马提尼粗粒度力场应用说明（The Martini Coarse-Grained Force Field）

粗粒化模拟- Coarse-grained simulation

在各种模拟技术中使用粗粒化（Coarse-grained, CG）模拟进行研究，是一种有效的手段，CG可以增大体系的时间和长度尺度，这是传统的全原子（All-Atom, AA）模型所无法实现的。粗粒化模型的总体目标是提供一个简单的模型，计算速度快、易于使用，但足够灵活可适用于大范围的生物分子系统。

在粗粒化模拟的力场广泛使用的是Martini力场，该力场是一种适用于生物分子系统分子动力学模拟的粗粒化力场。Martini的官网：http://cgmartini.nl/index.php，官网中有详细的教程，后面会慢慢讲解。Martini力场为各种生物分子提供参数，包括许多不同的脂质、胆固醇、氨基酸、糖、DNA、富勒烯、胶原蛋白和树突状分子等。下面介绍有关martini的由来和简介：

1.Martini name

“Martini”这个力场名称是在2007年发布力场2.0版本时命名的。Martini是荷兰格罗宁根市的昵称，也是力场的发源地，并一直持续发展至今。这座城市的著名地标是100米高的Martini塔（图1 ）。这个名字也体现了同名鸡尾酒（图2）的普遍性；一些简单的成分（化学成分）是如何不断变化，创造出一种复杂的口味。

2.Martini Mapping

Martini模型是基于4：1的映射，即除环状分子外，平均四个重原子有一个相互作用中心表示。映射小的环状片段或分子的几何特异性（如苯、胆固醇和若干氨基酸），一般的4：1映射规则是不够的。因此环状分子的映射率更高（高达2：1）。该模型考虑了四种主要的相互作用位点类型：极性粒子（Polar,P）、弱极性粒子（non-polar, N）、带电粒子（charged,Q）、非极性离子（apolar,C）。在一个主类型中，子类型通过一个字母表示氢键的强弱（d = donor, a = acceptor, da = both, 0 = none），或者通过数值表示极性程度（1 = 低极性，5代表高极性）。代表性生物分子的映射图谱如图3所示。出于计算效率的考虑，CG珠子的质量被设置为72 amu（对应4个水分子），除了环形结构的珠子，其余质量被设置为45 amu。

图3 原子级（AA）的化学结构与粗粒度（CG）之间的映射Martini模型用于DPPC、胆固醇、水、苯、蛋白质螺旋片段和一些氨基酸（缬氨酸、谷氨酸、精氨酸和色氨酸）。CG珠显示为透明的VDW球，在蛋白质螺旋片段中，AA和CG表示并排显示，CG主链珠用小球体表示。

3.Martini implementation

CG力场最初是为了方便Gromacs软件使用，后面势能函数的一般形式经过转换也能把CG模型应用于NAMD、Desmond。

4.Martini topology

脂质：Martini力场最初是针对脂类系统开发的；脂质模型已在多种类型的体系中进行了全面测试，不仅包括双分子层体系，还包括胶束、单层、六角形和立方相体系。

蛋白、碳水化合物、水模型、纳米材料、胶束、DNA、聚合物、

5.How to make martini topology

第一步：将全原子化学结构映射到CG表示

将分子分解成小的化学构件，理想情况下每个构件有四个重原子。因为大多数分子不能完全映射到由四个重原子组成的珠子上，所以有些珠子会代表更多或更少的原子数目。

第二步：选择合适的键合作用

对于大多数分子来说，使用标准键长（0.47 nm）和力常数（1250 KJ/mol/nm^2）似乎是很有效的。在使用不同的值来更好的表示基础化学结构的情况下，在调整这些值方面没有限制。特别是对环状结构，需要更小的键长。

第三步：通过与AA级模拟或实验数据进行比较，对模型进行优化

粗粒化过程并不一定会导致粒子类型和键合相互作用的唯一分配。改进粗粒化模型的方法是与AA级模拟进行比较，类似于使用量化计算改进原子模型。结构的比较对于优化键合作用特别有用。

参考文献：

https://link.springer.com/protocol/10.1007/978-1-62703-017-5_20