VMD里原子選擇語句的語法和例子
VMD里原子選擇語句的語法和例子
文/Sobereva@北京科音 2019-Aug-19
1 前言
VMD（http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/）是極其強大、靈活的化學體系可視化程序，筆者之前也寫過不少相關文章，見http://www.shanxitv.org/category/VMD/。VMD的選擇語句(selection)用來選擇滿足特定要求的體系中的原子，其用法極度簡單靈活，對于VMD的使用至關重要。
選擇語句在VMD里用的地方非常多，無處不在。比如如果想在圖形窗口只顯示指定的區域，那么可以在Graphics - Representation里在selected atoms的地方寫上選擇語句。如果想把指定的區域保存成新文件，那么可以在File - Save coordinates里在Selected atoms寫上選擇語句。很多自帶的插件也需要選擇語句，比如VMD自帶的徑向分布函數計算插件，里面selection 1、selection 2就是讓你輸入選擇語句的地方。選擇語句在VMD的分析腳本的編寫中起到極為關鍵性角色，用于創建atomselect對象、作為自帶命令傳入的參數。我在“北京科音分子動力學與GROMACS培訓班”（http://www.keinsci.com/workshop/KGMX_content.html）里非常深入系統講解VMD分析腳本的編寫并給出巨量例子，其中大量用到選擇語句的知識。順帶一提，如今GROMACS里也可以用selections語句，和VMD很大程度一致，但不完全一致，在培訓里我也有專門講解。
鑒于經常有人問VMD的選擇語句怎么用，每次回復很麻煩，筆者遂專門寫個小文說一下。本文內容對應VMD 1.9.3。下文從簡單到復雜進行講解。
2 單關鍵詞（Single words）
有一些關鍵詞可以直接選擇特定原子，以下舉例一部分：
all：所有原子
none：不選擇任何原子
noh：氫以外的原子（即重原子）
ion：離子
water：水
backbone：生物大分子骨架
sidechain：生物大分子側鏈
protein：蛋白
nucleic：核酸
helix：螺旋
alpha_helix：alpha螺旋（是helix中的子集，較長一段螺旋才算）
sheet：折疊
turn：轉角
coil：盤繞
alpha：蛋白質的alpha碳
acidic：PH=7時帶負電氨基酸
basic：PH=7時帶正電氨基酸
charged：acidic和basic的并集
neutral：電中性氨基酸
polar：極性殘基
hydrophobic：疏水性殘基
bonded：成鍵的原子
hetero：非蛋白質和核酸的部分
carbon、hydrogen、oxygen、nitrogen、sulfur：相應元素。對于其它元素沒法這么輸入元素名來選擇
這些單關鍵詞實際上可以在Representation界面里的Selections標簽頁里的Singlewords直接看到，可見可以用的單關鍵詞遠不止上述這些。有些單關鍵詞其實是復合選擇語句，比如你選中hetero，就會看到其定義其實是not (protein or nucleic)。
注意有些情況下，單關鍵詞未必能如實選擇相應的區域。比如你載入的結構里有水，如果輸入文件里水的殘基名很特殊，比如叫FFF，那么VMD就不會把這個殘基識別成水分子，用water關鍵詞的時候也沒法選中這些水。
3 一般關鍵詞
用下面這些關鍵詞可以通過屬性選取原子，都是后面要接參數的
name：原子名。例：name OW選擇原子名叫OW的原子
index：原子序號（從0開始！）。例：index 4
serial：原子序號（從1開始）
type：原子類型。例：type CA選擇CA原則類型
element：元素名。例：element P選擇磷原子
resname：殘基名。例：resname ALA代表選擇丙氨酸
residue：殘基編號，從0開始。例resid 372代表選擇372號殘基
resid：殘基編號，從1開始。若結構文件里有殘基號則與之一致
chain：鏈名。例：chain B代表選擇B鏈
fragment：片段編號。VMD對每個鍵連的片段自動設定一個編號。例：fragment 4代表選擇片段4
numbonds：成鍵數目。例：numbonds=2或numbonds 2代表選形成了兩個鍵的原子
structure：二級結構。例：structure H代表選擇螺旋(helix)區域
x,y,z：X/Y/Z笛卡爾坐標
vx,vy,vz：X/Y/Z方向速度
beta：pdb文件中的beta值
occupancy：pdb文件中的原子占有率
mass：原子質量
charge：原子電荷
phi、psi：蛋白質骨架角度
radius：原子半徑
...等等
每個屬性后面能接什么值，在Selections標簽頁里都能看到，不確定的話看一眼便知：
許多屬性并非對于任何輸入文件都能用。比如：
·使用charge屬性，必須輸入的文件里體現了原子電荷才行，比如可以用mol2或pqr，后者詳見《使用Multiwfn+VMD以原子著色方式表現原子電荷、自旋布居、電荷轉移、簡縮福井函數》（http://www.shanxitv.org/425）。
·使用beta屬性，通常需要用pdb文件作為輸入，因為里面專門有一列記錄B因子信息。
·用type的話必須載入拓撲文件才行。
·用vx、vy、vz的話，對于GROMACS用戶，參看《使VMD讀入Gromacs產生的trr軌跡中速度信息的方法》（http://www.shanxitv.org/117）。
·element信息是很多文件里沒有的，比如GROMACS的.gro文件里就沒體現
4 選擇語句中可利用的規則
在選擇語句中有以下規則可以利用，通過組合、嵌套，使得選擇語句無比強大
·可以寫多個參數一次選擇一批，彼此間用空格分隔
·可以用... to ...選擇特定范圍
·可以用與、或、非這些邏輯關系：and、or、not
·可以用( )或{ }指定語句處理的優先順序
·雙引號內的字符會被視為整體，并且可以使用正則表達式
·用單引號擴住則里面的字符可以避免被轉義
·可以用判斷語句：<, <=, =, >=, >, !=
·可以用函數：sqr（平方）, sqrt（開根號）, abs（絕對值）, sin, cos, tan, atan, asin, acos, sinh, cosh, tanh, exp, log, log10
·支持運算符：+ - * /。可以用^或**來表示多少次方
·特殊選擇方式：
within 5 of AAA：距離AAA 5埃以內的原子。選取時不考慮周期邊界條件，用pbwithin則考慮
exwithin 5 of AAA ：同上，但不包含AAA自身
withinbonds 2 of AAA：距離AAA不超過兩個鍵的原子
same p as AAA：與AAA選區的p屬性相同的部分
ringsize 5 from AAA：處于AAA中五元環上的原子
maxringsize 6 from AAA：處于AAA中<=六元環的原子
下面來看一些具體例子
index 5 to 200 210：序號在5~200內的原子以及210號原子
protein or nucleic：蛋白質與核酸的原子
resname ALA CYS ARG：丙氨酸、半胱氨酸、精氨酸原子
backbone not helix：除了螺旋區域以外的骨架原子
name CA CB 或 name "CA|CB" 或 name "C[AB]" 或 name "C(A|B)"：名為CA和CB的原子
name "C."：名字為兩個字符且第一個字符為C的原子
name "CE[1-3]"：名字為CE1、CE2、CE3的原子
name 'O5*'：叫O5*的原子。注意原子名帶星號的在選取時要用單引號括住以免轉義
resname 'CA2+'：殘基名是CA2+的原子（二價鈣離子）。名字帶正負號的也要用單引號括住以免轉義
mass > 5：質量大于5的原子
abs(charge)>1：電荷大小超過1的原子
x<6 and x>3：選擇x在3~6埃區域內的一層原子
x>1 and x<8 and y>24 and y<35 and z>1 and z<5：一個矩形區域內的原子
sqr(x-5)+sqr(y+4)+sqr(z) < sqr(5) ：以(5,-4,0)點為中心半徑5埃以內的原子
((x-33)^2+(y-14.5)^2)<12^2 and z<40 and z>10：選擇以x=33、y=14.5埃為中心，半徑為12埃，z范圍在10~40埃的柱形區域
x+y+z<80：斜切面內側的原子（回憶平面方程）
not {oxygen and numbonds=0}：扣除孤立的氧原子（可以用于去除X光衍射pdb文件里的結晶水）
within 6 of protein：距離蛋白質6埃以內的原子
not within 5 of resname ADP：距離名為ADP的分子5埃以外的原子
water within 5 of residue 8 to 44：距離8~44號殘基5埃以內的水
withinbonds 2 of index 31：距離編號為31原子的兩個鍵及以內的原子
maxringsize 6 from protein：蛋白當中所有六元及六元以下環上的原子
same resname as resid 33：所有與33號殘基相同名稱的殘基
same residue as {protein within 5 of nucleic}：與核酸的原子相距5埃以內的蛋白的原子，并且把被截斷的殘基保留完整
x > 15 and not same fragment as {exwithin 8 of protein}：蛋白質以及蛋白質8埃范圍以外的原子，保留完整片段，同時x坐標得大于15埃
以上例子中，涉及到坐標、速度變量的，屬于動態選區，即隨著幀號變化被選擇的原子會可能發生變化。觀看這些選區的時候，注意在Representation界面的Trajectory標簽頁里要把Update Selection Every Frame選上，否則選中的原子是對剛選中時那一幀而言的，不會隨著軌跡播放被動態更新。在一些VMD的插件中，比如計算rdf的Radial Pair Distribution Function g(r)插件里，當Selection文本框里用了動態選區時，應當把Update Selections復選框選上，否則也由于不會被動態更新而和期望的不符。