Amber 分子动力学模拟4: Amber文件格式解读，转换

Amber（Assisted Model Building with Energy Refinement）是广泛用于生物大分子（如蛋白质、核酸）分子动力学（MD）模拟的软件套件。其文件体系主要包括三类核心文件：拓扑文件（Topology） 、坐标文件（Coordinate/Restart） 和 轨迹文件（Trajectory）。下面对这三类文件进行系统、详细的介绍，包括格式、内容、用途及注意事项，并介绍如何在不同格式之间进行转换。

详细信息以及更多关于文件格式的案例请参考Amber官方介绍文档：

https://ambermd.org/FileFormats.php

一、Amber 核心文件格式

1. 拓扑文件（Topology）

扩展名 ：.prmtop 或 .top
作用：描述系统的分子结构信息，包括原子类型、键、角、二面角、非键参数、电荷等。
格式：NetCDF 或 ASCII（旧版为纯文本，新版可选 NetCDF）
不可编辑性 ：通常由 tleap 生成，不建议手动修改。

2. 初始坐标文件（Coordinate / Restart）

扩展名 ：.inpcrd、.rst7、.rst、.crd
作用：包含原子的初始三维坐标（有时也含速度）
格式：
- .inpcrd：ASCII 格式，常用于输入
- .rst7：重启文件，ASCII 或二进制（NetCDF），包含坐标+速度+盒子信息
注意：.rst7 和 .inpcrd 内容类似，但 .rst7 可用于续跑模拟

3. 轨迹文件（Trajectory）

扩展名 ：
- .mdcrd：ASCII 坐标轨迹（仅坐标，无速度）
- .netcdf（或 .nc）：二进制 NetCDF 格式，高效存储坐标、速度、盒子等
- .dcd：虽然不是原生 Amber 格式，但可通过插件支持（常用于 VMD）

二、拓扑文件（Topology File）

✅ 文件扩展名

.prmtop（最常见，推荐）
.top（旧版或简化命名，但易与 GROMACS 的 .top 混淆）

注：.prmtop = parameter topology

📄 文件格式

ASCII 文本（人类可读，但结构复杂）
也可编译为 NetCDF 二进制格式（较少见，需特殊编译选项）

🔍 内容结构（关键部分）

拓扑文件描述系统的静态分子结构和力场参数，不包含原子坐标。主要包含：

部分	说明
`%VERSION`	文件版本标识
`%FLAG TITLE`	系统标题（如 "Protein in water"）
`%FLAG POINTERS`	整数数组，记录各类项的数量（如原子数、残基数、键数等）
`%FLAG ATOM_NAME`	原子名称列表（如 N, CA, C, O, HA 等）
`%FLAG CHARGE`	原子电荷（单位：电子电荷 × 18.2223，需除以 18.2223 得实际值）
`%FLAG MASS`	原子质量（amu）
`%FLAG ATOM_TYPE_INDEX` / `%FLAG AMBER_ATOM_TYPE`	原子类型（如 "CT", "OH", "N3"）
`%FLAG BONDS_INC_HYDROGEN` / `BONDS_WITHOUT_HYDROGEN`	键连接信息（含/不含氢）
`%FLAG ANGLES`, `%FLAG DIHEDRALS`	角、二面角参数索引
`%FLAG NONBONDED_PARM_INDEX`, `%FLAG LENNARD_JONES_ACOEF/BCOEF`	范德华参数（LJ A/B 系数）
`%FLAG RESIDUE_LABEL`	残基名称列表（如 ALA, GLU, WAT）
`%FLAG RESIDUE_POINTER`	每个残基起始原子索引

⚙️ 生成方式

通过 tleap （AmberTools 中的构建工具）生成：

复制代码

source leaprc.protein.ff14SB
mol = loadpdb protein.pdb
solvatebox mol TIP3PBOX 10.0
saveamberparm mol system.prmtop system.inpcrd

⚠️ 注意事项

不可手动编辑：结构严格依赖指针顺序，修改极易出错。
力场绑定 ：.prmtop 已内嵌力场参数，无需额外指定力场文件（与 GROMACS 不同）。
电荷单位 ：电荷存储为 q * 18.2223（因 Amber 使用 kcal/mol 单位制），读取时需还原。

三、坐标文件（Coordinate / Restart File）

用于存储某一时刻的原子坐标（有时含速度），常用于：

初始结构输入
模拟重启（续跑）
能量最小化/单点计算输入

✅ 常见扩展名

扩展名	格式	是否含速度	是否含盒子	用途
`.inpcrd`	ASCII	❌	✅（若溶剂化）	初始坐标输入
`.rst7` / `.rst`	ASCII 或 NetCDF	✅	✅	重启文件（推荐）
`.crd`	ASCII（旧版）	❌	❌	早期格式，已少用

注：.rst7 中的 "7" 表示每行最多 7 个浮点数（历史原因）

📄 文件格式示例（`.inpcrd` ASCII）

复制代码

default_name
   2560
  -22.1234567  -10.2345678   15.3456789
   ...
   50.0000000   50.0000000   50.0000000  90.0000000  90.0000000  90.0000000

第1行：标题
第2行：原子总数
接下来：每行3个坐标（x, y, z），单位 Å（埃）
最后一行（若有）：盒子向量（a, b, c, α, β, γ）

📄 `.rst7` 格式（含速度）

前 N 行：坐标（同 .inpcrd）
接下来 N 行：速度（单位：Å/ps）
最后一行：盒子信息 + 时间（可选）

⚙️ 生成方式

tleap 生成初始 .inpcrd
sander / pmemd 模拟中通过 ntwx, ntpr, ntwr 控制输出 .rst7

⚠️ 注意事项

单位统一 ：坐标单位始终为 Å
盒子信息：真空模拟可能无盒子行，溶剂化体系必须有
NetCDF 重启文件 ：扩展名常为 .ncrst，体积小、读写快，但需 NetCDF 库支持

四、轨迹文件（Trajectory File）

记录模拟过程中多个时间步的原子坐标（有时含盒子、速度），用于后续分析。

✅ 常见扩展名与格式

扩展名	格式	内容	特点
`.mdcrd`	ASCII	仅坐标（可选盒子）	人类可读，体积大
`.nc` / `.netcdf`	二进制（NetCDF）	坐标 + 速度 + 盒子 + 时间	高效、压缩、推荐
`.dcd`	二进制（CHARMM 格式）	仅坐标	需插件支持，VMD 兼容好

Amber 原生推荐使用 NetCDF（自 Amber12 起默认）

📄 `.mdcrd` 格式特点

每帧：先一行盒子信息（可选），然后每行 10 个浮点数（x/y/z 交错）

示例：

复制代码

frame 1: box = 50.0 50.0 50.0 90 90 90
 -22.1234  -10.2345   15.3456  -21.9876  -10.1234   15.4567 ...

缺点：文件巨大，精度受限（通常 6 位有效数字）

📄 NetCDF 轨迹（`.nc`）

自描述格式，包含维度（frame, atom）、变量（coordinates, cell_lengths, cell_angles）
支持压缩（-c 选项）
可用 ncdump -h traj.nc 查看结构

⚙️ 控制输出（在 `mdin` 输入文件中）

复制代码

ntwx = 500,        ! 每500步写坐标到 mdcrd/nc
ntpr = 500,        ! 每500步写能量到 mdout
ioutfm = 1,        ! 1=NetCDF, 0=mdcrd

⚠️ 注意事项

不要用文本编辑器打开 .nc：是二进制文件！
轨迹不含拓扑 ：必须配合 .prmtop 才能解析原子身份
速度通常不存 ：除非显式设置 ntwv = 1

五、三类文件关系总结

文件类型	是否必需	是否含力场	是否含坐标	是否含速度	是否含盒子
`.prmtop`	✅ 是	✅ 是	❌ 否	❌ 否	❌ 否
`.inpcrd` / `.rst7`	✅ 是（初始）	❌ 否	✅ 是	部分	✅（通常）
`.mdcrd` / `.nc`	❌ 否（分析用）	❌ 否	✅ 是	❌（通常）	✅（可选）

💡 MD运行的必须文件（系统的拓扑文件和坐标文件） ：system.prmtop + system.rst7

常用查看与操作工具

任务	工具
查看拓扑信息	`parmed system.prmtop "printDetails"`
提取单帧坐标	`cpptraj -p prmtop -y traj.nc -x frame.pdb`
转换轨迹格式	`cpptraj,见下文`
可视化	VMD（需加载 `.prmtop` + `.nc`/`.mdcrd`）
检查盒子/电荷	`parmed` Python API

常见误区

.prmtop ≠ PDB：它不含3D结构，只有连接性和参数。
.inpcrd 不是重启文件 ：不含速度，不能用于续跑（需 .rst7）。
NetCDF 轨迹不是"视频"：只是高效存储的数值数组。
坐标单位永远是 Å：与 GROMACS（nm）不同，转换时需注意！

六、常用格式转换方法

Amber 自带工具（如 cpptraj、parmed）以及第三方工具（如 MDAnalysis、OpenMM、VMD）可用于格式转换。

1. 使用 `cpptraj`（AmberTools 内置）

示例：将 .mdcrd 转为 .dcd

复制代码

cpptraj -p system.prmtop <<EOF
 trajin trajectory.mdcrd
 trajout trajectory.dcd dcd
 run
EOF

示例：将 NetCDF 轨迹转为 .mdcrd

复制代码

cpptraj -p system.prmtop <<EOF
 trajin trajectory.nc
 trajout trajectory.mdcrd mdcrd
 run
EOF

2. 使用 `parmed`（功能更强大，支持拓扑操作）

示例：将 Amber 文件转为 GROMACS 格式

复制代码

# 在 Python 中使用 parmed
import parmed as pmd

# 加载 Amber 系统
amber = pmd.load_file('system.prmtop', 'system.inpcrd')

# 转换并保存为 GROMACS 格式
amber.save('system.gro')
amber.save('system.top')

注意：需确保力场兼容（如 AMBER ff14SB → GROMACS 的 amber99sb-ildn 等）

3. 使用 MDAnalysis（Python 库）

复制代码

import MDAnalysis as mda
from MDAnalysis.coordinates import DCD

u = mda.Universe('system.prmtop', 'trajectory.mdcrd')
with mda.Writer('output.dcd', n_atoms=u.atoms.n_atoms) as W:
    for ts in u.trajectory:
        W.write(u.atoms)

4. 使用 OpenMM（支持多种格式互转）

OpenMM 可读取 .prmtop + .inpcrd，并输出为 PDB、DCD、HDF5 等。

复制代码

from openmm.app import *
from openmm import *
from simtk.unit import *

pdb = PDBFile('reference.pdb')  # 可选，用于原子名匹配
prmtop = AmberPrmtopFile('system.prmtop')
inpcrd = AmberInpcrdFile('system.inpcrd')

# 创建系统并保存为其他格式（如 PDB）
with open('output.pdb', 'w') as f:
    PDBFile.writeFile(prmtop.topology, inpcrd.positions, f)

常见转换场景总结

源格式	目标格式	工具推荐
`.prmtop` + `.inpcrd`	`.pdb`	`cpptraj`, `OpenMM`, `parmed`
`.mdcrd`	`.dcd`	`cpptraj`, `MDAnalysis`
`.nc` (NetCDF)	`.xtc`	`cpptrij`（需编译 NetCDF 支持）或 `MDAnalysis`
Amber → GROMACS	`.gro` + `.top`	`parmed`
Amber → CHARMM/NAMD	`.psf` + `.dcd`	`VMD` + `parmed`

注意事项

单位系统：Amber 使用 Å（埃）和 kcal/mol，而 GROMACS 使用 nm 和 kJ/mol，转换时需注意单位。
周期性盒子信息 ：某些格式（如 .mdcrd）可能不包含盒子信息，需从 .rst7 或 .nc 中提取。
速度信息 ：只有重启文件（.rst7、.nc）包含速度，普通轨迹（.mdcrd）不含。
NetCDF 支持：确保 AmberTools 编译时启用了 NetCDF（现代版本默认支持）。

可用的转换工具

AmberTools （含 cpptraj, parmed, tleap）：
复制代码
```
conda install -c conda-forge ambertools
```
MDAnalysis ：
复制代码
```
pip install mdanalysis
```
OpenMM ：
复制代码
```
conda install -c conda-forge openmm
```

对拓扑文件(.prmtop/.top)用来描述分子结构与力场参数，坐标文件(.inpcrd/.rst7)存储原子坐标和速度，轨迹文件(.mdcrd/.nc/.dcd)记录模拟轨迹。

本文对这三类文件进行了系统、详细的介绍，包括格式、内容、用途及注意事项，并介绍如何在不同格式之间进行转换。为分子动力学模拟做好准备。

Amber 分子动力学模拟4: Amber文件格式解读，转换

一、Amber 核心文件格式

1. 拓扑文件（Topology）

2. 初始坐标文件（Coordinate / Restart）

3. 轨迹文件（Trajectory）

二、拓扑文件（Topology File）

✅ 文件扩展名

📄 文件格式

🔍 内容结构（关键部分）

⚙️ 生成方式

⚠️ 注意事项

三、坐标文件（Coordinate / Restart File）

✅ 常见扩展名

📄 文件格式示例（.inpcrd ASCII）

📄 .rst7 格式（含速度）

⚙️ 生成方式

⚠️ 注意事项

四、轨迹文件（Trajectory File）

✅ 常见扩展名与格式

📄 .mdcrd 格式特点

📄 NetCDF 轨迹（.nc）

⚙️ 控制输出（在 mdin 输入文件中）

⚠️ 注意事项

五、三类文件关系总结

常用查看与操作工具

常见误区

六、常用格式转换方法

1. 使用 cpptraj（AmberTools 内置）

2. 使用 parmed（功能更强大，支持拓扑操作）

3. 使用 MDAnalysis（Python 库）

4. 使用 OpenMM（支持多种格式互转）

常见转换场景总结

注意事项

可用的转换工具

📄 文件格式示例（`.inpcrd` ASCII）

📄 `.rst7` 格式（含速度）

📄 `.mdcrd` 格式特点

📄 NetCDF 轨迹（`.nc`）

⚙️ 控制输出（在 `mdin` 输入文件中）

1. 使用 `cpptraj`（AmberTools 内置）

2. 使用 `parmed`（功能更强大，支持拓扑操作）