VMD：分子动力学外文翻译资料

 2022-10-26 10:17:23

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VMD：分子动力学

VMD 图形程序程序设计用于展示和计算分子的组成。特别是生物聚合物例如蛋白质和核酸。VMD可以使用多种变化的渲染风格和涂色方法同时展示任意数量的结构。分子可以显示一个或多个，但要确保每一个模型都能被具体的表现出来。可以实现对选择的某原子集特别着色、原子可以通过许多方法被选择限定，在大量的原子中清楚的显示出来，包括用正则表达式. Vmd提供一套完整的图形学用户界面用于程序的控制，使用嵌入式解析器文本界面；允许复杂的脚本变量替换，控制循环和函数调用；支持全会话日志记录，可产生一个供以后回放VMD命令脚本。

它通过一个数字生成输入脚本所产生，显示分子的高分辨率光栅图像，是真实感图像绘制中的应用。

VMD具有一个被明确设计的能力，是用于展示分子动力学中的模拟运动轨迹（MD），模拟可以从文件，也可以从直接连接到运行。

Vmd是MDscope的可视化组件，MDScope是一套解分子生物学问题的工具，其中也包括平行的分子动力学程序NAMD，并且用MDCOMM软件连接可视化和仿真程序。 VMD是用C 编写的，使用面向对象的设计；程序，包括源代码和大量的文档，是开源免费的，任何人都可以通过万维网下载。

关键词：分子模拟，分子动力学可视化，

交互式可视化

介绍

现如今，已经有几个优秀的软件实现了分子的可视化和分析计算功能，它们可以展示分子间物理结构，用于分子可视化和分析的计算工具，现已有广泛的应用。

然而，这些研究结果中的分子轨迹文件通常含有大量的动态数据，储存起来需要大量的空间，因此需要合适的可视化工具，来实现显示分子动力学模拟和结构的序列。

计算机计算速度的增长和并行化使得如今分子动力学的交互式的研究成为可能，同时计算方式的改变也要求一个新的分子成像软件。

我们便是要开发一个可交互的分子成像系统，特别是生物聚合物如蛋白质或核酸的分子结构

我们希望这个程序可以为分子动力学的分析提供很好的帮助，它需要便于储存，免费可用，使用和修改起来很方便。

但开发过程中我们需要解决的主要问题有以下几个方面

·支持显示分子的动态数据比如分子的运动轨迹锁产生的分子动力学的数据处理。

·该应用可以提供一个图形化的用户界面和可视化控制台的模拟程序可以直接显示分子运动。

·可以3d成像，输出于屏幕如pc显示器等。

·基于文本和鼠标的用户界面， 对照。包括用户自定义菜单和程序使用解释的脚本语言的扩展

·在多种渲染方式中显示分子

·用户便于操作

·输出高品质的拷贝图像，帮助研究人员进行分子组成的分析和讨论。

我们在这篇文章中描述了VMD程序的功能和结构。第一次提到的程序实施的现状，然后讨论重大项目的能力和功能。我们还描述了VMD的使用。再加上大屏幕立体投影系统，可以作为作为一个协作工具，方便研究人员用于分子组装的分析和讨论。

最后，我们讨论了 VMD的如何实现交互式操作分子动力学模型，并列出当前可用的文档和源代码。

实施

VMD是使用C 编写的，利用面向对象的设计，需要协助维护和增加新的功能。VMD程序文档包含描述如何编译、安装、使用和修改不同硬件和软件配置。VMD需要硅图形GL库或OpenGL库来实现三维图形的绘制。

一个样本的VMD展现出用户界面的三个组成部分：图形显示窗口。图形用户界面窗口和vmd控制台

在彩色板的右边，是图形显示窗口，在该窗口中，分子呈现和交互旋转，转换，并且可以通过鼠标控制缩放.

一个用户自定义的弹出式菜单是在这个窗口中可用。

在图形显示窗口中显示的图像被称为当前场景。VMD包含渲染场景到高品质的光栅图像文件如下选项。

VMD使用XForms的图形用户界面，它使用一个集合的形式来表示的图形控件提供给用户。一些可用的VMD的形式的例子显示在彩板左边。

图形用户界面（GUI）在VMD包括工具栏提供任务如改变当前的分子显示特性或动画选择分子的具体形式来展现分子动力学的运动轨迹。

在彩板的图形显示窗口下面是VMD文本控制台。它显示信息的消息，并提供了一个命令提示，用于键盘控制程序。

在VMD所有动作可以通过文本命令全体会议记录和播放。用户可以编写可以随时运行的脚本，并且可以执行。例如用户通过弹出菜单选择进入一个短文本命令。

VMD采用TCL嵌入式脚本语言解释器解释。处理文本命令。TCL提供了一套完整的脚本功能的程序，这使得具有可能的复杂特性，如变量替换，条件表达式、控制循环和子程序。

VMD启动时，会有一个用户自定义的配置文件被读取。它可以被用来定义一个个性化的VMD的工作环境和定义新的命令和程序的扩展。以及对创建自定义弹出菜单控件。

功能

新的分子被读入VMD从一组分子结构/坐标文件，也可以从一个单一的坐标文件读取。分子结构文件包含有关该系统的静态信息。如键连接和原子质量和电荷值。分子坐标文件包含所有构成分子的所有原子的位置。当没有提供结构文件时。每个原子的键连接的VMD通过最近邻距离搜索确定。VMD理解CHARMM / x_plor兼容的PSF蛋白基因结构文件格式。和Brookhaven PDB坐标文件格式。 In addition to molecular file formats, VMD can read and display images in Raster 3D12 input file format.

除了分子文件格式，VMD可以读取展示3D的输入文件格式显示图像。

由于大型分子数据文件格式正在使用，VMD具有其他软件的接口如程序Babel，可从PDB或PSF格式读取数据。

如果安装了Bable。它是用来将文件在被Vmd读取前转换为为PDB格式。这也包括多坐标集数据文件，如XYZ文件格式。

VMD的一个关键特征是分子动力学模拟程序的工作能力，并显示模拟分子的运动计算（下面讨论）。

因此。新的结构只要加载了就可以通过VMD连接运行模拟。而不是从文件中读取。然而，只要加载了，同样的结构就会从网络连接获得同样的处理方式，就如从磁盘读取。

分子结构的动画展示

VMD显示的每个分子有一个相关的动画列表，它是一个分子的原子坐标集。控制是可发挥后的轨迹，与选择离子来控制动画的速度，帧的增量和动画的方向。新的轨迹坐标集可以从PDB文件的读取。或从DCD文件（二进制兼容与分子动力学）CHARMm（分子动力学）坐标集可以加载当分子当其最初被VMD读入时，也可以之后再另行读入。

分子轨道编辑器也可以选择删除特定的框架或框架集的动画列表，和写每秒坐标文件。

分子结构的显示

在图形显示窗口中，任意数量的分子可以显示和操作。 分子的每一个结构被画成若干个表示。每一个分子的多种视图方案可以同时显示创建一个复杂的系统的图像。一种视图方案只是一种特殊的绘图方法。并有以下三个特点：

1一个原子子集选择决定原子将被包含在视图

2。渲染风格,决定了原语用来画出原子,和其他分子组件,表2 VMD的许多可用的呈现样式列表

3所着色方法,决定使用什么颜色的组件视图。无数的着色方法是可用的。表1中列出了其中的一些观点是通过文本命令创建或修改,或者更容易,使用图形界面的控件。彩色板2示出了一个蛋白质二聚体复合物的一段段的详细说明。分子可以使用正交或透视投影显示。

Line

简单的线表示键；点表示原子

Atoms

亮圆柱体表示键；没有原子

Vdw

固体；亮球表示原子，无键

CPK

缩放球表示原子；圆柱体表示键

Dotted

点缀的球体表示原子；无键

Licorice

固体球体和等半径的圆柱体

Tube

圆柱体管 原子

Ribbon

扁丝带 原子

Surf

选定原子的溶剂可接近表面

Carloon

简化二次结构表示

VMD原子选择能力是相当广泛的，包括一个复杂的选择表达式句法灵活。分子中的每一个原子都有几个特点，关键词是用来选出具有值匹配指定标准的原子。例如，每个原子都有一组字符串名，一个（x,y,z）的位置，和其他数字值，如电荷和质量。例如，原子也具有布尔特征，例如，作为一个氨基酸或核酸或蛋白质骨架的一部分的成员。布尔运算可以用来选择原子基于多特征，和括号可以用来选择求值顺序。

例如。选择选择所有的原子，在天冬氨酸或甘氨酸残基，并有质量大于1 1。同样地，选择选择所有在8以内的骨干原子单位（例如，在8个残基的100）。正则表达式可以使用在字符串中指定选择的快速许多不同的名称。当一个选择的变化过程中的轨迹（如一个有另一组原子半径内TOMS），用户可以要求每一次新的动画时间步显示选择的更新。

当显示实心物体,VMD可以使用可用的硬件加速照明功能,功能利用SETOR等其他分子可视化包。5四个独立,无限遥远的光源可以放置在现场,用于照亮显示对象。每一个灯都可以开启或关闭,可以交互式地搬到新的位置用鼠标。光栅图像生成一个接口中提供了许多图片渲染包VMD和可以用来创建输入脚本使用这些程序。生成的输入脚本可能会被选中的方案,来创建一个光栅输出图像显示的图像场景的VMD适合出版物或幻灯片。表3列出了目前支持图片渲染包。

图片渲染程序创建输入脚本的能力可能结合Tcl脚本语言中可用VMD轻松地创建高质量的电影的一个分子。作为一个例子,下面的脚本可用于创建一系列的图像显示之前加载分子绕Y轴旋转,通过创建输入脚本Raster3D12程序处理后立即创建:

### Tcl script to create a Raster3D movie

### of a rotating molecule

for { set i 0 } { $i lt; 360 }

{ set i [ expr $i 10 ] J {

### create and process a Raster3D script

set scriptfile 'rotate.$i.r3d'

set imagefile 'rotate.$i.rgb'

render Raster3D $scriptfile

catch { exec render lt; $scriptfile -sgi

$imagefile J

### rotate the current image by 10 degrees

### about the Y axis

rot y by 10

J

在载入一个分子之后，这个脚本会简单的被调用（假设它在一个叫movie.tcl的文件中）

立体显示

现场显示在图形窗口可能在立体呈现,提高外观和信息内容的显示系统。立体观测参数,包括眼睛分离距离和焦距,用户可以交互式地控制。在VMD两个立体显示格式:

1. 并列式立体显示,这将显示窗口分为两半,左眼视图和右眼视图。这种格式可以使用图形显示硬件,和适合准备出版的图像。

2. 一个水晶眼睛立体显示,利用特殊硬件可用在许多图形工作站与液晶显示立体图像查看——关闭眼镜。

立体观看模式可以使用与标准显示监视器,或与外部立体显示设备。作为一个例子,VMD目前使用三维投影系统的显示和分析分子由几个用户同时观看。该系统由一个安装投影仪,呼应上一个巨大的由8英尺(6)屏幕上立体影像显示在图形工作站监控。大屏幕显示可以让许多观众在大放大生物聚合物研究协作系统;立体显示环境提高了现场的信息内容通过增加视觉的深度线索。VMD包含几个选项来配置图形显示与大屏幕投影系统的使用,例如:设置投影屏幕垂直和水平维度。

一个问题时遇到几个人观点相同的计算机生成立体图像,每个人从不同的角度看到这一幕。为了缓解这个问题,VMD支持使用空间跟踪装置的3 d位置和姿态测量传感器相对于固定位置,为了提供一套3 d指针。VMD显示屏幕上的指针的可视表示形式,这样,所有观众感知的指针在同一位置相对于分子。

新功能和用户界面的方法目前被添加到VMD使用这种立体投影环境提供一个自然的解决问题的结构生物学环境。这些增强的目标是帮助用户从键盘上“解开”,使可能的操作和分析分子结构由几个合作者同时在自然的工作环境。VMD正在更新的用户界面控件使用每个可用3 d指针作为一个3 d鼠标,将用于旋转和控制分子一样正常,2 d鼠标使用。也正在探索一个音频用户界面允许用户发出口头指令。这些用户界面控件可能最终取代或增加键盘和菜单控制。

轨迹分析工具

VMD包括功能分析分子结构和轨迹。这些函数访问内部VMD数据结构返回或

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