1,查看数据库的基本属性:

2,查看所有数据库对象的类别和大小:

3,查看当前数据库的object数目:

4,查看当前数据库的字符集:

5,查看数据库文件的属性;

查看控制文件的命令如下

查看数据文件的命令如下

查看日志文件的命令如下

查看日志文件的组名、成员数量、状态和大小，命令如下

查看临时文件的命令如下

6,查看数据库归档信息

查看数据库归档参数设置：

查看数据库归档位置信息:

查看归档日志文件信息:

7,查看数据库的后台进程

8,查看系统的当前时间

1)查看系统当前时间的命令如下:

2)从sysdate函数中获取部分时间内容的命令及结果如下：

取午夜后时间间隔的秒数差：

9,修改系统的当前时间

修改系统当前时间的命令如下：

10,查看数据库连接的客户端信息

查看客户端的登录信息:

查看客户端的主机地址信息:

11,查看客户端的会话信息

14,查看正在使用回滚段的会话

15,查看正在使用临时段的会话

18,查看SID对应的进程

19,查看当前用户的默认表空间

20,查看表空间的基本属性

21:查看表空间的数据文件和容量信息

(1) 查看表空间的数据文件和容量信息

(2) 查看物理文件在表空间的容量使用情况

22,查看表空间的容量统计信息

(1) 查看表空间的容量统计信息

(2) 查看表空间的块容量信息

23,查看表空间的容量增长情况

24,查看无法扩展的段

25,查看一个表所占用的表空间信息

26,查看用户表所占用的空间容量

27,查看表段或索引段所使用的空间容量

28,查看表空间的碎片

当一个表空间的自由碎片索引值超过30时就需要做碎片整理了。可采用自动整理方法进行整理，命令为：Alter tablespace tablespace_name coalesce;

29,查看数据文件状态

30,查看表空间数据文件的读写性能

查看表空间数据文件的读写性能有以下两种方法。

注意:如果phyblkrd与phyrds的值很接近的话，则表明这个表空间中存在全表扫描的表，因此，需要调整这些表的索引或优化SQL语句。

31,查看数据文件的HWM和文件头大小

其中各参数容量的单位为字节，其含义说明如下：

Data_space：数据文件中段数据占用空间，即数据空间

File_Head：数据文件头部占用空间

32,查看系统的回滚段及其状态

33,查看现有回滚段及其状态

34,查看回滚段的名称及容量

35,结合数据文件查看所有回滚段的状态

36,查看回滚段的扩展信息

其中，各参数的含义如下：

以字节为单位的回滚段的尺寸。

从回滚段中删除盘区时释放的平均空间的大小(bytes)。

系统为回滚段增加盘区的次数。

系统从回滚段中清除盘区(即回滚段收缩)的次数。回滚段每次清除盘区时，系统可能会从这个回滚段中消除一个或多个盘区。

37,查看用户正在使用的回滚段

38,查看会话正在使用的回滚段

39,查看数据表的基本属性

40,查看表的存储参数

45,查看表在表空间中的存储情况

46,查看数据表对应的区块数

47,查看碎片程度较高的表

49,查看用户没有主键的表

51,查看表的约束属性

52,查看某表的约束条件

53,查看记录序号rownum在6～10之间的数据

56,查找当前用户下所有的索引

58,对CLOB字段进行全文检索

对CLOB字段进行全文检索可以用SELECT语句，但如果使用WHERE子句时必须使用dbms_lob.instr()函数，命令如下：

首先创建一个测试表TEST：

59,查看存储函数的状态

60,查看存储过程的状态

61,查看触发器、过程、函数的创建脚本

(1) 查看触发器、过程、函数的创建脚本，命令如下：

(2) 查看单个函数或过程的源代码，命令如下，结果如图29-77所示。

63,根据PID找出消耗CPU最高的进程所对应的SQL语句

65,根据SID查看正在运行的SQL语句

66,根据进程的地址查看SQL文本

67,查看用户正在运行的SQL语句

69,查看回滚段里正在运行的SQL语句

70,查看视图对应的SQL语句

71,查看SQL语句的执行情况

(1) 查看系统所有角色的命令如下:

(2) 查看当前用户的角色，命令如下:

73,查看连接数据库的用户信息

74,查看正在使用数据库的用户信息

76,查看进程号所属的用户名

77,查看当前用户下所有的约束|对象|视图|触发器|索引|快照|表

78,查看数据库对象结构被修改过的情况

79,查看用户的系统权限

80,查看用户角色所拥有的系统权限

81,查看当前用户读取其他用户对象的权限

82,查看当前用户所拥有的系统权限

83,查看当前用户的系统权限和表级权限

查看当前用户系统权限的命令如下:

查看当前用户表级权限的命令如下:

84,查看当前会话所具有的权限

85,查看用户表空间的授权信息

查看用户的表空间及授权情况的命令如下:

86,查看正在备份的数据文件

87,查看需要恢复的文件

注意：没有表示不需要恢复。

88,查看恢复时要用到的日志文件

89,查看所有的锁及类型

其中，如果BLOCK=1，则表示是造成锁的会话(session)，此时可以杀掉对应的SID会话进程。

91,查看锁的资源信息

92,查看系统被锁的事务时间

94,查看造成等待的锁的信息

95,查看锁定的进程及锁类型信息

96, 查看被锁定的各类数据库对象

97,查看被锁定的数据表的方法

98,查看锁定表的会话

99,查看锁定对象的客户端信息

100,杀掉被锁的会话进程

101,查看数据库服务器参数

102,查看客户端参数

103,查看会话环境参数

104,检查共享内存的剩余情况

105,查看数据库共享池性能

106,查看共享池的命中与重载信息

109，查看库缓冲区的主要参数

当提交一条SQL语句时，在共享池中请求lock过程进行语句分析的次数。

在共享池中执行一次一条语句的次数。

110，查看库缓冲区的命中率

111，查看库缓冲区的重载比率

查看SQL语句的执行情况：

查看SQL语句的命中和重载统计信息：

查看SQL语句的命中和失效信息：

113，查看SGA中字典缓冲区的命中率

几个参考数据如下所示：

117,查看数据缓冲区参数的值

118,查看数据高速缓冲区的性能

121,查看SGA中重做日志缓存区的命中率

如果出现等待，则可以增加log buffer的大小，也可以通过将log 文件移到访问速度更快的磁盘来解决。

124,查看日志文件上是否存在磁盘I/O竞争现象

查看日志文件上是否存在磁盘I/O竞争现象的命令如下，结果如图29-133所示。如果存在竞争，可以考虑将log文件转移到独立的、更快的存储设备上或增大log文件。

125,检查点的设置是否合理

如果存在等待，则检查保存归档日志的存储设备是否已满，增加日志文件组，调整log_archiver_max_processes

127,检查DBWn是否存在等待，如果存在则需要调整

130,查看排序区参数值

133,查看I/O竞争和负载平衡

136,查看表空间的I/O比例

137,查看文件系统的I/O比例

139,查看等待时间最多的5个系统等待事件

140,查看回滚段的争用情况

142,查看当前正在使用的SQL优化方式

143,查看SQL语句的语法分析和编译的时间

查看语法分析和编译时间

查看SQL语句执行的等待时间

144, 查看频繁执行的SQL语句

145,查看居留内存运行的实体信息

鼓励海上风电深水远岸布局
 11月2日，国家海洋局发布《关于进一步规范海上风电用海管理的意见》。在海上风电场选址方面，《意见》明确，鼓励海上风电深水远岸布局，在当前和未来开发强度低的海域选址建设，原则上应在离岸距离不少于10公里、滩涂宽度超过10公里时海域水深不得少于10米的海域布局。
相关新闻：重磅国家海洋局发布《关于进一步规范海上风电用海管理的意见》
根据《意见》，海上风场的选址要充分发挥海洋空间规划控制作用。海上风电项目用海必须符合海洋主体功能区规划和海洋功能区划，优先选择在海洋功能区划中已明确兼容风电的功能区布置，一般不得占用港口航运区、海洋保护区或保留区等功能区；海洋功能区划中没有明确兼容风电功能的，应当严格科学论证与海洋功能区划的符合性，不得损害所在功能区的基本功能，避免对国防安全和海上交通安全等产生影响。同时，在各种海洋自然保护区、海洋特别保护区、自然历史遗迹保护区、重要渔业水域、河口、海湾、滨海湿地、鸟类迁徙通道、栖息地等重要、敏感和脆弱生态区域，以及划定的生态红线区内不得规划布局海上风电场。
在省级海上风电规划编制过程中，省级海洋行政主管部门应当对规划提出用海初审意见和环境影响评价初步意见，依据海洋功能区划统筹协调海上风电和其他用海活动，确保规划符合海洋功能区划及有关海洋管理政策。
在风电项目用海面积上，《意见》指出，海上风电的规划、开发和建设，应坚持集约节约的原则，提高海域资源利用效率。充分考虑地区差异，科学论证，单个海上风电场外缘边线包络海域面积原则上每10万千瓦控制在16平方公里左右，除因避让航道等情形以外，应当集中布置，不得随意分块。规划建设海上风电项目较多的地区，风电场应集中布局，统一规划海上送出工程输电电缆通道和登陆点，集约节约利用海域和海岸线资源。
鼓励实施海上风电项目与其他开发利用活动使用海域的分层立体开发，最大限度发挥海域资源效益。海上风电项目海底电缆穿越其他开发利用活动海域时，在符合《海底电缆管道保护规定》且利益相关者协调一致的前提下，可以探索分层确权管理，海底电缆应适当增加埋深，避免用海活动的相互影响。
针对海上风电项目用海申请和环境影响报告书的审批工作，《意见》提出，要严格执行海上风电项目用海预审制度和海洋环境影响报告书审查制度。目前，国家海洋局已经下放海上风电项目用海预审权限，按照《海域使用管理法》和《防治海洋工程建设项目污染损害海洋环境管理条例》等相关规定，项目用海和环境影响报告书需报有审批权的人民政府和海洋行政主管部门批准。在用海预审上，沿海地方海洋行政主管部门应按照规定程序，主要依据海洋功能区划、海域使用论证报告及专家评审意见等进行预审，并出具用海预审意见。在海洋环境影响报告书审查上，有审批权的海洋行政主管部门应重点分析海上风电建设对鸟类、海洋哺乳动物的累积性和长期性影响，重点论证生态修复、生态补偿和监测能力建设等环境保护措施的可行性。
此外，《意见》还就加强海上风电项目用海事中事后监管提出相关要求。在切实严格监督管理工作的同时，结合海上风电这一新兴用海产业的自身特点和地区实际，一方面按照简政放权要求，研究制定相关简化程序，另一方面，选择典型海域，适时开展后评估工作，为后续海上风电项目用海管理提供科学依据，提高用海管理水平。

【按】在算MM/GBSA或MM/PBSA时可能会用到APBS程序. 网上有一个此程序低版本文档的翻译, . 翻译得不够专业, 也不大通顺, 但大致可以作为入门资料. 我对这份文档稍加整理, 希望对将要使用APBS的人有所帮助. 大致而言, 对要使用APBS做静电势能表面图的人, 参考文档前三章足够了; 对要计算自由能的人, 参考4-7章; 最后几章用到的人少, 文档也不详细, 仅作参考.

本教程是以”怎样做”的形式设计的, 使读者能熟悉使用APBS进行静电计算. 读者需要来练习本教程中提供的实例.

重要信息 注意本教程中的许多实例操作也可以通过网络实现, 而不需要在本地安装APBS软件. 更多信息见 .

提示 本教程仍在完善之中, 并且会在下一版本的APBS发布之前完成. 未完成部分涵盖的许多课题在APBS实例目录中有所展示.

2. 怎样准备结构进行静电势计算

为了对你关注的生物大分子结构进行静电计算, 你需要向APBS提供每个原子所带电荷及原子半径等信息. 电荷用来为求解泊松-波尔兹曼(PB)方程提供生物分子的电荷分布, 半径则用来构建电介质和离子的可及度函数. 电荷和半径信息可由不同的文件格式提供给APBS, 下面对此进行详细阐述.

PQR格式提供了一种添加参数信息的简单方式: 将PDB格式结构文件中的occupancy和temperature列以电荷(Q)和半径(R)代替. 然而, 这种格式的简单性也限制了它的可扩展性: 如果不借助使用其它软件如PDB2PQR, 向一般的格式中添加新的原子形式和参数是非常困难的. 下面介绍的XML格式则要容易修改得多.

XML格式提供了一个添加参数信息的复杂格式, 但同时在格式化, 可扩展性和其它修改方面具有更大可能性. 正如在PQR格式中, 原子坐标被补充以电荷和半径信息. 完整的格式说明请见.

和软件可将绝大多数PDB文件转换成PQR格式, 同时生成一些”警告”信息, 特别是不能对大量缺失原子的坐标进行”修复”. 虽然PDB2PQR能修复某些侧链中缺失的重原子, 但目前它不能建模大范围缺失的骨架和侧链坐标.

PDB2PQR也可进行氢键优化, 侧链旋转异构体搜索, 附加限定的滴定状态, 设定配体参数和准备APBS输入文件等. 详细内容见.

PDB2PQR在中进行了详细讨论. 因此, 我们这里简略地回顾由PDB文件生成PQR文件的所需步骤. 首先, 打开.

注意 如果你选择输入四个字符的PDB文件, PDB2PQR将对所有PDB文件中的链进行转换, 因为它结晶于PDB中(比如, 对所有相关的进行转换而不仅是生物单元).

大多数情况下, 这个选择是简单的: PARSE. 该力场经过了优化适用于隐式溶剂计算, 而且可能是蛋白质静电势能和许多一般形式的能量计算可视化处理的最佳选择. 然而, AMBER和CHARMM在某些情况下更合适, 比如想与用这些力场进行的模拟做比较, 需要有核酸的力场, 想利用这些力场对配体进行参数化等.

上传自定义力场也是可行的(比如, 对配体或不常见残基进行半径和电荷定义). 详细信息见.

这些选择可分为两类: 怎样在结构上构建缺失原子(包括氢原子)和附加输出设置.

最后下载生成的pqr文件

3. 怎样观察生物大分子周围的静电势

有许多极好的分子可视化软件可用来观察生物分子的静电性质. 由于这样的程序太多, 我们将主要介绍三个我们熟悉的软件包.

支持运行APBS计算并对得到的静电势能结果进行可视化处理. VMD开发者提供了. 作为补充, 我们将展示怎样在VMD中利用APBS从PDB文件得到结构和静电势能图.

注意 本教程基于VMD 1.85. 部分图片取自.

在VMD中载入刚生成的PQR文件(在VMD主窗口中选择File→New molecule...). 调整分子, 使其以你所希望的方式显示. 根据你在PDB2PQR中运用的力场不同, 你可能会在VMD中看到一些奇怪的成键. 当载入PQR文件时, 键的长度是由PQR半径推得的. 这些半径与连续静电计算有关, 而与可视化无关. 不必担心会出现一些奇怪的成键(可隐藏氢原子以达到更好的视觉效果).

现在已经为静电计算做好了准备

1. 在APBS Tool窗口左上角选择Edit→Settings..., 修改工作路径(计算结果保存路径), 指定APBS程序所在路径. 点击OK关闭此窗口. 注意, 此设置无法保存, 每次运行都要重新设置.

2. 表示里面有一组格点数据.

最常用的可视化方法之一就是绘制等势面.

这时, 你得到的图像将类似下图(注意, 为使得图像更加清晰我们将Drawing Method由表面改为了点状)

静电势能可视化的另一个常用方式是将静电势能映射到生物分子的表面. 开始之前, 在VMD图形窗口中用Delete Rep来删除刚才创建的两个等势面图层.

1. 基于你所使用的VMD版本和个人偏好, 你可能想改变图像的颜色映射方式. 在VMD主窗口中选择Graphics→Colors..., 然后在弹出的颜色控制窗口中选择Color Scale标签. 传统的静电着色设置是RWB(在Method菜单中).

现在, 你的分子看起来应该如下图所示:

同样支持运行APBS计算和对得到的静电势能结果进行可视化处理. 我们将展示怎样在PyMOL中利用APBS从PDB文件得到结构和静电势能图

我们将以fasciculin-2(PDB ID )为例, 它是一种能结合到带负电的乙酰胆碱酯酶上的蛇神经毒素. 请参见来生成PQR文件.

1. 在Temporary File Locations标签下, 设置在计算过程中生成的各种文件的路径. 如果你想保留生成的文件以待后用, 这一步十分必要.

2. 在Configuration标签下, 单击下方的Set grid进行空间格点设置. 默认设置对除高度荷电的分子外一般都是适用的.

3. 在Configuration标签下, 设置其余的参数, 默认值通常是可行的.

3.2.3 静电势能可视化

这时, 你将得到如下所示图形:

4. 怎样计算溶剂化能?

溶剂化能通常被分解成自由能循环, 如图4.1. 注意此类溶剂化能通常对应于固定构象; 由此, 它们应确切地被称为”平均力的势能”. 在下面的章节中会详细介绍怎样将APBS计算应用于这样的循环中的极性和非极性部分.

图 4.1 全溶剂化能循环. 这个循环将许多过程组合在一起得到溶剂化能(步骤1). 步骤2表示溶剂中溶质的充电过程(例如, 非均匀介质, 有离子存在). 步骤3表示引入相吸引的溶质-溶剂的扩散作用(例如, 在溶剂可及空间的Weeks-Chandler-Andersen作用积分). 步骤4表示引入相排斥的溶质-溶剂相互作用(例如, 孔道形成). 步骤5和6基本是无用的, 虽然它们可以用来补偿在步骤3和步骤4中加入的不想要的能量. 最后, 步骤6表示在无可移动离子真空或均一介质环境中溶质的充电过程.

图4.1 中的全自由能循环通常被分解成极性部分和非极性部分. 极性部分通常以步骤2和步骤6中的充电能表示:

APBS静电计算返回的能量是充电自由能. 因此, 要得到极性部分对溶剂化自由能的贡献, 我们仅需启动与图4.1 中步骤2和步骤6相对应的两项计算即可. 然而, APBS返回的充电自由能包括自相互作用部分. 即因自身电荷分布相互作用产生的能量. 这些自相互作用能通常很大, 且对离散化(格点分布, 位置等)中出现的问题特别敏感. 因此, 一定要在格点分布, 长度和中心相同的设置下进行这两项计算, 以保证能精确地抵消自相互作用能项.

玻恩离子是极性溶剂化的一个典型例子: 非极性的球中间有一个电荷, 电荷周围是水介质. 在不存在外部离子的情况下, 该体系的极性溶剂化能由以下方程给出:

表示内部和外部(溶剂)的介电常数. 这个模型假定离子强度为0.

为使用APBS, 我们可以为玻恩离子创建一个PQR文件.

我们关注在均一和非均一介电系数下进行两项APBS充电自由能计算. 我们假定内部介电常数是1(真空), 外部介电常数是78.54(水). 这样设置后, 极性溶剂化能的表达式具有以下形式:

表示半径, 以埃为单位. 进行计算所需的APBS输入文件如下

例 4.2. 波恩离子输入文件

用最新版本的APBS运行这个例子给出的结果是-229.59 kJ/mol, 这与由上面的解析方程给出的结果-228.61 kJ/mol是非常一致的.

注意上面玻恩离子的例子可以轻松地推广到其它的极性溶剂化能计算. 比如, 可以将离子加到solv ELEC区, 可以修改介电常数, 可以改变表面定义(在ELEC区均可!), 或者可试着应用于更加复杂的分子. APBS里的许多例子(比如, solv和ionize)也运用了溶剂化能计算.

注意 随着分子变的更大, 考察得到的溶剂化能值对格点空间分布和尺寸的敏感程度是很重要的.

在图4.1 的全自由能循环中, 非极性溶剂化自由能通常以步骤3到步骤5的能量变化表示:

步骤4表示在溶剂中构建一个孔穴的能量, 步骤3-5是与溶质, 溶剂之间扩散作用相关的能量. 有许多选择可以用来模建非极性溶剂化过程. APBS实现了一个相对通用的模型, 此模型是由提出的, 可供参考. 详细说明了此模型的实现和调用.

我们关于孔穴构建项(步骤4)的基本模型是受定标离子理论的启发, 它具有下面形式:

是溶质的溶剂可及表面面积.

注意 Press, gamma, 和bconc值可单独调整意味着上面提到的通用非极性溶剂化模型可轻松应用于其它常见的非极性溶剂化模型. 比如, 将press和bconc设为0将会产生一个典型的溶剂可及表面积模型.

与玻恩离子不同, 没有简单的例子来展示这些类型的非极性计算. APBS包括许多用上面的非极性模型进行计算的例子. 感兴趣的读者可考察APBS提供的非极性烷烃的例子.

5. 怎样计算结合能?

一般地, 隐式溶剂模型被用来计算溶剂化对结合自由能的贡献. 其余对结合自由能的贡献(分子势能, 熵变等)必须单独计算, 本教程并未对其进行讨论. 唯一例外的是本教程包括了分子间库仑作用; 下面我们将讨论这些能量在APBS中怎样计算.

我们计算溶剂化对结合自由能贡献的框架如图5.1

图5.1 结合自由能循环. 展示了从均一介质环境(相互作用由库仑定律描述)到非均一介质环境的结合自由能, 其中非均一介质环境具有不同的内部(绿色)和外部(青色)介电常数. 结合(解离)自由能由步骤3描述.

结合自由能由以下方程给出

方程 5.1 基于图5.1的结合自由能方程

以下章节将对怎样计算方程中的各项进行详细说明.

5.1 溶剂化能对结合能的贡献

如果仅关注计算溶剂化对结合能的贡献(图 5.1中第4步和第2步), 我们只需按照的说明计算复合和分离组分的溶剂化能. 那么, 溶剂化能对结合的贡献由以下方程给出:

方程 5.2 在由mol 1和mol 2组成的双组分复合物中, 溶剂化对结合自由能的贡献. 编号参见图 5.1

溶剂化的贡献可以分成极性和非极性两部分, 正如中提到的.

5.2. 包含库仑力的贡献

为得到完整的结合自由能循环(见图 5.1), 我们需要在溶剂化能差值的基础上增加分子间的库仑力贡献以得到静电/溶剂化对结合自由能的全部贡献. 特别地, 我们对结合过程中库仑静电势能的变化很感兴趣, 它由以下方程给出:

方程5.3 在由mol 1和mol 2组成的双组分复合物中, 库仑力对结合自由能的贡献. 编号见方程 5.1

的值是在统一介电常数下分子(或复合物)中所有原子两两之间库仑作用的总合和. 为了能将这些库仑贡献与上面提到的溶剂化能相结合, 必须保证在计算库仑贡献时使用了一致的介电常数. 特别地, 库仑作用计算时使用的一致介电常数必须以溶剂化能计算时的状态作为参考态. 比如, 如果溶剂化能计算的是蛋白质由统一介电常数为 <span class="MathJax"

在使用恰当的介电常数 ve_{in}$ 来计算库仑结合能的情况下, 静电/溶剂化总自由能可通过方程 5.1-5.4算得

方程5.4. 结合自由能

5.3 不行! 配体没有设置参数!

5.4 一个配体结合的例子

6. 怎样计算溶剂化力?

APBS提供对极性和非极性溶剂化过程中力的计算, 步骤与一样. 一般地, 力可通过修改溶剂化能计算时使用的输入文件获得, 添加calcforce total可获得溶质分子整体受力而添加calcforce comps可获得每个原子受力的详细信息. 需要注意的是, 正如计算溶剂化能, “自身作用”项必须移除(参考例 4.2).

重要信息 本教程由Dave Sept提供, Dave Sept是一个生物分子模拟实验室的成员之一.

为什么计算pKa? 虽然用来展示连续静电概念不是pKa计算的常规应用, 但它具有重要的科研和教学价值. 从科研的观点来看, pKa值是生物分子(特别是酶)功能的重要决定因素, 并且它可以用来评定功能活动和确定活性位点. 从教学的角度来看, pKa计算需要所有重要的连续静电学概念, 因此可联系到溶剂化和结合能.

注意 本教程包括测定生物分子pKa值的Poisson-Boltzmann方法. 其余测定pKa和滴定状态的方法在PDB2PQR示例中给出. 如果将用这些方法得到的结果与PDB2PQR结果作比较, 将会发现更多乐趣.

下面是对生物分子pKa和滴定状态相关概念的简洁介绍. 更多的信息可参阅大多数的生物化学和生物物理教科书或一些关于pKa的原始文献.

回顾可知, 酸解离常数Ka描述了酸解离成其组分的过程:

在”理想状态”下[^7], 活度可以被浓度代替

你应仍能记得化学平衡常数可由以下方程与自由能联系在一起

然而, 化学家发现用以10为基数的对数比用自然对数来衡量pH更简单, 因此, pKa被定义为:

在许多计算中, 基于模型值来赋予氨基酸侧链的pKa 值, 以此

来模拟溶剂中的单氨基酸. 许多模型pKa值在下表中列出:

在下面的章节中我们将看到, 这些模型值为计算蛋白质pKa值提供了基础.

上面章节提到的模型pKa值是将所有质子化的化学复杂性(成键和断键)转移到模型值中. 特别地, 蛋白质pKa值是以模型化合物的微扰来计算的, 正如下面的自由能循环.

蛋白质环境中氨基酸的pKa由下面的自由能循环给出

方程7.1 酸解离自由能

的值由计算模拟获得. 按照一定的方案, 几乎每一个自由能计算方法都可用来获取这些能量. 在这个方案中, 带电的和不带电的氨基酸的溶剂化(去溶剂化)能是按照下面来计算的:

注意这些能量在计算中假定了具有相同的背景状态; 换句话说, 在氨基酸带电和不带电状态这个问题上, 蛋白质中其它的可滴定基团也采用了相同的状态. 稍后我们会讨论这个假设的含义.

7.2.3 蛋白质pKa计算的连续静电方法

虽然几乎任何自由能方法都可以用来计算将质子化和未质子化的氨基酸从溶剂转移到蛋白质环境时的能量, 但连续静电方法(通常)是一个在精度和计算效率上令人满意的折衷方法.

可从Poisson-Boltzmann(PB)能量决定. 特别地, 这些能量可作为有效的”结合能计算”来进行计算, 与APBS示例和教程中的能量计算相似:

方程7.2. 迁移自由能

• 上的所有电荷设为正常值.

• 的静电能, 其中所有电荷设为正常值.

注意, 与结合能一样, 方程7.2可有两种方式来衡量:

• 直接在PB方程中, 计算各个状态下PB计算结果减去总静电能(包括自身作用能)值. 为了使得这项工作能进行, 在每一个PB计算中所有构象/格点位置/电荷状态必须相同.

• 下)实现. 对于一个好的有效格点设置, 这个方法更稳定.

然而, 考虑到所有计算都使用了相同的格点和构象, 使用总静电能的直接方法通常是最有效的.

注意, 上面讨论的两种方法都没有明确地允许在我们研究的酸性基团质子化/去质子化的过程中可以改变蛋白质中其它基团的滴定状态. 另外, 这两种方法都没有明确地提供与质子化/去质子化相伴随的蛋白质构象变化. 因此, 用这种方法我们不能计算真实的pKa值. 我们计算的是内禀pKa值.

鸡蛋白溶菌酶(HEWL)是pKa计算的常用的体系, 因为它的可滴定残基有许多有意思的值. 关于此酶pKa的早期研究工作可参见, 其中也有这个实验室使用的pKa值. 更多关于近来的pKa计算和许多方法的综述可见. 最后, 溶菌酶的生物相关性在中作了简要概述.

HEWL有两个活性位点残基, 即GLU 35和ASP 52. 它们的滴定状态决定了酶的催化能力:

下面, 我们将演示确定GLU 35内禀pKa的步骤. 然而, 这项工作实际上不能很好地完成(你需要找到原因!). 因此, 对HIS 15和ASP 66你也需要进行相同的操作, 以获得计算连续溶剂pKa的更好示例.

从PDB下载, 以2LZT-GLU35.pdb保存. 如果你有时间, 你也应该访问以获得更多关于结构的信息.

水分子会出问题! 在继续操作之前, 将PDB中所有水分子移除. 这是非常重要的.(为什么?)

为进行pKa计算, 我们将需要获得GLU 35质子化的形式. 我们将通过来实现. PDB2PQR可进行一系列操作来”整理”PDB文件, 使其适于静电计算. 这些操作在中做了描述.

如果没有特定要求, PDB2PQR会基于模型pKa值向残基上加氢. 因此, 我们需要将谷氨酸残基名由GLU改为GLH, 这样就指定了GLU 35的滴定状态. 可使用你喜欢的文本编辑器进行修改, 将结果以2LZT-GLH35.pdb保存.

注意 你可以使用PDB2PQR中的PROPKA来定义滴定状态. 但是上面的步骤不要这么做, 因为我们需要为我们的计算设定精确的滴定状态.

7.3.4 启动总静电能计算

我们将使用focusing来计算体系的静电势能和自由能.

提示 下面, 我们将计算 总静电自由能 – 比如, 包括自身电荷相互作用项的能量. 在接下来的步骤里计算溶剂化或迁移自由能时, 我们将去掉这些自身相互作用项. 因此, 在每个计算中要使用相同的格点参数(格点中心, 大小, 空间分布等), 这是非常重要的.

下面是我们计算每个溶剂化能使用的输入文件模板:

关于此输入文件, 许多方面需要注意:

• 对pKa计算来说这个选择是常用的[^8] , 因为一般认为它暗含了溶质的内部松弛度和重排[^9].

• 对于分子表面(srfm smol), 我们使用了一个合理的高表面离散点密度(sdens 40.0). pKa和其它静电结果对表面选取有时是非常敏感的.

7.3.5 启动迁移自由能计算

我们先前讨论过迁移自由能可以用两种方式来衡量. 由你自己决定用哪种方法; 对两种方法结果进行比较可得到足够好的格点设置. 正如前面提到的, 直接从总静电能中减除的方法通常是最稳定, 在这种方法中所有的计算采用一致的格点和溶质构象.

两种迁移自由能计算方法获得结果的不同, 通常都是由于计算中缺乏收敛性导致, 这可由降低格点间距解决(比如, 增加格点数目).

如果你选择将迁移自由能分解为溶剂化和库仑能差值, 除了前面章节列出的APBS计算外, 你还需要进行另外两项静电计算:

• 重新运行所有的APBS计算来得到溶剂化能. 这可通过修改前面章节中的输入文件来完成.

7.3.6 把所有的放到一起

这时, 你准备好了计算内禀pKa需要的所有东西. 考虑到你又可能出现故障, 这里我提供了许多有帮助的例子:

• 直接使用总静电能来计算GLH的迁移自由能需要的APBS输入文件

• 使用极性溶剂化能来计算GLH迁移自由能需要的APBS输入文件.

• 直接使用总静电能来计算GLU的迁移自由能需要的APBS 输入文件.

• 使用极性溶剂化能来计算GLH迁移自由能需要的APBS输入文件.

• 运行上面列出的所有APBS输入文件的Bash脚本. 假定apbs程序在你的PATH环境变量下.

• 用溶剂能来衡量迁移自由能时, 运行库仑能量计算的Bash脚本. 假定APBScoulomb程序在你的PATH环境变量下.

通过我们简单的介绍, 你应该能试着衡量HIS 15和ASP 66的内禀pKa了. 你得到的结果与实验结果一致吗? 这些残基有什么不同?

到现在为止, 我们仅考察了内禀pKa, 并且忽略了可滴定基团之间的相互影响. Jens Nielsen开发了一个非常好的软件包, 你可以用它来探究可滴定位点之间的耦合作用, 还有这些耦合作用对蛋白质体系滴定事件的影响. 他提供了一个教程, 可用来探究耦合滴定状态和熟悉pKaTool的使用.

8. 我的计算需要的内存太大!

APBS每个格点需要大约200 B的内存. 内存用量在进行计算之前就可预测, 数据是通过APBS提供的Python脚本psize.py获得的.

如果你的内存不足以满足计算的需要, 你还有其它选择:

• APBS计算可在多个机器上并行运算(共用分散内存!). 这项功能是由关键词mg-para提供的, 下面我们将详细说明, 读者也可参阅APBS用户手册.

• APBS计算可分解成一系列小的异步时序的运算, 每个运算需要的内存会小一些. 这项功能是由关键词mg-para async提供的, 下面我们将详细说明, 读者也可参阅APBS用户手册.

• 通过Gemstone将你的计算任务提交至外部计算资源.

我们将使用8个处理器并行计算来获得该复合物的静电势能图. 每个处理器在一个97³网格上使用并行focusing方法(见)来解决整个问题的一部分, 相邻处理器网格间有20%的重叠. 进行计算需要的输入文件应如下所示:

使用MPI版本的APBS来运行这个输入文件, 8个并行计算中每个运算都会得到问题域(fglen)不同位置的相当好的解. 注意8个OpenDX文件是分别由8个处理器写成的. OpenDX文件单独写成避免了并行计算时的通信问题, 并且单个文件相对来说是比较小的. 另外, 如果读者对问题域的特定部分感兴趣, 仅需少数文件便可获得局部势能信息.

然而, 大部分读者更关注整体势能. 许多程序(OpenDX, DataTank)可读入分开的势能文件并且生成整体势能图. 对于大多数其它程序, 需要读者事先得到重新组成的整体势能图; 为此APBS提供了mergedx程序. mergedx可将由并行计算得到的多个OpenDX文件组合成一张图. 这张图可从源分辨率数据中采样得到较粗糙的数据组, 以实现粗略而快速的观察等. 例如, 以下命令

将会生成gridmerged.dx文件. 这个文件是从8个OpenDX文件中采集较粗糙的数据组生成的65³文件, 它比较适合于粗略观察. 下面是mergedx输出结果的一个例子 (方法见3.1.4.1):

图 8.1. 并行计算得到的肌动蛋白二聚体等势面

注意采样不是必须的, 并且对高质量的观察和定量分析是不适用的.

对于不能进行并行计算的程序, 也可通过MPI实现上面章节描述的步骤. 特别地, 你可以增加

至APBS输入文件的ELEC mg-para, 使得单处理器模拟进行n个并行计算中的任务之一.

APBS异步时序运算得到的标量图可由上面提到的mergedx程序整合到一块. 目前, 对于APBS异步时序运算得到的能量和力, 需要手动将单个计算得到的文件合并起来. 这可由简单的shell脚本实现.

作为具体的例子, 我们可以修改上面的输入文件. 在ELEC状态中加入async 0命令, 这使得APBS运行并行计算中的第一个处理器. 修改后的输入文件应该如下:

这将生成一个名为pot.dx的OpenDX-格式势能图, 它对应于并行计算中处理器0的输出结果. 使用async 1, async 2, …, async 7运行其它的APBS计算将相应地产生剩余处理器的OpenDX图. 如上面所述, 使用mergedx可将这些图整合到一块.

APBS也与正在开发的TINKER软件包新版本进行了对接. 具有APBS支持的TINKER很快可以从得到.

通过, 你可以在网上运行APBS. 本章节将展示Gemstone怎样通过命令行对接进行大多数的APBS计算. 更方便的一点是, 你能使用NBCR的资源来代替自己的!

在开始之前, 你需要为Firefox网页浏览器下载并安装Gemstone扩展, 可从获得.

我们将从使用PDB2PQR准备结构开始. 首先, 你需要从下载PDB文件. 在这个例子中, 我们使用.

现在我们准备好了通过Gemstone进行1FAS静电势能的APBS计算. 打开Gemstone屏幕右边的Chemistry→Apbs菜单. 下面的章节我们将逐个讲解中间部分的输入标签.

大部分Mathematics设置可不需更改；当然, 你也可以试着修改离散化和表面定义来看一下对你的结果有何影响.

这时, 你的屏幕应如下所示:

下面, 移至中间部分的Grid标签.

这时, 你的屏幕应如下所示:

下面, 移至中间部分的Physics标签.

选择任何你喜欢的值, 默认值对大多数可视化计算来说是可行的.

这时, 你的屏幕应如下图:

你可以不必改这些设置, 除非你想观察其它的性质.

这时, 你的屏幕应如下所示:

最后, 返回到Calculation标签下, 选择Run APBS. 一会儿后, 结果将出现在中间部分的输出标签下. 计算结束时, 你将看到:

特别地, 你可以选择是否保存计算得到的势能文件.

几乎所有本教程中的例子都可以通过Gemstone进行. 更进一步, 可以上传输入文件 并使用Gemstone作为进入其它研究机构网络服务的入口.

除了这里介绍的相对简单的应用之外, APBS软件包中含有大量其它的例子, 包括电离能, 蛋白质之间相互作用, 并行计算等.

12. 所有这些都没有回答我的问题…

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