомолекулами.
Силовые поля GLYCAM были разработаны Робом Вудсом для моделирования углеводов.
Основное силовое поле, используемое в костюме AMBER для определения липидов, — это 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 Unix-подобных операционных систем и компиляторов . Разработка ведется свободной ассоциацией, состоящей в основном из академических лабораторий. Новые версии выходят обычно весной четных лет; AMBER 10 был выпущен в апреле 2008 года. Программное обеспечение доступно по лицензионному соглашению, которое включает в себя полный исходный код, стоимость которого в настоящее время составляет 500 долларов США для некоммерческих организаций и 20 000 долларов США для коммерческих организаций.

Программы

LEaP подготавливает входные файлы для программ моделирования.
Antechmber автоматизирует процесс параметризации малых органических молекул с помощью GAFF.
Имитация отжига с ограничением энергии, полученной с помощью ЯМР (SANDER) — это центральная программа моделирования, предоставляющая возможности для минимизации энергии и молекулярной динамики с широким спектром возможностей.
pmemd — это несколько более ограниченная реализация SANDER Боба Дьюка. Он был разработан для параллельных вычислений и работает значительно лучше, чем SANDER, при работе на более чем 8–16 процессорах.
- pmemd.cuda запускает моделирование на машинах с графическими процессорами (GPU).
- pmemd.amoeba обрабатывает дополнительные параметры поляризуемого силового поля AMOEBA.
nmode вычисляет нормальные режимы.
ptraj численно анализирует результаты моделирования. ЯНТАРЬ не обладает способностями к визуализации, которые обычно выполняются с помощью визуальной молекулярной динамики (ВМД). Ptraj больше не поддерживается в AmberTools 13.
cpptraj — это переписанная версия ptraj, созданная на C++ для более быстрого анализа результатов моделирования. Некоторые действия теперь можно распараллеливать с OpenMP и MPI.
MM-PBSA позволяет выполнять неявные расчеты растворителей на основе снимков молекулярно-динамического моделирования.
NAB — это встроенная среда создания нуклеиновых кислот, созданная для помощи в процессе манипулирования белками и нуклеиновыми кислотами, где атомный уровень описания поможет в вычислениях.

См. также

Ссылки

^ Справочное руководство Янтарь 2023 г.
^ Вайнер, Пол К.; Коллман, Питер А. (1981). «ЯНТАРНЫЙ: Помощь в построении модели с уточнением энергии. Общая программа для моделирования молекул и их взаимодействий» . Журнал вычислительной химии . 2 (3): 287–303. дои : 10.1002/jcc.540020311 . ISSN 0192-8651 .
^ Перлман, Дэвид А.; Кейс, Дэвид А.; Колдуэлл, Джеймс В.; Росс, Уилсон С.; Читэм, Томас Э.; ДеБолт, Стив; Фергюсон, Дэвид; Сейбел, Джордж; Коллман, Питер (1995). «AMBER, пакет компьютерных программ для применения молекулярной механики, анализа нормального режима, молекулярной динамики и расчетов свободной энергии для моделирования структурных и энергетических свойств молекул» . Компьютерная физика. Коммуникации . 91 (1–3): 1–41. дои : 10.1016/0010-4655(95)00041-д . ISSN 0010-4655 .
^ Корнелл В.Д., Чеплак П., Бэйли С.И., Гулд И.Р., Мерц К.М. младший, Фергюсон Д.М., Спеллмейер Д.К., Фокс Т., Колдуэлл Дж.В., Коллман П.А. (1995). «Силовое поле второго поколения для моделирования белков, нуклеиновых кислот и органических молекул». Дж. Ам. хим. Соц . 117 (19): 5179–5197. CiteSeerX 10.1.1.323.4450 . дои : 10.1021/ja00124a002 .
^ Майер, Джеймс А; Мартинес, Карменса; Касавайхала, Кошик; Викстром, Лорен; Хаузер, Кевин Э; Зиммерлинг, Карлос (2015). «Ff14SB: Повышение точности параметров боковой цепи и основной цепи белка по данным ff99SB» . Журнал химической теории и вычислений . 11 (8): 3696–3713. дои : 10.1021/acs.jctc.5b00255 . ПМЦ 4821407 . ПМИД 26574453 .
^ «Янтарные поля силы» .
^ Диксон, Каллум Дж; Мадей, Бенджамин Д; Скьевик, Оге А; Бетц, Робин М; Тейген, Кнут; Гулд, Ян Р; Уокер, Росс С. (2014). «Lipid14: Силовое поле янтарного липида» . Журнал химической теории и вычислений . 10 (2): 865–879. дои : 10.1021/ct4010307 . ПМЦ 3985482 . ПМИД 24803855 .

Связанное чтение

1. Дуань, Юн; Ву, Чун; Чоудхури, Шибасиш; Ли, Мэтью С.; Сюн, Гуомин; Чжан, Вэй; Ян, Ронг; Чеплак, Петр; и др. (2003). «Силовое поле точечного заряда для молекулярно-механического моделирования белков на основе квантово-механических расчетов в конденсированной фазе». Журнал вычислительной химии . 24 (16): 1999–2012. дои : 10.1002/jcc.10349 . ПМИД 14531054 . S2CID 283317 .

Внешние ссылки

[Amber23Manual-1] Справочное руководство Янтарь 2023 г.

[2] Вайнер, Пол К.; Коллман, Питер А. (1981). «ЯНТАРНЫЙ: Помощь в построении модели с уточнением энергии. Общая программа для моделирования молекул и их взаимодействий» . Журнал вычислительной химии . 2 (3): 287–303. дои : 10.1002/jcc.540020311 . ISSN 0192-8651 .

[3] Перлман, Дэвид А.; Кейс, Дэвид А.; Колдуэлл, Джеймс В.; Росс, Уилсон С.; Читэм, Томас Э.; ДеБолт, Стив; Фергюсон, Дэвид; Сейбел, Джордж; Коллман, Питер (1995). «AMBER, пакет компьютерных программ для применения молекулярной механики, анализа нормального режима, молекулярной динамики и расчетов свободной энергии для моделирования структурных и энергетических свойств молекул» . Компьютерная физика. Коммуникации . 91 (1–3): 1–41. дои : 10.1016/0010-4655(95)00041-д . ISSN 0010-4655 .

[Cornell1995-4] Корнелл В.Д., Чеплак П., Бэйли С.И., Гулд И.Р., Мерц К.М. младший, Фергюсон Д.М., Спеллмейер Д.К., Фокс Т., Колдуэлл Дж.В., Коллман П.А. (1995). «Силовое поле второго поколения для моделирования белков, нуклеиновых кислот и органических молекул». Дж. Ам. хим. Соц . 117 (19): 5179–5197. CiteSeerX 10.1.1.323.4450 . дои : 10.1021/ja00124a002 .

[5] Майер, Джеймс А; Мартинес, Карменса; Касавайхала, Кошик; Викстром, Лорен; Хаузер, Кевин Э; Зиммерлинг, Карлос (2015). «Ff14SB: Повышение точности параметров боковой цепи и основной цепи белка по данным ff99SB» . Журнал химической теории и вычислений . 11 (8): 3696–3713. дои : 10.1021/acs.jctc.5b00255 . ПМЦ 4821407 . ПМИД 26574453 .

[6] «Янтарные поля силы» .

[7] Диксон, Каллум Дж; Мадей, Бенджамин Д; Скьевик, Оге А; Бетц, Робин М; Тейген, Кнут; Гулд, Ян Р; Уокер, Росс С. (2014). «Lipid14: Силовое поле янтарного липида» . Журнал химической теории и вычислений . 10 (2): 865–879. дои : 10.1021/ct4010307 . ПМЦ 3985482 . ПМИД 24803855 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]