| 编号 | 593 | |
| 名称 | Constant-pH MD (OpenMM) | |
| 封面 |  | |
| 描述 | 基于 OpenMM/openmm-cph 的显式溶剂离散质子化恒定 pH 分子动力学模拟。 | |
| 标签 |
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| 作者 | Swails JM | |
| 发布时间 | 2026-09-16 00:00:00 | |
| 参考文献 | Swails J. M., York D. M., Roitberg A. E. 2014, Constant pH Replica Exchange Molecular Dynamics in Explicit Solvent Using Discrete Protonation States: Implementation, Testing, and Validation, Journal of Chemical Theory and Computation, 10:3, 1341-1352 | |
- 简介
- 参数说明
- Input File
- pH
- Time
- Path
- Distance
- Salt
- Temp
- Time Step
- Hmass
- MC Interval
- Relax Steps
- Ligand Smiles
- Add Hydrogens / No Add Hydrogens
- Keep Hydrogens
- 结果说明
- 参考文献
Constant pH MD (OpenMM)
简介
Constant pH MD (OpenMM) 是基于 openmm-cph 的恒定 pH 分子动力学（CpHMD）模拟模块。模块在分子动力学模拟过程中动态采样生物分子的质子化状态，用于研究蛋白质等生物分子在不同 pH 条件下的结构和动力学变化。
模拟过程中，每隔 MC Interval 个 MD 步对所有可滴定残基执行一次质子化态 Monte Carlo 尝试，并使用 GBn2 隐式溶剂能量作为接受判据。质子化态变更被接受后，执行 Relax Steps 步溶剂弛豫。
适用场景：
- 识别 pH 响应残基：比较不同 pH 条件下各残基的占优质子化态，识别质子化态发生变化的残基。
- 估计表观 pKa：通过多个 pH 值或模拟回火采样质子化分数与 pH 的关系。
- 提供固定质子化态：输出
cphmd_state_files.tar.gz，用于下游固定质子化态 MD 模拟。
支持的可滴定残基包括 ASP、GLU、HIS 和 LYS，位于蛋白链首尾的残基会自动排除。质子化参考能量来自模型化合物校准文件 reference_energies.json。
参数说明
Input File
输入结构文件，支持 PDB、CIF 和 mmCIF 格式。除使用 Path 续跑外，该参数为必选参数。支持包含蛋白质、核酸和小分子配体的混合体系。
pH
目标 pH。除使用 Path 续跑外，该参数为必选参数。
输入单个值时执行恒定 pH 模拟，例如：
5.0
输入多个以英文逗号分隔的 pH 值时执行模拟回火，在不同 pH 条件之间周期性切换，例如：
4.5,5.0,5.5,6.0
Time
分子动力学模拟时长，单位为 ns，默认值为 10 ns。
使用 Path 续跑时，该参数表示在历史模拟基础上继续延长的时长。
Path
历史模拟路径文件，用于续跑已有模拟。指定后进入续跑模式；同时指定 Time 时，将在原有模拟基础上继续运行相应时长。
Distance
溶剂盒边界距离，单位为 Å，默认值为 10 Å，即 1.0 nm。该参数表示蛋白质表面到模拟盒边界的最短距离。
Salt
NaCl 离子强度，单位为 M，默认值为 0.15 M。
Temp
模拟温度，单位为 K，默认值为 300 K。
Time Step
分子动力学模拟步长，单位为 ps，默认值为 0.004 ps，即 4 fs。使用 4 fs 步长时需要通过 Hmass 启用氢质量重分配。
Hmass
氢原子质量，单位为 amu，默认值为 1.5。
默认启用氢质量重分配（Hydrogen Mass Repartitioning，HMR），可支持 4 fs 模拟步长。设置为 1.0 时关闭 HMR，此时 Time Step 最大支持 2 fs。
MC Interval
两次质子化态 Monte Carlo 尝试之间的 MD 步数，默认值为 100 步。在 4 fs 步长下，对应 400 fs。
每次 Monte Carlo 尝试会遍历所有可滴定残基。
Relax Steps
质子化态 Monte Carlo 变更被接受后执行的溶剂弛豫步数，默认值为 250 步。
Ligand Smiles
小分子配体的 SMILES，可选参数。用于确定配体的正确键序和连接关系。
提供该参数后，模块会先移除配体中的氢原子，根据 SMILES 匹配键序，再自动添加氢原子。当 Input File 不包含完整的配体键序或连接信息时，建议提供该参数。
输入结构仅包含一种配体时，直接填写 SMILES：
OC[C@H]1O[C@@H](n2cnc3cc(Cl)c(Cl)cc32)[C@H](O)[C@@H]1O
输入结构包含多种配体时，使用 残基名:SMILES 格式，不同配体之间使用英文逗号分隔：
RFZ:OC[C@H]1O[C@@H](n2cnc3cc(Cl)c(Cl)cc32)[C@H](O)[C@@H]1O,W2R:O=C(Nc1cccc(Oc2ccc(Nc3ncnc4ccn(CCOCCO)c34)cc2Cl)c1)NC1CCCCC1
Add Hydrogens / No Add Hydrogens
设置是否添加氢原子。
Add Hydrogens：默认选项。删除输入结构中的所有氢原子，再根据 pH 重新添加氢原子。No Add Hydrogens：跳过氢原子处理，保留并使用Input File中的原始氢原子。适用于已经完成加氢处理的结构文件。
Keep Hydrogens
保留输入结构中已有的氢原子，仅补充缺失的氢原子。该参数与 Add Hydrogens 配合使用，适用于已经包含部分氢原子的结构文件。
结果说明
输出结果包括：
| 文件名 | 说明 |
|---|---|
system.pdb |
加入溶剂和离子后的完整体系结构 |
system.xml |
完整体系的序列化力场参数 |
{stage}.pdb |
各模拟阶段的结构文件，阶段包括 mini、nvt、npt 和 md |
{stage}.xml |
各模拟阶段的序列化参数文件 |
{stage}.log |
各模拟阶段的日志文件 |
{stage}.dcd |
各模拟阶段的轨迹文件 |
titratable.json |
可滴定残基及其质子化变体列表 |
pH_states.log |
质子化态时间序列，为 CpHMD 的核心输出 |
cphmd_state_files.tar.gz |
pH_states.log 和 titratable.json 的打包文件 |
path.txt |
历史模拟路径文件，可用于续跑 |
checkpoint.chk |
模拟检查点文件 |
run_info.json |
pH、模拟步长、MC 间隔、温度和 Hmass 等运行参数 |
output.json |
输出文件索引 |
其中，mini 阶段为能量最小化而非动力学模拟，因此仅生成 PDB 和 XML 文件，不生成 LOG 和 DCD 文件。
参考文献
- Swails J. M., York D. M., Roitberg A. E. 2014, Constant pH Replica Exchange Molecular Dynamics in Explicit Solvent Using Discrete Protonation States: Implementation, Testing, and Validation, Journal of Chemical Theory and Computation, 10:3, 1341-1352, DOI: 10.1021/ct401042b
