NAMD入门教程一.doc

NAMD入门教程(一)

预定目录
1. 分子动力学模拟概论
1.1 分子动力学模拟发展
1.2 分子动力学模拟基本原理
1.3 分子动力学模拟相关软件

2. 分子动力学入门
2.1 基本设置
2.2 生成蛋白质结构文件（PSF）
2.3 蛋白质溶质化
2.4 球状水体中泛素（Ubiquitin）分子动力学模拟
2.5 立方水体中泛素（Ubiquitin）分子动力学模拟
2.6 简单结果分析

3. 分析方法
3.1 平衡态分子动力学模拟分析
3.1.1 每个残基RMSD值
3.1.2 麦克斯韦-波尔兹曼（Maxwell-Boltzmann ）能量分布
3.1.3 能量分析
3.1.4 温度分布
3.1.5 比热分析
3.2 非平衡态分子动力学模拟分析
3.2.1 热扩散
3.2.2 温度回音

4 人工操纵分子动力学模拟（SMD）
4.1 除去水分子
4.2 恒速拉伸
4.3 恒力拉伸
4.4 结果分析

1. 分子动力学模拟概论
分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation）是指利用计算机软件，依照牛顿力学基本原理，模拟大分子相互作用和运动改变研究方法。生命科学研究往往离不开各种仪器，试管和活有机体，经过试验伎俩硕士命现象背后规律。那么，为何我们要将生命大分子抽象成二进制数据，由计算机软件模拟其行为呢？
首先，从理论基础上讲，我们能够使用计算机模拟生物大分子行为。生物体系非常复杂，但生物大分子如蛋白质，脂肪，多糖等也是许多原子由化学键连接起来形成，全部原子运动规律都符合量子力学方程，在较大尺度上也近似符合牛顿力学方程，它行为是要受物理学基本规律支配。所以我们能够将利用纯数学伎俩，近似模拟生物大分子行为.
其次，从研究需要上讲，我们不但希望从宏观上硕士命大分子溶液体系行为，还想直接研究单个生物大分子在原子尺度上行为，而这是现在试验仪器难以达成。比如，我们希望直接研究蛋白质从伸展肽链折叠成球形详细过程，使用仪器伎俩只能搜集到间接数据，但使用软件模拟则能够形象直观模拟出整个折叠过程，能够详细求算每个键能、键角改变，研究某几个氨基酸残基之间相互作用，以及对蛋白质折叠意义。总之，现在生物学研究需要我们利用计算机模拟生物大分子行为，以填补试验伎俩限制，希望能自下而上地说明生物大分子结构和功效关系。
最终，从实际意义上讲，分子动力学模拟能够用来指导试验，提供思绪和理论依据；分子动力学模拟所得结果正确性也需要回到试验验证。这么，我们能够将分子动力学模拟和试验研究结合成一个整体，从而能够全方面地，深入地硕士命现象本质规律。
1.1 分子动力学模拟发展
*暂缺相关文件
1.2 分子动力学模拟基本原理
*暂缺相关文件
1.3 分子动力学模拟相关软件
伴随分子动力学模拟技术飞速发展，逐步形成了一些商品化软件。应用于生物大分子领域商品化分子模拟软件主要有InsightⅡ以及Sybyl，分子模拟是其中一个主要模块。InsightⅡ中分子动力学模块使用是由美国哈佛大学Martin Karplus研究小组等开发CHARMM（Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics），同时它本身也是一个商品化软件。而Amber（Assisted Model Building with Energy Refinement）则是另一个非常有名分子动力学模拟软件，它是由美国UCSFKollman教授课题组开发，商业化程度和易用性要好于CHARMM，当前版本9.0。以上两个研究小组都为其软件开发了对应力场，而且现在已经成为分子动力学模拟经典力场。另外无偿和部分无偿软件有NAMD，Gromos，Gromacs，DL_POLY，Tinker等。
在上述软件中，我们选择NAMD作为本章示范软件。NAMD是由美国伊利诺斯大学理论与计算生物物理研究组开发一套分子动力学模拟软件，适适用于计算生物大分子，并行计算效率非常高，能够使用Amber，CHARMM，X-PLOR，GROMACS，OPLS等多个力场，而且能够兼容Amber，CHARMM文件格式。NAMD支持几乎全部操作系统，而且无偿获取，开放源代码。如配合分子可视化、结果分析软件VMD以及格点计算软件BioCoRE则可使用更多、更强大功效，进行更大规模计算，能够说集众多优势于一身。
不但如此，利用NAMD还能够进行极具特色IMD（Interactive Molecular Dynamics，交互式分子动力学模拟）和SMD（Steered Molecular Dynamics，可控式分子动力学模拟）。在本教程中，我们将首先讲解使用NAMD进行分子动力学模拟基本流程，然后讲解经典结果分析方法，最终我们将简单介绍SMD基本思想和过程。
2. NAMD分子动力学入门
2.1 软件基本设置
NAMD最新版本是2.6版，能够从 无偿得到（需要进行无偿注册）。另外，我们还需要VMD作为分子可视化和辅助分析软件，能够从 无偿得到，最新版本是VMD1.85 。
NAMD安装方法：实际上NAMD是不需要安装。请新建文件夹namd-tutorial, 在该目录中新建文件夹NAMD，下载完成NAMD2.6软件包后，将压缩文件解压到文件夹NAMD中，就能够使用。 下文中为了叙述方便，我们将默认读者NAMD主程序位于../namd-tutorial/NAMD 目录中（安装VMD程序时能够安装到任意目录，不影响教程操作）。
另外，本教程还需要一系列教程文件。所需文件均能够从 下载（图）
下载完成教程所用文件后，请把全部内容解压到namd-tutorial目录下，今后部分我们将默认教程所用文件位于../namd-tutorial 目录中。
完成上述准备之后，请打开Windows资源管理器，namd-tutorial目录结构应该以下：（假如目录形式不一致，请务必进行调整）

该文件夹中有我们进行动力学模拟所需全部文件。
最终，还需要交代是，NAMD不一样于我们所熟悉大多数Windows软件：它不具备图形界面。打个比喻说，我们日常使用Word，Excel，Photoshop等有图形界面软件，好像是面对面聊天；而现在使用不具备图形界面NAMD就像是书信往来：动力学模拟全部参数设定都需要用户经过一个文本文件通知NAMD，NAMD进行处理计算，然后再经过许多输出文件输出结果。不借助其余软件，用户无法直接看到NAMD工作状态。
因为进行动力学模拟准备和结果可视化分析，必不可少软件是VMD，下面讲解中也将大量用到VMD。我们假定读者已经对VMD基本操作有一定了解。VMD入门教程可参见本章附录。
下面，我们将使用NAMD进行简单分子动力学模拟，并进行初步分析。我们将要进行动力学模拟分子是一个76个氨基酸小肽：泛素。
知识连接：泛素——“死亡之吻”
泛素是一个由76个氨基酸组成高度保守多肽链, 因其广泛分布于各类细胞而得名。泛素共价地结合于底物蛋白质赖氨酸残基，被泛素标识蛋白质将被特异性地识别，并在蛋白酶体中快速降解。泛素所以得名——“死亡之吻”。因为被其标识蛋白都摆脱不了被降解厄运。
伴随研究深入深入，蛋白质降解过程中泛素枢纽作用越来越得到重视。蛋白质降解异常与许多疾病（恶性肿瘤,神经退行性疾患等）发生亲密相关。而泛素在蛋白质降解中作用机制如能被说明，将对解释多个疾病发生机制和有主要意义。
Hershko、Ciechanover、Rose三名出色科学家在泛素标识蛋白质降解方面做出了突出贡献，他们荣获诺贝尔化学奖。
使用NAMD进行分子动力学模拟之前，我们需要为NAMD准备好各种必须数据文件，以供NAMD使用。这些文件包含：
¨ 蛋白质分子PDB文件。该文件负责储存蛋白质中全部原子坐标。在后续课程中我们还会了解到，PDB文件还能够储存原子运动速度等信息。
¨ 蛋白质分子PSF文件。该文件负责储存蛋白质结构信息。注意PDB文件只统计原子空间位置，并不储存蛋白质中原子之间成键情况。成键情况由PSF文件负责统计。
¨ 力场参数文件(force field file)。力场参数文件是分子动力学模拟关键，文件中数学方程决定了原子在力场中受力怎样计算。惯用四种力场是CHAEMM, X-PLOR, AMBER 和GROMACS。NAMD能够使用以上任何一个力场进行分子动力学模拟。
¨ 配置文件（configuration file）配置文件目标是通知NAMD分子动力学模拟各种参数，比如PDB文件和PSF文件储存位置，结果应该储存在哪里，体系温度等等
上述四种文件中，PDB文件通常是从蛋白质结构数据库（Protein Data Bank）中取得。力场参数文件也能够从网上下载， 而PSF文件和用户配置文件是用户依照详细要求自己生成。下面我们将首先制作蛋白质结构文件（PSF）。
2.2 生成蛋白质结构文件（PSF）
1、单击 开始菜单→程序 → VMD，打开VMD窗口
2、在VMD主窗口中，单击 File → New Molecule 打开Molecule File Browser对话框；单击Browse…按钮，在弹出文件浏览中找到 namd-tutorial/1-1-build 文件夹，在此文件夹中选择1UBQ.pdb，单击Load按钮载入1UBQ.pdb。
提醒：关于文件后缀名
假如浏览文件时看不到“.psf”“.pdb”等后缀名，能够在“我电脑”中选择“工具”→“文件夹选项”，在“查看”选项卡中取消“隐藏已知文件类型扩展名”。强烈推荐读者取消这一项，因为这还包括到下文中许多操作。
载入之后在图形窗口（VMD 1.8.5.OpenGL Display）中应该能够看到下列图（图）：

能够看到，全部氧原子用红色表示，碳原子以天蓝色表示（碳原子所连键也是天蓝色，所以整个蛋白骨架为天蓝色），硫原子以黄色表示。注意到没有出现氢原子，这是因为此结构是由X射线晶体衍射得来，而X射线衍射通常得不到氢原子精准位置。注意：蛋白周围红点实际上是水分子，因为没有氢，所以仅显示出一个一个氧原子。
我们只需要蛋白质分子结构，所以下面我们将首先除去pdb文件中带有水分子。
4、单击 Extension → TK Console 菜单项，弹出VMD Tk Console窗口。首先用cd命令改变当前目录到namd-tutorial /1-1-build 下。然后输入以下命令：
set ubq [atomselect top protein]
$ubq writepdb ubqp.pdb
(每输入一行命令后按回车键，下同。另外，尤其要注意空格有没有和空格位置，不然空格位置不对可能造成命令执行错误)

提醒：VMD TK Console（VMD控制台）中改变当前目录方法
在Windows命令行模式中和VMD TK Console 中都是用cd命令改换当前目录。不过注意二者使用方法不一样。这里简单说明VMD TK Console 中改变当前目录方法，Windows命令行改变目录方法将在后面说明。
在VMD TKConsole中，改变目录命令十分简单。不论是改变到哪一个目录，只需要输入：
cd 目标目录
比如本例中，假设需要改变目录到 E:/namd-tutorial/1-1-build ，不论当前目录是什么，只需要在VMD TKConsole中输入以下命令即可：
cd e:/namd-tutorial/1-1build
输入以上命令之后，VMD已经在1-1-build目录下生成了文件 ubqp.pdb。这一PDB文件仅包含泛素蛋白，不含水分子。
5、在VMD主窗口中单击1UBQ.pdb，选择Molecule→Delete Molecule菜单项删除当前分子。
6、下面我们将生成泛素蛋白psf文件。注意：VMD组件中实际上提供了一个全自动psf文件生成器(选择Extensions→Modeling→Automatic PSF Builder菜单项)。但我们将人工制作所需要psf文件，以让读者明白制作详细流程。制作时，需要使用VMD提供psfgen软件包。
7、首先，打开写字板，输入以下内容：
package require psfgen
topology top all27_prot_lipid.inp
pdbalias residue HIS HSE
pdbalias atom ILE CD1 CD
segment U {pdb ubqp.pdb}
coordpdb ubqp.pdb U
guesscoord
writepdb ubq.pdb
writepsf ubq.psf
8、输入完成之后，保留文件。注意文件保留在1-1-build目录中，文件名为ubq.pgn，文件类型选择文本文档。然后退出写字板。这么我们便制作了pgn文件，这一文件能够被psfgen软件包所识别，并处理成我们想要psf文件。我们需要在VMD中使用该文件调用psfgen数据包
下面我们详细介绍一下刚才输入每一行命令意义：
package require psfgen：通知VMD我们将要调用psfgen数据包
topology top all27_prot_lipid.inp：载入拓扑文件 top_all27_prot_lipid.inp
pdbalias residue HIS HSE：改变组氨酸残基名，使得残基名称能够和拓扑文件中一致。在pdb文件中组氨酸残基名是HIS,而在拓扑文件中组氨酸残基名为 HSE, HSD, HSP 三种。分别对应组氨酸三个不一样带电荷形式。
pdbalias atom ILE CD1 CD：改变异亮氨酸中原子名。pdb文件中异亮氨酸δ碳名称为CD1，而拓扑文件中原子名应该为CD。
segment U {pdb ubqp.pdb}：生成一个集合（segment）U，包含ubqp.pdb中全部原子。
coordpdb ubqp.pdb U：从ubqp.pdb中读取坐标，比较各个原子名称是否对应，然后旧集合名被改换成新名称“U”。
guesscoord：依照拓扑文件推测缺乏原子（氢原子）空间位置。
writepdb ubq.pdb：生成新pdb文件，包含全部原子坐标，包含刚才推测出氢原子。
writepsf ubq.psf：生成psf文件，该文件包含蛋白结构全部信息。

知识链接：组氨酸三种离子模式

知识链接：PDB文件中原子命名方式
9、假如刚才关闭了VMD，则重新打开，改变目录至1-1-build。然后输入以下命令：
source ubq.pgn
这么我们就成功得到了含有氢原子psf文件。同时，能够看到VMD TKConsole中显示出系统返回信息。信息显示我们系统中有1231个原子，631个原子坐标是推测（图）。

现在在你1-1-build文件夹下应该有ubq.pdb和ubq.psf两个文件。到此为止，我们已经成功制作了下一步分子动力学模拟所需psf文件。
2.2 蛋白质溶质化
显然在真实情况下，蛋白质不是在真空中存在下面。所以我们需要把蛋白质放入一个水环境中，以更真实模拟生物体内环境。我们能够使用两种水体环境进行动力学模拟：
¨ 球状水体（water sphere）。水体包围蛋白质，四面则是真空，动力学模拟时没有周期性边界条件（periodic boundary condition）
¨ 立方水体(water box)。立方水体是正六面体形状水体（不一定是正立方体）。使用立方水体需要我们设定周期性边界条件。
2.2.1 生成球状水体（water sphere）
我们将使用一个脚本文件建立球状水体。脚本文件在1-1-build目录下，文件名是wat_sphere.tcl。
1、假如刚才关闭了VMD，则重新打开，改变目录至1-1-build。然后输入以下命令：
source wat_sphere.tcl
输入之后VMD将会调用脚本文件，之后VMD会反馈一系列信息（图），

2、由所给信息我们能够看出，VMD生成了两个文件：ubq_ws.pdb文件和ubq_ws.psf。 在最终两行还给出了生成球状水体质心坐标（center of mass of sphere）和球状水体半径(radius of sphere)，精准到小数点后第十位。记下这些数字，以后我们还会用到。
这时在图形窗口中却会出现一个立方水体包围蛋白质分子（图）。不过没关于系，在VMD主窗口中可见分子名为del_water，并不是我们所要结果。我们最终止果已经储存在1-1-build中，文件名分别为ubq_ws.pdb和ubq_ws.psf。

3、下面我们将看一下生成球形水体到底是什么样子。在主窗口中单击del_water 分子，选择Molecule → Delete Molecule 菜单项删除该分子；然后选择 File → New Molecule，单击Browse 按钮，在1-1-build目录下找到ubq_ws.pdb文件，单击Load载入该蛋白，能够看到球状水体包围蛋白（如图）。说明我们已经成功地生成了球状水体包围泛素分子。

2.2.2 生成立方水体（water box）
下面我们将把泛素放入一个立方体状水环境中。我们使用是VMD提供solvate软件包。该软件包位于VMD/plugins/noarch/tcl目录下。不过我们不需要自己找到它。只要通知VMD我们将使用该软件包，VMD就会载入它。
1、打开VMD，选择 Extensions→TK Console菜单项，在VMD TKConsole 窗口中输入：
package require solvate
这时VMD就会载入solvate软件包。窗口返回数字：1.2 说明我们所使用软件包是solvate 1.2。确保当前目录是1-1-build，不然用cd命令改变当前目录至1-1-build，然后输入:
solvate ubq.psf ubq.pdb –t 5 –o ubq_wb
等候运行结束，VMD就调用solvate将ubq.pdb和ubq.psf所储存蛋白放入一个立方水体中。在图形窗口能够见到一个立方形水体包围蛋白（如图）。

参数 –t 5 通知程序怎样确定立方体各边长。方法是在每个坐标方向上选择坐标最大那个原子，然后再延伸5A，即为该方向立方体面边界。注意：生成立方水体并不一定是正立方体。各边长取决于坐标最大（距离原点最远）原子位置。还有一个参数 –o ubq_wb是为了通知程序生成文件名。运行结束后我们得到两个文件就是ubq_wb.psf 和 ubq_wb.pdb。
2、在VMD TkConsole中输入：
set everyone [atomselect top all]
measure minmax $everyone
这时返回数值是整个体系中离原点最近点和最远点坐标。我们需要是整个立方体中心，能够自己计算也能够用下面命令：
measure center $everyone
这时返回三个数值就是体系中心。记下这三个数值，我们以后还会用到。
返回值如图：

在开始下一节之前，我们要将生成文件拷贝到common公用目录下以方便访问。在Windows资源管理器中找到1-1-build目录，按Ctrl选择以下六个文件：ubq.pdb, ubq.psf, ubq_ws.pdb, ubq_ws.psf, ubq_wb.pdb, ubq_ws.psf，然后把它们拷贝到namd-tutorial/common目录下。
提醒：
此处生成立方水体实际上过小了。在实际应用时，应该确保水体足够大，以预防蛋白在拉伸运动时超出水环境。也要防止在使用周期边界条件时蛋白和四面各个单元蛋白镜像相碰撞。周期边界条件详细知识见下文。
另外，还应该注意是在实际应用时应该在水环境中放入离子。尤其是当蛋白质净电荷不为0时，更应该设定离子数目以使得整个体系是中性。在放入离子时应该将它们放在体系中静电势能最低点，以节约计算时间。因为离子总会向势能最低点自发运动。
2.3 球状水体中泛素（Ubiquitin）分子动力学模拟
在这一节中，我们将要对球状水体泛素分子进行最简单动力学模拟。
首先，我们要进行分子动力学模拟目标是什么？我们将泛素放入球状水体中，水体周围是真空，然后NAMD会依照我们设定好温度值按照Boltzmann-Maxwell分子速率分布给各原子赋予一定初始速度，接下来就是要依照牛顿力学方程，求解个水分子以及蛋白质中各原子运动轨迹。我们得到结果，就是模拟泛素这一小肽在溶液状态下运动状态。
知识链接：能量最小化和能量平衡（Minimization and Equilibration）
此次动力学模拟实际包含两个过程：能量最小化和能量平衡（Minimization and Equilibration）。能量最小化时，NAMD设定各原子速度为0，然后不停改变各个原子相对位置并计算体系总能量，搜索最低势能点，作为分子动力学模拟初始状态。这一过程是不统计原子运动轨迹。因为原子位置改变只是因为NAMD需要搜索最低能量状态，而不是真实相互作用引发运动。
能量平衡是让蛋白质和水分子在设定好环境温度（即原子速度）下相互作用，达成能量平衡分配，整个体系达成稳定状态（熵达成极大值）。
为何需要首先进行能量最小化？这是因为我们提供体系有可能包含极度扭曲，拉伸或压缩变形键和键角。它们是解析结构或同源模建时引入错误结构，含有很高能量。假如不首先进行最小化，直接进行能量平衡，蛋白质会和水分子相互作用，恢复伸展状态，释放掉这些错误结构中高能量。这一过程是没有意义——因为它是错误结构引发反应，并不是蛋白质在溶液中真实状态。从而就浪费了计算时间。不但如此，能量释放引发激烈运动和相互作用最终可能使得蛋白质行为不符合溶液中真实施为。所以有必要在能量平衡之前，首先人为搜索能量最低点，作为分子动力学模拟初始状态。
通常地，分子动力学模拟包含多个能量最小化和平衡过程。通常我们会首先将蛋白质固定而仅允许水分子运动，进行能量最小化和能量平衡；然后允许蛋白质和水分子同时运动，再次经历能量最小化和能量平衡这一循环。第一步目标是使水分子达成能量最小，这通常是一个很快过程。然后再放开蛋白质，使整个系统达成能量最小。这么能够减小计算量，并预防因为一开始蛋白结构很不稳定而结果产生假象。
在上一节中我们已经取得了所需要ubq_ws.pdb 和ubq_ws.psf 两个文件。对照本章开始提到NAMD所需四个文件知，还需要有配置文件就能够提交NAMD进行动力学模拟了。（力场参数文件在common文件夹中）。下面我们将首先得到配置文件。
2.3.1 配置文件
前面我们把使用NAMD比作写信，这里“信”就是指配置文件。配置文件统计了进行动力学模拟所需全部参数和设置，NAMD只要得到这一文件就能够按摄影应指令进行操作。对于此次动力学模拟，在namd-tutorial/1-2-sphere 目录下能够得到已经预先制作完成配置文件。下面我们将要仔细讲述文件内容。
打开写字板，在菜单中选择 文件→打开，找到1-2-sphere 目录，文件类型选择全部文件（图），然后打开文件ubq_ws_eq.conf。这个文件看起来好像很复杂，不过我们会仔细分析讲解每一部分含义。

注意：在配置文件中，每一行开头假如是“#”，则本行内容会被看成注释对待，NAMD会忽略其中内容。所以为了便于区分，我们用#把文件分割成几大部分。如第一部分是：
############################################
## JOB DESCRIPTION ##
############################################
意思是这一部分是对所提交工作描述。
1、大致浏览一下，能够发觉整个文件被分成了以下几部分：
¨ 工作描述（job description）
¨ 可调参数 （adjustable parameters）
¨ 动力学模拟参数（simulation parameters）
¨ 附加参数（extra parameters）
¨ 执行脚本 （execution script）
它完整统计了输入蛋白质结构文件（pdb和psf文件）位置，输出结果文件文件名，以及动力学模拟时环境温度，截止点，步长等各种参数。在进行动力学模拟时只需要提供给NAMD一个配置文件，NAMD就能够找到输入文件，调整好各种参数，按照要求进行动力学模拟之后输出结果。
2、然后，首先我们来看第一部分：Job Description。这一部分每一行开头都有#，所以只包含注释。它描述是这一配置文件目标：Minimization and Equilibration of Ubiquitin in a Water Sphere。就相当于一片文章题目。
3、Adjustable Parameters 这一部分包含5项参数：
¨ structure: 给出调用psf文件位置
¨ coordinates：给出调用坐标文件（即pdb文件）位置
¨ set temperature 310: 定义一个变量temperature，并赋值310。以后假如要使用环境温度值310，只需要用$temperature 代替。这和c语言中预处理命令#define有些类似。
¨ set outputname ubq_ws_eq：新建一个变量outputname，并赋值ubq_ws_eq。作用同上。
¨ firsttimestep:设定动力学模拟时起始timestep数值。在重新开始进行一个被中止动力学模拟时，这一设定是非常有用。假如前一次动力学模拟结束时timestep是533，那么这一次起始值显然应该是534。
4、Simulation Parameters 这一部分包含许多参数，能够分成以下几部分：
¨ Input
- paraTypeCharmm: 说明参数文件是否是CHARMM力场格式。设置为on。
- parameters: 从给出力场参数文件中调用参数（此例中，力场参数文件为../common/par_all27_prot_lipid.inp）
- temperature: 设定环境起始温度（K）。如上所述，在这里$temperature 相当于310。设定这一数值后，NAMD会依照Maxwell分子速率分布给体系中分子分配运动速率。
¨ Force-Field Parameters
- exclude: 说明哪一个原子-原子相互作用能够忽略。这里设定值是 scaled1-4。成键相邻原子编号方式见图。scaled1-4就是说如图中原子1-2，1-3，2-3之间相互作用被完全忽略，而原子1-4相互作用被弱化。

- 1-4scaling: 刚才提到了原子1-4之间相互作用会被弱化。这个参数就是为了说明弱化程度。取值在0～1之间，0表示完全忽略，1表示不进行弱化。
- cutoff：设定范德华力和静电力截止点。假如不设定此值，NAMD会计算整个体系中任意两个原子范德华力和静电力相互作用，这显然是没有必要。注意：假如Particle Mesh Ewald Sum 设定为on，cutoff定义就会改变，在此不详细叙述。
- switching：设定是否使用过渡函数（switching function），使得在截止点处范德华力和静电力不会突然降低至0，而是平滑过渡至0。
- switchdist：设定在哪一点静电力和范德华力函数开始使用过渡函数修正（switch function）以使这两个函数能够平滑过渡，在cutoff处降低为0。
- pairlistdist: 这一设定是为了使得计算更加快进行。假如不设定这个值，对于体系中某个原子，NAMD需要遍历搜索整个体系以找出和该原子有相互作用全部其余原子。设定之后，在计算某个原子受力时，NAMD将只搜索设定范围之内原子。设定值单位是A。注意这个值必须要大于cutoff值。

图是以上概念图示说明。
¨ Integrator Parameters
- timestep：说明所使用步长数值。分子动力学模拟基本原理还是求解牛顿力学方程，不过并不能做到连续求解，而只能每隔一段间隔求解一次，最终生成原子运动轨迹。步长值就是求解时间间隔。以一个飞秒（fs,femtoseconds）为单位。2.0即为2fs。
- rigidBonds：设定与氢原子相连哪一个键是刚性（不会往返振动）。这里设定值是all，说明全部和氢原子相连键都被认为是不振动。
知识链接：Rigid Bonds
为何要设定RigidBonds？这是因为我们设定步长是2飞秒。在分子动力学模拟时，键转动，振动，原子位移等等速度并不相同。而步长数值显然应该由最快那一个运动时间尺度决定。在各种运动形式中，键长伸缩和键角扭曲是最快。键长振动通常是每10-100飞秒一次。其中，最快当然是与氢原子相连键长振动，通常是10飞秒一次，而我们步长是2飞秒，几乎在一个数量级上。所以无法精准描述这么键长振动。所以需要先设定认为这些键不振动。其实也相当于取键长伸缩振动平均值作为固定键长。
大分子功效和行为通常与较慢分子构象改变和分子运动关系亲密，但和快速原子振动关系较小。所以认定键长振动不存在也是能够接收，只是对于精准分子动力学模拟而言应该尽可能防止。对于任何分子动力学模拟，步长应该是体系中最快运动周期1/10以下。

- nonbondedFreq: 设定每隔多少步长计算一次非成键相互作用（nonbonded interactions）。适当调整这个值能够节约计算时间。
- fullElectFrequency: 设定每个多少步长计算一次总体静电相互作用（full electrostatic interactions）。
- stepspercycle: 前面提到过，每个原子都有一个pair list，即和它有相互作用全部原子列表。这个列表显然是动态改变。列表更新周期叫做一个循环（cycle）。这个值设定是每多少步长更新一次列表，完成一次循环。
¨ Constant Temperature Control
- langevin: 设定动力学模拟时是否使用Langevin 动力学。这里设定为on。
- langevinTemp: 设定一个温度值，使用Langevin 动力学将原子保持在恒定该温度。
- langvinHydrogen: 设定是否对于氢原子也应用langevin动力学。
¨ Output
- outputName：每进行一次动力学模拟，NAMD会输出多个文件。这个参数设定这些文件前缀名（如ubq.pdb，ubq就是前缀名）都为ubq_ws_eq。NAMD输出文件包含：一个后缀名为“.coor”文件，储存经过动力学模拟后全部原子坐标；一个后缀名为“.vel”文件，储存系统动力学模拟结束时全部原子瞬时速度。所以运行结束后我们能够得到两个文件：ubq_ws_eq.coor 和 ubq_ws_eq.vel。
- restartfreq: 在进行分子动力学模拟时，NAMD还会创建恢复文件（restart file），类似于Word自动保留，使得用户在动力学模拟意外停顿时候能够用恢复文件继续进行模拟。这个参数就是设定每过多长个步长自动保留一次，生成一个恢复文件。恢复文件后缀名是 “.restart”，表示刚才生成恢复文件；以及“.restart.old”，是前一次保留恢复文件。
- dcdfreq：dcd文件统计就是每一个原子运动轨迹。统计方法是，NAMD每隔一定时间间隔就将全部原子坐标写入一次dcd文件。而这个参数就是设定写入时间间隔。当然，dcd文件会伴随模拟进行而越来越大，假如写入很频繁或者模拟进行时间很长，就会得到一个很大dcd文件。另外，假如不需要得到模拟后轨迹也能够不设定这一参数，这么NAMD将不会生成dcd文件。
除了以上叙述这些输出文件，namd还会产生一个日志文件，后缀名是“.log”。这一文件内容将在以后内容讲到。
- outputEnergies: 设定每隔多少步在日志文件中输出系统各种能量（每种立场如范德华力，静电力分别对应一个能量）。这里我们设定是每隔100步输出一次。
- outputPressure: 一样地，这个值是为了设定每多少步在日志文件中输出一次系统压力。
5、附加参数（Extra Parameters）
¨ Spherical Boundary Conditions
- sphericalBC: 设定是否要设置球形边界条件。
- sphericalBCcenter: 设定球形体系中心。输入你记下球状水体中心坐标。在这里我们已经给出了所需要坐标值。
为了使球形边界条件能够维持，需要设定一个边界势能，使得球状水体得以保持形状而不会扩散到真空中去。以下三行参数就是设定了边界势能。
- sphericalBCr1: 设定第一个边界势能起作用起始半径。以A为单位。
- sphericalBCk1: 设定边界势能force constant。单位是 kcal/mol·A。
- sphericalBCexp1: 设定边界势能函数方程指数值。必须是正偶数。
6、执行脚本（Execution Script）:最终一个部分，包含三个参数设定：
¨ Minimization: 在此次模拟时，一开始NAMD将不停改变各个原子位置，搜索整个体系势能最低点（此时个原子动能均为0），以作为动力学开始初态。这就是能量最小化（minimization）
- minimize:。这一参数设定是能量最小化时重复改变原子位置次数。
- reinitvels: 能量最小化时，各个原子速度还是0。这个参数设定是能量最小化完成之后体系升温所至温度。在这个例子中是$temperature,即为310K。
¨ run：设置分子动力学模拟进行时间。以步长为单位，这里设定为2500步，即2500 fs x 2 = 5000fs，或5 ns（nanoseconds，纳秒）。
7、现在关闭写字板。
2.3.2 进行动力学模拟
前面说过，NAMD没有图形界面，需要打开命令行之后找到namd所在目录，然后输入namd2运行程序。运行时输入命令格式是：
namd2 配置文件位置 > 输出日志文件位置
单击 开始→运行，输入cmd后回车，打开命令行窗口。使用cd命令改换目录到namd所在目录，（本教程中默认目录是namd-tutorial/namd），然后输入：
namd2 ../1-2-sphere/ubq_ws_eq.conf > ../1-2-sphere/ubq_ws_eq.log
（注意斜线“/”方向，不能够输入“\”）
回车之后，系统不返回任何信息，光标位于下一行行首并不停闪动，说明NAMD已经开始运行。按Ctrl+Alt+Del 打开Windows 任务管理器，在“进程”选项卡中能够看到有namd2这一进程运行，而且CPU占用率一直是100% 。为了使动力学模拟能够顺利完成，在此期间不要进行任何操作。
提醒：Windows命令行中改变当前目录方法