第三章　管理协同基本概念

一、协同现象及协同概念

大千世界尽管千差万别、气象万千，但协同现象普遍存在。不论是从无生命自然界到有生命自然界，还是从、到银河系、和，从原始单细胞生物、原生到人、人类以及各种生物构成的生态大系统，都存在协同现象。正如哈肯所指出的那样，无论是、分子、细胞，还是动物、人类，都是集体行为，一方面通过竞争，另一方面通过协同而决定着自己的命运。协同现象从层面可以分为自然协同现象和社会协同现象两大类。但考虑到本书的研究对象是人群组织特别是企业组织，为研究需要把企业协同现象从宏观的社会协同现象分离出来进行说明。

自然协同现象随处可见，主要表现为自然界中的各种协同行为，如在水、土壤、阳光的协同作用下产生的各种生态群落，与的共生现象，地衣、和其他藻类、植物根系与的菌根联系;由于生存需要形成的动物群落、聚集区的存在;蚂蚁的筑巢和群体觅食行为;宇宙演化、各星系的形成和、大气现象、大脑的“整块思维”以及在漫长的演化过程中，由于各种动植物残骸、、菌类及空气等相互聚合反应，形成的、天然气等各类矿产资源等等，这些现象都是自然协同现象。

人类社会发展过程本身就是协同发展的过程。与自然协同现象相比较，社会协同现象包括了人为设定的方案，把人类活动行为的目的及其结果囊括到其中。如、部落、企业、军队、教会、学校、政府以及各种社会组织等就是人们基于行为活动的目的而协同组建的结果。从社会协同的时空纬度来分析，社会协同现象可分为横向、纵向两种协同模式。横向协同现象是一种最古老、最简单的协案，指众多个体共同完成某项工程的协同行为。通过这种协同，人们可以完成一个人无法完成的大规模的工程，也可以由多人分割完成一项工程的各个部分，并由此而达到简化工作，进而增加其工作的目的。如令人叹为观止的世界奇观——埃及的、中国的万里长城和等巨大工程的建造，就是典型的横向协同现象。纵向协同是指一项研究或工程的成果可以协助或实际上有助于以后完成另外某项工程的现象。例如，社会积淀研究与社会文化传播、企业产品研发水平与产品生产、和企业获利能力、社会体制建构与社会良性发展、项目管理中上道工序完成情况与下道工序进展之间的关系等，都是典型的纵向协同现象。从社会协同的方式来分析，社会协同现象又分为单向和双向协同两种模式。单向协同现象，是指只为协同参与者的某一方的目的而进行的协同活动。单向协同有协同方和被协同方两部分，协同方是协同的策划和受益者，被协同方则相对协同方而言是执行者。如社会统治阶级都有自己的任务和目标，要实现任务和目标，就需要各种机构和人员来执行他们的意志，在这一过程中，上层统治阶级是协同方，各种执行机构和人员在广义上来说也属于统治阶层，但相对而言是被协同方，目的是实现统治阶级的意志，这就是单向协同现象。与单向协同相对应的就是双向协同，双向协同是指参与者部分或全部地为自己获益而进行的协同活动。这是人类最普遍的一种协同方式，如组织间或人与人之间的合作就属于这种形式。

在中，协同现象也比较常见，如企业为实现规模带来的成本降低和资源充分利用而在各主要行业内部进行的收购兼并，为达到对、物流和资金流的控制而将、制造商、分销商、零售商，直到最终用户连接成一个整体功能网链结构模式的合作伙伴关系(供应链管理)，为实现企业群的共同目标或远景而组成的公司蛛网，为获取互补性资源、达成目标产品阶段性目标和提升竞争优势而结成的企业联盟，以及为提升以地区为基础的企业和促进企业而形成的产业集聚和商业生态圈等。另外，还有企业生产过程中的计算机集成制造系统(CIMS)、制造资源计划(MPRⅡ)、准时制生产制(JIT)、成组(GTC)、柔性制造单元(FMC)、(CE)、智能制造系统(IMS)等这些协同现象都属于企业管理协同现象。

对协同现象的认识，有助于更好地认识协同规律，进而研究管理协同，并为在企业实施有效的管理协同奠定基础。

(二)管理中的协同研究

值得说明的是此处的研究回顾，仅指从管理角度考虑的协同，协同一词最早源于希腊文。哈肯选择这个词，是要说明系统在发生相变时，由于大量子系统的协调一致引起了宏观结构的质变，产生新的结构和功能。

随着生产力的发展，亚当·斯密在18世纪提出了劳动分工理论之后，马克思进一步发展其理论。在他们的理论中提到有关协同的思想，如马克思认为协作“在历史上和逻辑上都是资本主义生产的起点”。^[1]但真正从意义上研究协同最早可以追溯到古典管理理论阶段的法国著名管理学家法约尔(Henri Fail)，以他为代表的一批管理学家从一般管理理论的角度研究管理学中的协调问题，其中蕴涵着丰富的协同思想。他在1925年出版的《一般管理与工业管理》一书中，提出改善有关的六个职能，即技术职能、经营职能、职能、安全职能、会计职能和管理职能。其中在管理职能中提出协调职能的思想，他认为协调就是协调企业各部门及各个员工的活动，指导他们走向一个共同的目标。^[2]当然，法约尔在管理职能中提到的协调与我们今天理解的协同有一定的差异，他认为“协调就是指连接、联合、调和所有的力量”。^[3]也就是说，他的协调概念主要指企业内部要同心协力，相互配合，协调是一种单独的管理职能。另外，在古典管理理论阶段，厄威克(Lyndall F.Urwick)、古利克(L.Gulick)和梅奥等管理学者也都提出了协调的概念，但含义基本上没有超越法约尔的理解。到现代管理理论阶段，随着新的管理理论、思想和方法的不断涌现，从而出现了各个学派，管理学领域形成了“管理丛林”。这个阶段比较有影响的学派有以H.孔茨为代表的管理过程学派、以为代表的社会系统学派、系统学派等，他们秉承法约尔的思想，也对协调进行了研究，使其蕴涵的协同思想更为丰富。

总的来说，古典管理理论阶段和现代管理理论阶段对协同的研究主要有以下特征:①都是从管理职能的角度出发来研究，认为协同就是协调，协调亦即协同，二者之间无区别;②协同研究的立足点是狭隘的，研究基础和前提均不同于现代协同;③研究中具有丰富的协同思想，但缺乏系统的管理协同理论。

2.安索夫关于协同的概念

随着20世纪五六十年代企业多角化发展的研究，美国著名管理学家安索夫从战略的角度确立了协同的经济学含义，即为什么企业整体的价值有可能大于各部分价值的总和。他借用收益率来分析协同的含义:^[4]假设一种产品可带来S元的年，为生产这种产品而发生的人工、材料、日常费用、和折旧等方面的费用成本为O元，而在产品开发、工具、设备、和存货等方面的投资为I元。于是，产品P1的年投资收益率ROI就可以用公式表达:

这样，对其他产品P1，P2，…，Pn也可以得到相同的表达式。如果各种产品之间不存在任何关联，那么公司的整体销售就可以描述为:

同样，整体运营成本和投资可以表达为:

这样，公司的整体投资收益率就为:

上述公式有一个约束条件，即只有各种产品的销售收入、运营成本和投资之间互不相关，此种关系才能成立，其各自总体的数值可以通过简单加总的方式求得。但是，大多数公司中都存在着规模效益。如对一个销售收入与若干个企业总和相同的大公司，其运营成本可能会低于这些小企业运营成本的总和，或者其总投资小于这些小企业的总和。它们之间的关系可以用如下公式表达:

其中，下标S代表公司整体，下标T代表一个由若干的小企业组成的集合体。通过公式表达可以看出，当销售收入相同时，公司整体的投资收益率高于独立企业集合体的投资收益率，即:

当两者相当时，可以得出:

从上述公式中可以得出这样的含义:在一定的投资总额下，一个产品系列齐全的公司可以比那些只生产系列产品中的个别产品的公司，在单一产品上实现较高的销售收入或较低的运营成本。这就是公司整体的价值可能大于各部分价值总和的原因所在，即协同的含义。在对协同含义解释之后，按照投资收益率公式中的元素，安索夫又将协同划分为销售协同、运营协同、投资协同、管理协同等几种类型，并分别对之进行了研究。

3.伊丹广之关于协同的概念

在安索夫研究基础之上，战略专家伊丹广之对协同进行了比较严格的界定，^[5]他把安索夫的协同概念分解成“互补效应”和“”两部分。“互补效应”是通过提高实体资产使用效率来节约成本或是增加销售的方式。最普遍的现象就是用一种资源来服务于两个或两个以上的市场，之所以服务于两个或两个以上的市场，或许是因为资源的全部效能不能在一个市场中得到充分利用，或者是因为资源在不同时间的使用强度不同，也可能是因为单一市场对资源的需求波动不定，其实质是通过对资源的充分利用来实现的。“协同效应”就是“”，主要是通过对隐形资产的使用来实现的。隐形资产是一种无形资源，它既可以是商标、顾客认知或是技术专长，也可能是一种激发员工强烈认同感的企业文化。在伊丹广之的眼中，协同是一种发挥资源最大效能的方法。他把资源分为实体资源和隐形资源两种，认为互补效应主要来自于实体资源，协同效应来自于隐形资源。互补效应和协同效应都有可能创造企业的竞争优势，但由于实体资源的有限性导致互补效应的有限性，企业只有成功地使用隐形资源才能为公司的竞争优势创造不竭的动力，因为它是公司所独有的，不容易为别人模仿，而且在市场中不可能买到，还可以以不同的方式为公司的所有企业服务。伊丹广之认为隐形资产本质上是一种信息，具有信息的三个方面的特征:使用的同时性、多重使用时的无磨损性以及合成性，即把若干信息合成起来可以产生更多新信息的特性。正是隐形资产这种其他资源所不具有的特性为“搭便车”提供了可能性，使隐形资产在企业协同中发挥了重要的作用。

另外，韦斯顿在对企业兼并进行研究时提出了自己的协同理论，认为企业兼并对整个社会是有益的，它主要是通过协同效应体现在效率的改进上。协同效应主要体现在管理协同效应和营运协同效应两个方面。他提出的管理协同效应是指当两个企业的管理效率不同，在高管理效率企业兼并另一个企业之后，低效率企业的管理效率得以提高。

进入20世纪90年代后，与其他管理学界的一样，波特也非常重视协同这个概念，他认为企业的协同就是企业各项业务行为之间的关联，而企业的竞争优势就是来源于企业各种业务行为的关联，利用价值链可以抓住这种协同的机会。

古典战略理论和战略业务单元理论对协同研究的主要特点是:①基于战略角度研究协同，形成了战略协同理论;②强调协同在企业中的重要性，并从经济学意义上探究了实现协同效应的方式;③已经具有企业协同理论的雏形，但探讨不是建立在哈肯协同论的基础上。

不论是古典管理理论和现代管理理论从管理职能的角度出发对协同思想的研究，还是古典战略理论和战略业务单元理论从战略的角度出发对协同思想的研究，它们对协同的研究都是比较零散和模糊的，认为协同就是协调、合作、同步，但对企业之间或企业内部进行协同的动机、协同的机理、协同的条件是什么等方面的研究不足。

目前，关于企业协同的研究还没有突破安索夫和波特等人基于企业“资源论”和“能力论”的研究，更多地关注企业之间的宏观协同，特别是对企业兼并和联盟协同的探讨与分析之上，对企业内部的协同研究极少，即使涉足企业内部协同的研究，也只是论述组织要素如何进行合理配置，而没有使其纳入“”理论研究的进行考察。所以，直到目前国内外学术界、企业界在企业管理领域还未能有一整套比较完整、全面的有关协同理论的体系，只是从管理的角度对其进行一定的探讨而已。

哈肯基于、、、突变论、结构耗散论等理论基础之上建立的协同学，为人们研究不同领域的协同理论开辟了新的视野。正如哈肯教授所说:“在协同学意义上，会从很多个别事实中——像图画拼板那样——得出一个崭新的图景来。”^[6]

按照协同学的思想，协同的实质在于强调事物或系统在发展过程中其内部各要素或各子系统之间保持合作性、集体性的状态和趋势，它强调整合、协作的一致性或和谐性，以及在某种模式的支配下事物或系统产生不同于原来状态的质变过程。简单地说，协同就是指系统中诸要素或各子系统间在操作、运行过程中的合作、协调和同步。它包括两层含义:一是事物或系统内部各要素之间的相互配合;二是指事物或系统从一种序状态到另一种序状态的转化过程中，其内部要素的相对独立性而产生的无规则运动变为各要素之间的相干作用，从而产生新质的过程。协同有助于整个系统的稳定和有序，能从质和量两个方面放大系统功能，创造出局部所没有的整体功能。协同系统是由许多子系统组成的、能以自组织方式形成宏观的空间、时间或功能有序结构的开放系统。协同学对协同的界定从深层上揭示了其真正内涵，为研究企业管理中的协同问题扩大了视野范围，进而为从更深层面研究企业管理协同奠定了理论基础。

二、管理研究引入协同论的可能性和必要性

(一)引入协同论的可能性

1.协同论具有普适性特征

协同论属于自组织理论的范畴，其使命并不仅仅是发现自然界中的一般规律，而且还在无生命自然界与有生命自然界之间架起了一道桥梁。可见，协同学试图把无生命自然界和有生命自然界统一起来，发现它们存在的共同本质规律。这一已经被两个发现证明成为可能:其一是在有生命的自然界中，所有的系统都是开放系统;其二是在系统演化的过程中，究竟哪种结构得以实现，取决于各个集体运动形式。由此可见，协同论所揭示的结构形成的一般原理和规律，不仅为我们研究自然现象，而且为我们研究生命、、人体功能乃至社会经济文化的变革这样一些复杂性事物的演化发展规律，提供了新的原则和方法。协同论对揭示无生命界和生命界的演化发展具有普适性意义。

另外，从协同论的应用范围来看，它正广泛应用于各种不同系统的自组织现象的分析、建模、预测以及等过程中。如物理学领域中流体动力学模型的形成，大气湍流等问题;领域中的各种化学波和螺线的形成，化学钟的振荡及其他化学宏观模式;经济学领域中如城市发展、经济繁荣与衰退，技术革新和经济事态发展等方面的各种协同效应问题;领域中的舆论形成模型，的作用，社会体制以及社会等问题。由此可见，协同论作为一门研究完全不同学科中共同存在的本质特征为目的的系统理论，其广泛的适用性或普适性是显而易见的。正是它的这种普适性，管理研究引入协同论，必将对管理理论的发展以及对解决管理领域中存在的问题具有启迪意义，也提供了新的思维模式和理论视角。

2.管理系统是一个复杂的开放系统

协同论的自组织原理告诉我们，任何系统如果本身处于孤立或封闭状态，无论其初始状态如何，最终系统内任何有序结构都将被破坏，呈现出一片“死寂”的景象。系统只有与外界通过不断的物质、信息和能量交流，才能维持其生命，使系统向有序化方向发展。管理系统是一个复杂性的开放系统，说它具有复杂性是因为管理系统一般由人、组织和三大要素组成，而每个要素又嵌套多个次级要素，其内部呈现特征。而它又是开放系统，是因为它通过不断地接受各种信息，并经过加工整理后，将管理对象所需的信息输出。管理系统就是在不断地接收信息和输出信息的过程中向有序化方向完善和发展。没有这种信息的接收和输出，就没有管理系统的发展。

(二)引入协同论的必要性

1.协同是现代管理发展的必然要求

协同论告诉我们，系统能否发挥协同效应是由系统内部各子系统或组分的协同作用决定的，协同得好，系统的整体性功能就好。如果一个管理系统内部，人、组织、环境等各子系统内部以及他们之间相互协调配合，共同围绕目标齐心协力地运作，那么就能产生协同效应。反之，如果一个管理系统内部相互掣肘、离散、冲突或摩擦，就会造成整个管理系统增加，系统内各子系统难以发挥其应有的功能，致使整个系统陷于一种混乱无序的状态。现代管理面临着一个复杂多变、不可预测、竞争激烈的环境，如全球经济一体化的趋势日趋明显，企业间的竞争变得激烈纷呈;高新技术的出现和更迭越来越快，产品的生命周期越来越短;消费者导向的时代已经到来，消费趋向多样化、个性化，给企业的生产方式带来了新的挑战;市场环境变化和人们生活质量的提高，对企业的生产与服务提出了更高的要求等。在这样的背景下，企业要生存和发展，除了协同好内部各子系统之间的关系之外，还需协同一切可以协同的力量来弥补自身的不足，提高自身的竞争优势。因此，协同是现代管理发展的必然要求，也是现代管理学必须并且是长期研究的课题。

2.序参量是现代管理发展的主导因素

序参量是协同论的核心概念，是指在系统演化过程中从无到有的变化，影响着系统各要素由一种相变状态转化为另一种相变状态的集体协同行为，并能指示出新结构形成的序参量。因此，在现代管理中，尽管影响管理系统的因素很多，但只要能够区分本质因素与非本质因素、必然因素与偶然因素，找出从中起决定作用的序参量，就能把握整个管理系统的发展方向。序参量概念为现代管理提供了新的理论视角，解释了系统如何在临界点上发生相变以及序参量如何主导系统产生新的时间、空间或功能结构。序参量的特征决定了它是管理系统发展演化的主导因素，管理者只要在管理过程中审时度势，创造条件，通过控制管理系统外部序参量和加强内部协同，强化和凸显我们所期望的序参量，就能使管理系统有序、稳定地运行。

3.自组织是管理系统自我完善的根本途径

协同论的自组织原理旨在解释系统从无序向有序演化的过程，实质上就是系统内部进行自组织的过程，协同是自组织的形式和手段。由此可以认为，现代管理系统要想从无序的不稳定状态向有序的稳定状态发展，实现自我完善和发展，自组织是达到这一目的的根本途径。当然，管理系统要实现自组织过程，就必须具备自组织实现的条件。首先，管理系统必须具有开放性，能与外界进行物质、能量和信息的交流，确保系统具有生存和发展的活力;其次，管理系统必须具有非线性相干性，内部各子系统必须协调合作，减少内耗，充分发挥各自的功能效应。

(一)管理协同的内涵、基本要素与特征

管理协同是运用协同论的基本思想和方法，研究管理对象的协同规律并实施管理的一种理论体系。其目的是更加有效地实现系统的整体功能效应。对企业组织而言，企业管理协同就是指用协同的基本理论和方法来指导企业的管理实践活动而形成的一系列管理思想、理论和方法的总称。主要体现在通过对企业组织系统的管理主体、管理客体、组织目的、组织环境等具有相对独立性的子系统进行协同，实现它们之间形成优化组合与配置，进而产生一个在结构、功能等方面远远超越原有组织系统的、具有新的生命体的组织系统，达到协同效应之目的。

与传统企业管理理论相比，管理协同在理论和思想、处理问题的方法以及对待问题的视角上都有很大的不同之处。传统管理的理论和思想是建立在高度的专业化分工和僵化的科层式组织基础上，强调分工的重要性而对整体重视不足，而管理协同则突出强调要素间协同、配合的思想;传统的企业管理注重企业所需资源或要素的寻求，认为企业只要拥有了资源优势，就可以在激烈的市场竞争中获得竞争优势，往往忽略了企业环境变化，而管理协同不仅注重企业的自身资源优势，而且还关注企业与环境变化的关系，即把企业与环境协同起来;传统的企业管理强调劳动分工和专业化的思想，企业经营、技术、管理等方面的界限比较明显，而管理协同则重视系统协同的思想，如研发、生产、营销以及服务过程的协同，把企业的各项活动作为“价值链”来研究;传统的企业管理强调企业内部诸如人、财、物、技术等各项资源的合理配置和有效利用，研究范围更多关注企业内部，而管理协同不仅重视企业内部资源的优化配置和合理利用，而且重视企业外部资源的充分利用，重视把企业的内外资源结合起来纳入协同范畴，虚拟企业的组织形式是典型例证;传统企业管理的适应能力是一种无“自组织”的适应市场变化的能力，而管理协同的适应能力是有“自组织”的适应市场变化的能力;传统企业管理的市场条件相对稳定，可以预测，而管理协同的市场条件是快速多变难以预测的;传统企业管理的组织特点是僵化的职能界限，有计划地学习，而管理协同的组织特点是“自组织”、“自学习”和“自协调”。

追求管理组织的要素集合效果的最大化，更多需要探讨的是特定环境下部分要素的投入或局部调整所实现的整体效果:当其他要素或外部环境已经发生了变化，也就是说系统已经积聚了一定的能量，需要因势利导地发挥作用时，管理协同在此发挥作用，选择适当的要素投入而完成整体系统的“质变”。

当然，在探讨管理协同的过程中还需要注意事物的发展方向，有时协同的倍增效应不是组织所期望的，因为协同效应有正效应和负效应之分，正协同效应才是管理协同所追求的结果。如项目执行过程中，个别工序的延迟导致整个工序的延误的放大效应，如何抑制这一现象的出现，并使其向有利方向转变也是管理协同所研究的问题。

为进一步理解管理协同的含义，在这里还需对管理协同和协同管理两个概念进行辨析。正如前所述，管理协同是运用协同论的基本思想和方法，研究管理对象的协同规律并实施管理的一种理论体系。因此，管理协同主要研究管理对象的协同规律，研究的领域仅限于管理领域。而协同管理则强调管理体系本身的协同，管理体系则包括组织结构、管理制度、管理本身的运作方式，也包括管理对象的协同研究。

2.管理协同的基本要素

把管理和协同结合起来形成管理协同理论，首先要确定管理协同要素。众所周知，管理的对象是组织，组织是由组织环境、组织目的、管理主体和管理客体四大基本要素组成，当然每个要素又包括很多次级要素，自然它们也是管理的要素。

管理主体是指在管理过程中具有主动支配和影响作用的要素。^[7]它可以是单个管理者，也可以是由管理者群体组成的管理机构。管理主体在管理行为中居主导地位，并通过对管理客体的控制来确立和实现自己的主体地位。没有管理者，被管理者就会无所适从，组织目标便无法实现。

管理客体也可称为被管理对象，是指能够被一定管理主体影响和控制的客观事物。管理客体的系统主要包括人与人的系统、人与物的系统、物与物的系统。组织目的是管理者为实现组织目标的努力方向，是管理活动要达成的效果。

组织目的是决定任何行动的先决条件，贯穿于整个管理活动过程中，渗透于各项具体的组织活动中，也是衡量管理活动是否合理的标志和尺度。它在管理行为中处于核心地位，其主要表现在组织目的是建立组织系统的前提、组织目的是管理运动的出发点和管理运动的归宿。组织目的在管理中的作用在于凝聚作用、导向作用、激励作用、评价作用。

任何组织都存在于一定的环境之中，环境不仅是组织系统建立的客观基础，而且是它生存和发展的必要条件。组织系统具有不断地与外界环境进行物质、能量、信息交换的性质和功能，具体表现就是人、财、物和信息的输入和输出，组织和环境进行的这种交换不断地改变组织本身，从而影响到管理行为的改变。组织环境是组织生存的土壤，它既为组织的管理活动提供条件，又对组织的管理活动起到制约作用。广义上管理环境分为外部环境和内部环境。内部环境分为物质环境和文化环境，物质环境不外乎归结为人、财、物和信息，可以把它囊括到组织系统中管理客体的内部进行研究，而文化环境作为组织的内部文化对创造管理的“协同效应”有着重要的作用。组织环境的研究可以提高管理决策的正确性、及时性和稳定性，有利于管理目标的实现。组织的外部环境对组织的影响也是相当重要的:外部环境为组织提供了微观组织生存的条件，人、财、物的输入与输出保证了组织系统的运行;从更大范围来看，外部环境就是一个由大量同类型的经济实体和不同类型供应、消费者等构成的复杂系统，协同学的原理告诉我们，作为大系统的一个分子，只有与整体的发展保持一致，才能够事半功倍地达到目标。

从上述对管理协同内涵的描述和与传统企业管理思想的比较中可以看出，管理协同是以协同的观点、原理、思想等作为指导思想的新的管理理念。它具有如下特征:

(1)目的性。管理协同追求的中心目标是“2+ 2＞4”的协同效应，其本质要求是实现系统要素的优势互补，聚合放大和功能倍增，而实现这一目标则要求管理协同的各要素按照一定的协同方式相互作用、协调、同步，产生主宰系统发展的序参量，从而支配系统向有序方向发展，使系统的整体功能最强，产生协同效应。

(2)整体性。从管理协同内涵的描述中可以看出，实现管理协同要对各种管理要素进行整合，并综合运用各种不同的方法、手段促使组织系统内部各子系统或要素发挥适当的作用，相互合作和协调而实现一致和互补。这本身包含着整体优化的思想，而且经过对不同方法、手段的应用，以一种能充分发挥各个管理要素的优势最终实现整体优势、整体优化的目的。

(3)非线性。管理协同要实现协同效应，组织系统各要素之间要有较强的相互联系，它不是协同各要素功能的简单加和，而是通过各要素之间协同运作、整体功能发挥作用的结果。组织系统各要素之间的相互联系和作用是复杂的，表现出丰富的层次性和交叉的因果性。例如，生产系统与采购系统、销售系统、售后服务系统等子系统之间的相互联系和作用，生产系统内部的人员、机器设备、原材料之间的多维联系和作用等，都体现了这种层次性、多维性和互为因果性。

(4)互动性。管理协同的目的是实现管理协同效应，而实现管理协同效应只靠单个的要素难以实现，而是需要各种管理要素相互配合、相互促进作用的互动而加强要素的效果而导致整体的发展。这种互动性显然能产生系统的波动和系统状态新的变化从而实现协同效应。组织中经济效益的良性循环，人的工作态度和工作效果，企业品牌与市场的信任等常常表现出这种互动作用。

(5)支配性。管理协同的支配性特征表现为，管理要素之间协同运作产生管理序参量，管理序参量又支配整个系统的发展，促使其他管理要素整齐划一地参与到系统统一的整体行为之中，进而使系统走向一种新的序状态。

(6)同步性。管理协同的同步性强调协同过程中要素的配合在时空上是同步的。时间上的同步性要求协同要素要紧密衔接，遵循共同的时间参考。如准时生产制中要求前后相邻工序在时间上要平行同步进行，并且前后相邻工序的生产率要相等或接近。如果前后相邻工序没有同步进行，无论它们开始的时间多么一致，也难以实现工序间的步调一致性。空间上的同步性要求协同要素之间协调配合，就好比交响乐队，必须有弦乐、管乐和打击乐等不同部分协调演奏，才能产生美妙的乐章，达到预期效果。管理协同的同步性克服了子系统或要素之间的不协调，使系统形成协调一致的整体运动，从无序走向有序。

管理的假设前提之一是资源的有限性，对任何组织而言它所拥有的资源总是有限的，如何使有限的资源产生最大的效应，就必须通过管理活动使其实现最优的结果。如果一个组织的资源是无限的，想生产什么就生产什么，想用什么资源就用什么资源，就不会存在对资源进行管理的问题，也就不存在管理。要提高组织的效率，就需要通过采取一定的方法或措施对组织内部的要素进行协调，以便达到优化配置，使组织要素发挥最大的作用。通过实施管理协同恰恰可以实现这一目的，因为管理协同是基于管理对象的协同规律，通过采取一定的方法或措施，使企业系统产生整体功能和结果的系统管理方法，能够促使组织内部要素之间更好地协调。否则，不能实现组织内部要素协调合作共同发挥作用的管理协同是没有意义的。

协同具有有助于整个系统稳定和有序的特性，它能创造出局部所没有的整体功能，能使系统内部结构得到优化。如果系统中的要素为X={x1，x2，…，xn}，系统的功能为F(X)，协同效应的结果为F(X)＞x1+ x2+…+ xn，也就是通俗表达的“2+2＞4”效应。这里造成的差值S= F(X)－(x1+ x2+…+ xn)是协同的效果。由于这种协同作用，从而也造成了系统产生功能倍增或涌现的效应。对企业而言，如果将目标企业系统纳入到环境系统运作时，又是这种功能的增加能够起到更大的协同效应和效益。

所以，如何把协同论中协同的思想与管理结合起来形成一种管理理论体系，对研究整个企业组织就显得非常重要。因此，管理协同的提出，为研究如何提高企业组织的效率开启了新的管理思考方式。

3.管理协同的功能倍增

管理协同倍增主要强调系统实现整体性协同后，由于系统内部各子系统之间同向合作、相互配合，克服或明显减少在非协同状态下出现的一系列负面效果，从而减少或避免内耗，调动各方面的积极性，提高相关要素和相关系统在协同工作中的工作效能产生互补效应而使系统功能放大，产生整体大于部分之和的效应，实现协同学意义上的协同效应。也就是“系统的整体性功能是由各子系统功能耦合而成的全新的整体效应，这种耦合能使系统整体功能生成倍增，因此远远超出各子系统功能之和”。^[8]

由于协同，解决了各方面的矛盾，求得了整体的同一性，不仅减少或避免了内耗和外耗，调动了各方的积极性，而且使各方面产生了互补效应，从而把系统整体功能放大，使整体功能大于各组成部分功能之和。如在企业内部管理系统结构和职能方面，管理系统行使着决策、执行、控制与反馈等职能，如果这些部门的职能不健全、作用不到位就会影响系统职能的正常发挥，这种要素间的相互离散、摩擦、掣肘造成的内耗，不仅使子系统发挥不出其应有的功能，而且还会使整个系统陷入一种混乱无序的状态，造成整个系统功能的缩小效应。而加强结构和职能的协同，就是改变管理系统机构重叠、层次过多、部门脱节、人浮于事等负向协同现象，合理地配置系统诸要素的位置，使它们围绕组织目标进行积极地协调和配合，促使系统发挥整体最优效应。另外，企业间的动态联盟或企业购并也是制造协同效应的典型。尽管在现实的管理活动中失败率很大(如现实中很多购并行为并没有发挥应有的效应，甚至成为购并企业的拖累)，但从成功企业实例来看，企业通过管理协同的确使企业实现了原有单个企业无法实现的效果，且结果也远远大于单个企业所获结果相加之和，出现倍增现象，达到了管理协同效应的目的，使企业效益获得了提升。

四、管理协同的维度界定

管理领域涉及不同的层面和角度，影响因素也很多，有内部的也有外部的，有时间上的也有空间上的，即使对现实的企业而言，其环境条件也在迅速地变化，如网络经济迅速发展，各种虚拟企业随之出现，企业实体的边界日益模糊和淡化。因此，管理协同的领域也随之不断变化发展。为了对企业管理协同的类型有一个明确清晰的把握，本书依据空间维、时间维和力度维进行分类。

对于企业组织中的管理问题，各种业务由于存在空间上的偏析，以及作业形式上的不同，造成有些工作具有紧密联系而更容易相互影响，而另外一些工作的相互影响相对较弱，由此造成了协同在空间上的群类性，即用空间维度去衡量时客观上存在不同的协同类型。因此，管理协同在空间维度上可以分为企业与环境协同、企业目标协同、结构及组织协同、生产与运作协同、技术与方法协同、文化协同等类型。

环境是企业生存和发展的土壤，企业作为一个开放系统，需要与环境要素之间发生物质、能量和信息的交换(有学者称之为环境激励)，进而促使系统远离平衡态，发生非平衡相变，从无序走向有序，从低序走向高序。因此，企业不可能脱离环境而独立存在，企业与环境的协同显得尤为重要。如企业的运营过程需要从外部环境中获得顾客需求、竞争状况、技术动态、政策法规、经济发展水平、社会文化状况等有关信息，需要从外部环境中获取所需要的各种生产要素和运行条件，以及企业生产的产品和服务也是通过市场来提供给顾客的。

众所周知，环境是不断变化的，它的变化既可能给企业带来发展机遇，也可能给企业带来威胁。所以，企业与环境的协同处在一个动态变化的过程之中，企业只有根据环境变化及时调整结构和功能，才能适应不断变化的环境而继续生存下去。企业与环境之间的协同重点在于适应性，即企业必须与环境的变化相适应或者相匹配。适应性可分为被动适应和主动适应两种。被动适应是指企业在环境变化的巨大压力下，被迫作出的反应和行为。被动适应是在没有准备条件下的应变行为，如果企业不能采取相应的协同对策化解面临的危机，企业将会深陷衰败困境。我国每年倒闭停产的企业案例已经证明了这一问题，其根本原因就是企业不能适应环境变化，无法维持其生命。主动适应是指企业始终把生存和发展与环境变化协同起来连为一体，事先积极预测环境变化趋势及其威胁，并通过谋划部署，运用内部资源、能力的合理配置来掌握主动的适应性行动。虽然被动适应也是企业与环境之间的协同行为，但与主动适应相比，其面临的风险性较高，“临时抱佛脚”带来的协同成本也较高。主动适应性则相反，它不但有助于企业沉着冷静地选择协同之路应对环境变化，而且还有助于节约协同成本，真正把企业与环境协同起来。

企业的外部环境也是一个更大的系统，这个环境系统也由于技术进步、经济增长、国际化、战争与和平等波动和变化，从而产生新的状态和需求。如果在企业经营过程中，能够将企业真正看成这个外部系统的一部分，随着环境系统的协同作用而采取适当的经营方式或战略，适时地吸收和调整系统要素和结构，则企业会取得极大的发展。

目标协同是指从组织系统整体性目标出发认识管理协同的作用，把握各管理要素间的相互联系和关系，使各种要素在运动方向上保持一致性。管理目标作为一切管理活动的中心，对整个管理活动具有导向作用，它促使各种要素围绕其相互作用、协调与合作。对企业系统而言，不同子系统具有不同的目标，如生产子系统的目标是提高生产效率，销售子系统的目标是销售更多的产品，财务子系统的目标是提高资金周转率。如果各个子系统只强调各自的目标，对生产子系统来说只保证生产足够的产品进库储存，这样销售的时候才可能没有后顾之忧，但对财务子系统而言多生产储存的产品会占用资金，不利于提高资金的周转速度。同时，对销售子系统来说虽然库存是保证销售不会出现断货现象，但生产的产品没有考虑市场的需求，产品不一定满足消费者的品味，致使销售更多产品的目标难以实现。结果库存增加了，资金占用了，销售水平也平平，整个企业效率低下，获利能力不足。因此，整合各个子系统的目标，使它们围绕整体目标协同互动就显得尤为重要。

(1)结构协同。所谓结构协同是指组织系统的构成要素之间在规模、层次、方式、排列次序等方面相互配合、相互默契。具体包括管理主体协同、管理客体协同、管理目标协同、管理方式协同、管理环境协同以及它们之间的协同。管理主体指管理活动的发出者，它可能是单个的管理者，也可能是各种管理机构。管理主体协同要求管理主体以管理目标为导向而进行的相互合作与协调。管理客体协同在传统管理上主要指人、财、物之间的相互协作与配合，随着信息技术的发展，各种知识、技术、信息都被纳入管理客体的范畴。管理客体的协同是一个动态意义上的协同。管理方式协同是管理活动主体利用一定的内容作用于管理客体的中介，是管理主体、管理客体交互作用的关键点，管理方式直接影响管理活动的效果。排列次序的协同主要指在项目管理或生产管理中工序之间的衔接、交接等方面的协同。

(2)组织协同。在分工体系下，传统组织理论把各组织部门限定在从事专门业务活动的特定单元中，各单元间的联系和沟通受到各种条件的限制，其产生的后果是各组织部门“各家自扫门前雪，莫管他人瓦上霜”。从表面上看这种分工条件下的各组织部门在各自的业务单元中是合理而高效的，但事实上一个完整的组织被若干职能部门分割得支离破碎，使得整个组织存在着较低的效率。相反，组织协同强调组织的整体性。就企业内部而言，把人、设备、班组、车间、部门和企业相互关联起来，突出整体性的特征，共同形成组织。对企业外部而言，企业与企业之间的动态战略联盟、并购、协作以及企业与各高校、科研院所的合作，使企业在整个社会经济系统中相互结合而成为一个网络型的协同组织。

生产运作是由与生产产品或提供服务直接相关的所有活动组成的。其职能不仅存在于产品导向的制造和装配运作方面，而且还存在于服务导向的医疗、饮食、娱乐、银行、酒店管理、零售、教育、运输及政府等方面。对大多数企业来说，运作只能是其核心。一个组织的产品和服务的创造正是通过运作过程来完成的。

企业生产运作管理在所有的企业组织中居核心地位，而不论这些企业经营什么，企业要完成产品或服务的创造，就要涉及要素的投入和转换过程，这一过程需要考虑生产品种、生产量的计划、生产能力的估计、日常设备的维护和保养、原材料的供应、库存保障等都是需要考虑的因素。另外，这一过程与运作管理有关，如顾客服务、质量保证、生产计划与控制、进度安排、工作设计、库存管理等;另外企业组织所有其他方面的活动，如财务、会计、人力资源、后勤供应、营销、采购等都与运作管理活动相互联系。因此多要素的协同、与其他相关职能部门的协同与配合则显得更有必要。

同传统的管理技术与方法相比，现代管理技术与方法突破了传统管理技术与方法针对单一、具体管理内容所采取的单一的管理方法，它强调管理技术与方法的协同。这一变化的原因是随着科学技术飞速发展和社会经济不断进步，特别是信息技术和制造技术的快速发展，促进了管理技术与方法的协同化发展。如计算机技术和网络技术的发展为决策支持、开发研究、生产制造、营销服务等提供了有力的支撑; ERP将库存管理技术、生产计划管理、生产能力管理、生产控制技术等协同，从整体上提高了企业的效率。

组织是一个系统，这个系统由各个子系统组成，即管理主体、管理客体、组织目的、组织环境等子系统，它们之间的有机结合、相互作用通过管理从动态上构成了现实的管理活动。那么它们之间如何有机结合和相互作用才能产生管理协同效应的结果呢?作者认为需要通过研究管理协同的原理、管理协同的机制、管理协同的条件等来认识。

由于价值观、信念和行为准则等属性的差异，将会引起工作的不和谐，这将有损于公司目标的有效实现。造就和谐的公司文化，改善组织员工与企业目标的关系，形成文化协同将有利于企业的发展。

通过企业文化协同，能够有效地为企业创造价值。

(1)文化减少了企业内个人的信息处理要求。文化协同中价值观、行为准则和相应的符号的共识，可以使员工的活动集中于特定的任务和规范范围之中，更好地把注意力集中于他们日常的工作当中。

(2)它补充了正式的控制制度，减少了企业中监督个人的成本。那些在价值观上依附企业文化的员工将会调整他们个人的目标和行为，使之符合企业的目标与行为。企业文化的协同强调的是它能被大多数员工坚定地信奉，因此在控制员工方面，它就会比正式控制的方式更为有效。主动的自我控制、员工间的非正式监督和不涉及具体细节的组织准则结合在一起，意味着员工会比在正式制度下更可能服从。

(3)文化影响了企业中个人的偏好，使他们趋向共同的目标。协同文化促进合作并减少讨价还价的成本。米勒认为，^[9]合作文化(文化协同)能修正个人的预期和偏好，并使参与者期望组织中其他人的合作行为。但如果文化的内涵是非合作的，他将不会有这种功能。拥有这种相互加强的贯穿企业的价值和规范，可以让企业解决在市场中不可能解决的代理人问题。

时间是构成社会和组织活动过程的重要部分。由于几乎所有的活动都具有时间性质，因此常常在描述各种组织、管理问题时把这当成了不言而喻的内容，管理理论之中许多对管理的描述都是基于同时性的假设，只有特别需要指出事物构成中时间上的不一致时才会单独列出来考察。对管理协同而言，时间问题是值得重点说明的。因为许多在功能上具有可造成协同作用的要素，由于时间上的偏差而不能引起协同作用或者达不到协同效果，因此管理协同更强调协同过程中要素在空间上和时间上的配合，即时间同步性。从协同效应的时间维度，可以分为先后协同和同步协同两大类情况。

先后协同指协同要素发挥作用过程中的时间衔接和能量积累。时间衔接强调协同过程的连续性。如项目管理中上道工序与下道工序之间的交接，以及生产过程中的流水线作业系统等。能量积累是指协同要素在作用过程中不能显现出效果，而要等到相当一段时间后才能发挥作用。如资源的提前组织(购买矿山、人力资源储备等)、产品生产与市场的配合、企业品牌宣传与企业效益的产生、企业文化的培育等活动在较短的时间内不能彰显出效果，但在企业未来生存和发展中将会表现出独特的竞争优势。国家的教育质量、教育储备情况同样在近期短时间内对提高国民整体素质，加快发展步伐的效果不太明显，但从长期来看有着巨大影响和深远意义。同样，改革过程中的宣传和教育对社会的长治久安、稳定发展，以及促进人们思想观念的变革等方面也在当前或近期不能显现，但未来的效果是明显的。能量集聚是协同过程中的量变阶段，当集聚到一定的程度时就会发生质变，亦即实现所追求的协同效应。

对于结构性功能较强的要素的协同作用，则同步显得极其重要，如生产过程强调同步和在时间上的紧密衔接。JIT和技术创新管理是同步协同的典型体现。其中在空间上，JIT强调把全面质量管理、小批量生产、机器设备的合理布置、生产作业管理和以人为中心的管理等多种同步对象的管理功能协同起来。时间上，在实施准时生产制中，要求前后相邻工序的生产率接近或非常相似，以及前后相邻工序在时间上平行地同步进行。另外，技术创新管理也强调把市场调研和预测、产品开发与设计、原材料采购、生产制造、营销策划、售后服务等多个部门的管理协同起来纳入技术创新管理功能的范畴。同步协同要求协同要素之间具有高度的协调一致性、吻合性、适应性和共存性。因此，同步协同既是企业生产经营的内在要求，也是企业进行系统管理和实现管理协同目标的选择。

组织系统中各要素之间的协同作用除了空间、时间上的协同以外，不同要素之间的协同程度还存在差异，因此，协同的程度也是需要考虑的方面。协同程度方面可以用协同关联度衡量，本书将协同关联度定义为“组织系统各子系统或要素之间的协同程度”。协同关联度的高低会影响管理协同的稳定程度和效果的发挥，各子系统或要素之间的协同关联度越高，则意味着它们之间的协同程度越高，进而使系统产生的有序化程度也越高，同时，有序化程度越高，则管理协同也越具有稳定性，便于实现管理协同目标。反之，则不利于管理协同的稳定性和协同效果。

如企业产品之间的关联性取决于产品的性质，同属一类的产品则品牌、供应商、用户等相对关联度高，则发挥品牌效应、低成本原材料采购等易于产生协同;而产品生产过程中同种品种的大规模生产发挥成本的协同效应、生产过程的上下游的供应需求关系也强烈地需要发挥协同作用;企业的知识协同，按其协同程度来分，可以分为知识转移与知识创造。知识转移是指企业知识的协同仅表现为知识在双方之间的流动，其协同效应就体现在对知识的共享上。它是一种最低层次的协同，协同关联度低，协同的稳定性也较低。而知识创造是指企业知识的协同是在对现有知识整合的基础上，通过学习创造出新的知识。其协同效应就体现在对新知识的创造上，它是一种最高层次的协同。显然，知识创造的协同关联度比知识转移要高，协同的稳定性较强，便于企业实现协同目标，使其核心能力增强。

五、管理协同的哲理分析

由于管理领域的不同和影响因素的复杂性，加之人们研究管理的层次、侧重点各不相同等，从而在管理领域形成了不同的流派、理论和管理方法。但无论怎么定义和选择不同的方法，管理本身有些特征是共同的，这些特征反映了管理的本质。

企业组织成员的组合不是简单的堆砌，正如詹姆斯·H.唐纳利(美)谈到管理活动时强调:“管理就是由一个或者更多的人来协调他人的活动，以便收到个人单独活动所不能收到的效果而进行的活动。”我们的组织中需要消耗各种各样的资源，但对我们来说许多资源是有限的，正是这种资源的有限性导致了对管理的需要。就企业组织而言，提供满足市场需求的产品和服务并获取经济利益是企业组织的目标，而人、财、物是组成企业组织的资源。因此，利用环境的机会和资源，把企业组织中能够调动的人(包括人的精神)、财、物等进行配置和协调，并加以运用，从而实现企业组织的目标。这里强调管理就是要收到更大的效果，这才是管理的目的。

人类社会中组织形式普遍存在，每一个组织都是由多个人所组成的，人是组织中最主要的组成要素。虽然每个人的个人愿望不一样，但作为组织，他们都有一个特定的目标，这个目标就是组织中各个人愿望的合成，注意这个合成不是简单的线性加法，而是不同的人占有不同的权重的合成。同时他们也发育出一个系统性的结构，这种结构实质上是对完成特定使命的人们的系统安排。“许多人在同一生产过程中，或在不同的但互相联系的生产过程中，有计划地一起协同劳动，这种劳动形式叫做协作。”有效的协作需要有组织结构，需要在组织中实施管理。社会生活中各种组织的具体形式虽因其社会功能的不同而会有差异，但构成组织的基本要素是相同的。

在组织内部，一般包括五个要素:人——包括管理的主体和客体;物和技术——管理的客体、手段和条件;机构——实质反映管理的分工关系和管理方式;信息——管理的媒介、依据，同时也是管理的客体;目的或宗旨——表明为什么要有这个组织，它的含义比目标更广泛。上述要素通过已形成的规则进行组合结构，并按特定的管理规则执行。

管理者是指具有一定管理能力，拥有相应的权威和责任，从事现实管理活动的人。所谓管理能力，就是一种能够根据组织目标发现组织内外部机会的能力，推动、激励、组织、引导和控制被管理者去实现目标的能力，它是一个人的知识、才智、素质、性格、品德等在管理活动中的综合表现。具有管理能力的人并不一定是管理者，要使具有管理能力的人成为管理主体就必须拥有相应的权威和责任。

具有一定管理能力，拥有一定权威和责任，这只是管理者的必要条件，或者说只具备这些条件的人还只是一个潜在的管理者。要使具备这些条件的人成为现实的管理主体，还必须亲自从事管理活动。只有在对象性的管理活动中，作为管理主体的管理能力和权威才能现实地显现出来，才能与被管理者发生实际的对象性关系，从而使管理主体的地位能够得到现实的确立。

管理能力、权威和责任、现实的管理活动，这是成为管理主体的人所必须具备的因素和条件。这三者又是紧密联系、相互作用的统一体，其中参与管理活动是基础，管理能力和权威责任只有在管理活动中才具有现实意义，而且它们也只有在管理活动中才得以生成和发展。作为管理者就是要能够发现协同机会并加以利用。

只要有人类社会存在，就会有管理存在。由于每个人的主观愿望、身体条件和行为方式存在差异，同时当人们需要组成群体来实现个人无法达到的目标时，要想实现人的共同行动，必须要协调人的行动，此时管理工作就成为协调个体努力必不可少的因素。

协调人际关系是管理的核心。组织中的任何事都是由人来传达和处理的，所以管理者既管人又管事，而管事实际上也是通过他人完成的，管理者只有说服他人或有效地鼓励他人完成既定任务，组织目标才能得以实现。其实管理活动自始至终在每一个环节上都是与人打交道的，因此说管理的核心是处理组织中的各种人际关系，包括主管人员与下属之间的关系，这是各种人际关系的主导与核心。另外，组织内的一般成员之间的关系在组织中也大量存在，它直接体现为组织的社会气氛。

(二)两种协同类型分析

协同就是系统中内部各要素或各子系统之间相互作用，从而形成新的整体状态和趋势。协同强调整合、协作的一致性或和谐性，以及在某种模式的支配下，事物或系统产生不同于原来状态的质变过程。从要素的整合层面上把协同分为同质要素协同和异质要素协同两大类。

一类协同是同质要素的共同运动构成了整体新的发展和新的状态。在管理中同质要素产生的配合体现在规模的效果或集聚效应上。如对于一个人完成不了的事情多个人可以完成，一块大石头一个人搬不动，但多个人共同出力时，石头就搬动了，这就是合力的作用。企业的生产经营规模很小时体现不出效益，但规模达到特定的程度时将发挥规模效应，如钢铁企业的规模效益1000万吨/年以上，汽车生产的规模效益为30万辆/年，都是同质效益的发挥。另外，市场经营中的“扎堆效应”、社会流行或社会意识的形成也体现了同质协同的作用。

另一类协同是不同种要素构成的整体新的发展和新的功能。不同质要素的配合产生协同体现在整合效应上。这类协同发生在不同种要素的结合上，它常常表现在新的系统结构上。正如汽车行驶需要引擎、方向盘、电路、汽油等要素的相互配合;一台计算机需要CPU、显示器、键盘和鼠标等要素的相互配合才能产生特有的功能等。

但无论是哪种协同，他们的共同机制仍然是不同要素中个别属性的配合。管理协同的本质也是由两类方式发挥协同作用:一类是管理中同质要素的聚合产生协同效应，另一类是管理中不同质要素配合产生协同效应。

(三)管理协同的哲理思考

管理协同的中心目标是实现协同效应，其本质是各协同要素按照一定的方式相互作用、协调配合和同步，产生主宰系统发展的序参量，支配系统向有序、稳定的方向发展，进而使系统整体功能发生倍增或放大，即实现“2+ 2＞4”的协同效应。因此，对协同效应也可以理解为是系统产生功能倍增或放大效应的表现形式。如果把这一问题继续深究，就会形成这样一个“追问链条”:既然协同效应是系统整体功能倍增或放大效应的表现形式，那么系统的这种整体功能效应从何而来?它背后隐含的真实情况或背靠基础是什么?只有搞清楚这些问题，才能探究系统产生功能倍增的本质究竟是什么。

系统论通过对系统结构与系统功能的分析，研究系统结构与功能之关系，探讨了系统功能增加或最优化问题。因此，有必要回顾系统论关于系统结构、系统功能以及系统结构与系统功能之关系的研究，以便为进一步探究系统功能增加的本质研究奠定基础。^[10]

(1)系统结构。系统的结构是指各要素关联的“序”。可以表达为:

式中: S表示结构，E表示要素，I表示信息。

系统结构具有层次性、稳定性和可变性三大特征。结构的层次性特征是指要素之间的组合关系和组合之间的组合关系不仅是多元的，而且通常是多层次的。结构的稳定性特征是指结构有赖于要素的组成，但结构一旦形成，就会制约要素，甚至决定要素，而且在要素简单变化或更换时保持不变。结构的可变性特征是指系统的结构并不是亘古不变的，当系统演变到一个关节点的时候，结构就要发生变化。结构的变化与要素的变化有本质的不同，要素的变化是系统局部的渐变，属于量变，而结构的变化是系统全局的突变，属于质变。正是结构的可变性，才决定了系统的可演化性、进化性。由此，整个世界才不仅有量的守恒性，更有质的多样性。

(2)系统功能。系统功能是系统本身所具有的能力。它是系统各要素之间关系的总体或集合，是系统整体活动所表现出的能力，无序或单个要素不能形成系统的整体功能。系统功能用数学方式也可以表达为:

式中: F表示功能，A表示活动关系，I表示信息。

每一个系统都有特定的功能。与结构相应，在复杂系统中，要素之间的活动关系和活动之间的活动关系不仅是多元的，而且是多层次的。

我们说功能是系统本身所具有的能力，但系统功能只有在系统与环境相互关系的过程中才能体现出来。因此，对系统功能的理解要从两个方面进行:其一，系统功能是系统内部各种活动关系的总体，即各要素在相互作用中产生的效能总体。如汽车之所以能够行驶，是汽车制动系统、转向系统、电路系统等所有系统的活动关系产生的总体效能。其二，系统功能也是系统与外部环境相互联系和作用过程的秩序和能力，体现了系统与外部环境之间物质、能量和信息的输入与输出的交换关系，包括改变被作用对象或环境的秩序。如植物的光合作用，植物通过吸收外界的阳光、水和二氧化碳，放出氧气、废热，制造出葡萄糖，只有经过这种过程才能实现这一功能。在这个意义上说，系统输入输出时同外部介质的相互作用就是系统的功能。系统功能同时也是为实现系统目标所具有的能力。系统与外部环境之间的关系，如图3－1所示:

图3－1　系统与外部环境的作用关系

系统论认为，系统功能依赖于要素活动，各要素的活动既有相对独立性，又有一定的互相依赖性。一旦系统的整体功能形成，要素的活动就会受制于整个系统功能。

(3)系统结构与系统功能的关系。在探讨系统结构与系统功能的关系问题上，系统论认为系统是结构与功能的统一体。可以将系统表达为:

式中: SYS代表系统，S代表结构，F代表功能，E、A、I分别代表要素、活动关系和信息。

从表达式可以看出，系统是结构与功能关系的集合。但系统结构与系统功能之间是怎样一种关系?系统论认为，它们二者之间是辩证关系。

辩证关系一:结构决定功能。系统有什么的结构，就会产生什么样的功能，各种系统中功能取决于结构是一种普遍存在的现象。如机械结构决定机械功能，细胞结构决定生理功能，社会结构决定社会功能。系统结构是系统保持整体性并具有一定功能的内在根据。

辩证关系二:功能对结构具有反作用力。功能的实现是结构稳定的条件，系统结构是在不断实现功能的动态过程中维持的，如新陈代谢维持机体生命等。

但值得注意的是，系统结构与功能之间的关系十分复杂，千变万化，一种结构可以有多种功能，即同构异功。例如，同是三个人组成的组织系统，虽然在结构上相同，但产生的效果是不同的。正所谓“三个臭皮匠顶个诸葛亮”，“三个和尚没水喝”。同样，一种功能也可以根据完全不同的结构，即同功异构。如一切机器制造，从杠杆到计算机，都是模拟人的某些功能来解放人的劳动，但它们与人却有着不同的结构。

(4)解释思路。从系统论对系统结构、系统功能以及系统结构与系统功能之间的关系的研究中，可以发现系统论对系统产生整体功能的解释思路是:系统整体功能发挥程度既受到系统结构的制约，也受到外部环境变化的制约。系统结构是系统功能的内在基础，系统功能是系统结构的外在表现。但系统整体功能的产生归根到底来源于系统内部各要素之间的相互作用，即要素之间的排列组合关系。

这种解释思路的合理性在于:在要素给定的条件下和环境相对稳定的情况下，系统论对系统产生整体功能效应的解释思路是显而易见的。但对于复杂的人类社会系统、企业系统来说并不是这么简单。不论是结构还是功能，都必须以一定的要素为基础，那么要素的属性必然对系统功能产生作用。在这个意义上说，要素属性特征以及要素属性之间的匹配性、互补性和适应性关系，才是系统结构和功能背后隐含的真实背靠。因此，对要素属性特征的进一步认识有助于从更深层面上探讨系统功能增长的本质。

2.协同功能倍增的本质

(1)协同功能增长的分析。系统的特征在于通过要素的联系和相互作用，形成新的功能。系统能够获得功能上的增长，其主要原因就在于各要素特定属性之间相互配合而形成了新的功能和效果。这种能够形成新的功能和效果仅仅是从技术层面来观察，如导体与电流的结合产生热和光，引擎、车轮、方向盘等构成了可以行驶的汽车等，它们能够创造功能和能力上的新的突破。但是，这种新的功能和作用效果不是要素机械、简单的堆砌，而是要素特定属性之间的协同作用，即要素属性之间的匹配性或互补性产生的结果。这种匹配性或互补性使要素之间相互作用，紧密联系进而形成了系统特定的有序结构，导致系统产生了新的功能和效果。

由此可见，系统功能增长的本质关键在于要素属性之间的组织性。与孤立要素的属性不同，组合关系中的要素属性之间具有不可忽略的“强相互作用”或“非常重要”的相互作用，而且它们具有复杂的非线性关系和作用。正是这种“强相互关系”或“非常重要”的相互作用，使要素间形成特定的排列组合关系，进而形成了特定的结构，这种特定的结构最终实现了系统整体功能的放大或增长。当然，环境变化也是非常重要的影响因素，在这里之所以没有对环境变化进行讨论，这与本书的假设前提有很大关系。本书已经假设环境是不断变化的，其实环境本身就在不断变化，它的不断变化首先影响到系统功能，而功能变化到一定程度必然导致系统结构的变化。结构的变化又来自于要素之间的排列组合，而排列组合的本质是要素属性不同形式的配合、互补关系。所以，系统整体功能增长归根到底在于要素属性之间的相互作用或相互关系。

在分析系统功能增长的本质特征时，为防止重蹈经典科学机械论原子性原则的解释怪圈，对要素属性的分析不是将其分解为可分离的因果链而分析单个要素的属性特征，而是在遵循系统整体性原则下对同质要素或异质要素属性之间的相互关系或相互作用进行微观层面上的分析，以求认识系统功能增长本质的深层原因。为说明这一问题，我们引入中国的两个俗语加以分析。

第一，系统功能的非线性增长。“三个臭皮匠顶个诸葛亮。”如果从职业要素属性本身来分析，三个臭皮匠还是三个臭皮匠，本质没有发生什么样的变化，即“1+ 1+ 1= 3”，这是典型的线性关系(符合累加性特征)，看不出整体效应的增加。但三个臭皮匠顶个诸葛亮，此时说的是皮匠的智慧属性，而且不是智慧本身的简单相加，而是相互启发、相互促进的智慧增值效应过程，从而达到“诸葛亮”的智慧程度。其实质在于他们发挥了每个人的智慧属性，进而使他们的整体智慧(智慧属性)大于个人智慧之和。这个俗语形象地解释了系统功能增长的本质是要素属性之间相互配合、互补进而产生强相互关系的结果。也许三个臭皮匠还有其他属性，如懒惰、贪睡、自私等属性特征，但当他们发挥了各自的智慧属性，并把这些智慧属性特征协同起来，最终产生了大于单个人智慧相加的整体智慧。假设整体智慧为W，个人智慧分别为P1、P2和P3，用数学表达式可以表述为:

第二，系统功能的非线性减少。“三个和尚没水喝”中，同样是三个人，但产生的功能与“三个臭皮匠”却相反，功能是0。虽然他们之间也是一种非线性关系，但却是内耗极大的系统。其原因在于，三个和尚不像三个臭皮匠那样，发挥出了他们的积极属性(如主动、积极等)并使其相互配合、互补而形成合理的结构，而是发挥了他们懒惰、依赖、相互推诿等非协作属性，结果所形成的结构不具有特定的有序性，由此导致整体功能等于0。假设整体功能为F，三个和尚的功能分别为f1、f2、f3，用数学表达式可以表示为:

(2)要素的多重属性特征。众所周知，系统是由多个要素组成的有机整体，即具有集合性。而系统中的每一个要素，常常是由特定的载体所携带或构成的。如计算机系统的计算单元CPU，它是由硅片电路等构成的。企业系统中的人力资源是由自然人所携带的，冶金设备是由高炉、转炉、轧钢机等作为基本载体的。冶金生产的铁原料是由矿石所携带的。当分析每一个特定的要素时，人们常常把要素和要素特性相混淆。如人力资源和自然人，计算机的运算器和CPU芯片，铁原料和矿石，事实上他们不是同一个东西，而是要素本身及其所具有的属性。对要素而言，它本身具有多重属性特征。如在人才市场上寻求人才时，当找到了某特定专业或能力的特定某一个人并加以聘用，此时是需要他的专业和能力，但别忘了如果聘用了他，也就联系上了这个人的其他方面，如仪表、品质、嗜好、工作习惯等。也就是说在现实的组织中，每一个要素都具有多种属性，在这些属性中不仅有其中所期望的属性，其他的附带的属性也将起到一定的作用。就如同CPU芯片还存在体积、重量、发热等特性。当矿业公司出售了铁矿石时，也许仅仅是卖掉了铁矿石本身，但购买者(钢铁公司)除了买到了铁元素，也许同时买到了硫(S)、钛(Ti)、铜(Cu)等其他元素，如果没有很好地处理这些不需要的物质，则还得付出治污费，但有的将其变为其他产品，钛合金、水泥等则获得了新的经济增长，构建了新的企业生产能力;也许某位古董收藏家在旧货市场上买回一个唐代瓷碗，对旧货市场上来说可能是一个不太有用的器皿工具，但古董商却发现了其中的商业收藏价值，这就是具体要素的多重属性的作用。

要素的多重属性，有的属性是有用的，而有的则变得有害。在构造系统的过程中，人们往往期望利用要素中有利的属性，而减少不利属性的发挥。这是人们利用要素的真正目的所在。正是在这个前提条件下，要素之间相互作用、相互联系而形成的特定结构才具有有序性，它的功能也才能得到优化。值得注意的是，孤立探讨要素的属性是没有意义的，只有在特定的环境和相互联系、相互作用的关系中探讨要素的属性特征才显得有意义。

通过上述分析可以得到的启示是:系统功能增加不是要素的简单相加，而是要素之间的相互作用，更确切地说是要素属性之间的匹配性或互补性产生相互作用、相互联系的强相互关系，使要素的排列组合发生变化，进而影响到系统的结构，结构又决定了系统的功能。由此也可以说，系统要素属性在管理协同中起着关键性的作用，它是实施管理协同的着力点。正如“三个臭皮匠”发挥并缔结了他们的智慧属性，相互配合而产生的整体智慧超越了诸葛亮的个人智慧。这是系统功能增长的秘密所在。

因此，在管理协同过程中，需要在遵循系统整体性原则条件下把关注的焦点放在要素的属性层面上，在要素相互作用的过程中，通过施加一定的管理手段和方法，激发出有利的要素的属性，限制或抑制不利属性，并把要素之间有利属性协同起来，使其之间产生强相互关系，形成特定有序的系统结构，进而使系统整体功能增加或放大，最终实现管理协同效应。

[1]马克思:《资本论》，第一卷，人民出版社，1975年版，第372页。

[2]周三多:《管理学——原理与方法》(第三版)，复旦大学出版社，1999年版，第55页。

[3]H.法约尔:《工业管理和一般管理》，中国社会科学出版社，1998年版，第7页。

[4]安德鲁·坎贝尔:《战略协同》(第二版)，任通海等译，机械工业出版社，2003年版，第29～31页。

[5]安德鲁·坎贝尔:《战略协同》(第二版)，任通海等译，机械工业出版社，2003年版，第64～70页。

[6]H.哈肯:《协同学——大自然成功的奥秘》，戴鸣钟译，上海科学普及出版社，1988年版，第9页。

[7]韩庆祥:《管理哲学》，中共中央党校出版社，2003年版，第61页。

[8]李忱、田杨萌:《科学技术与管理的协同关联机制研究》，《中国软科学》，2001年第5期，第57～62页。

[9]［美］丹尼尔·A.雷恩:《管理思想的演变》，李柱流等译，中国社会科学出版社，1997年版，第538页。

[10]部分内容引自李曙华:《从系统论到混沌学》，广西师范大学出版社，2002年版，第46～50页。

第1篇：科研项目立项报告书范文

项目名称:呼叫中心运营实时*系统 项目负责人:xxx 实施单位:广州xxxx网络技术有限公司 项目时间:2015。01-2015。12

一、立项的目的意义及必要*

随着现代企业信息化程度的不断提高，一体化呼叫中心系统也在不断推广和应用。在日常运维当中，能够实时*呼叫中心系统的设备状态以及统计系统的*能数据都十分重要。实时*可以尽早发现和解决问题，避免或减少因呼叫中心系统不能提供服务所造成的损失；统计*能数据可以为*能容量分析提供直接的参考依据。

呼叫中心系统是集成电话、电脑等多种it技术的综合系统，是企业对外服务统一、高效的客服平台，呼叫中心的管理是一项非常繁杂的任务，需要完*员安排、人员监管、系统*、业务*等任务。在没有信息化管理的呼叫中心存在两大难题:人员管理难和排班难，所以对于管理者来说，如果不能实时掌握各种情况，将会导致服务质量下降和人力资源浪费，从而导致呼叫中心的运营绩效差，影响业绩。为了提高管理效率，通过本项目立项研究，达到开发呼叫中心实时*系统是非常必要的。实时*系统应当具备以下功能:实时掌握系统运行状态，以便及时处理各种故障，预测人力需求，实时反映话务量，以便实现实时排版机制；实时反映坐席线路状态，实现对话务人员的监管；提供对业务关键数据的监测，以便提高响应速度，优化服务质量。

二、主要研究目标和内容

主要研究目标，是在管理平台的基础上，增加呼叫中心*的协议*，打包呼叫中心通用*协议的分析和告*策略，增加模拟真实用户拨打呼叫中心的测试*，并提供语音质量的探测。具体目标如下:

实现了全部环境的*，快速的发现问题

实现设备资源的统一管理，方便进行统计和管理

提供自动的报表平台，使运维统计报表更加快捷、科学和客观

提供运维的知识库平台，并提供事件平台的调用接口，协助一线、二线确认问题和解决问题

实现与事件平台的对接，将*纳入到整个的运维管理体系

平台化设计，可以根据运维的需要，调整相关的*告*的kpi和运维报表 通过主动模拟用户拨号方式获取callcenter的运行情况

通过对主动模拟用户拨号获取相应的录音，进行语音线路传输质量的比对。

三、项目研发的核心技术及创新点

①monitor运行时需要与呼叫中心系统进行通讯，以获取所有*对象的各种状态、信息、统计数据等等，同时，monitor也需要从呼叫中心系统数据库中获取*对象的历史统计数据，而monitor自身的各种配置数据也需要保存在数据库中。

②当需要对员工进行*时，则需要使用呼叫中心系统系统中的软电话控件与员工服务器aps进行通讯。表示各项数据时使用了mschart图表来显示。

monitor系统从功能上大致分为三个部分:*，管理和配置。monitor是用来*呼叫中心系统中各对象的，以图、表、曲线等多种形式将*对象直观的显示出来，从而让管理人员能准确地了解呼叫中心运行情况。

四、采用的研究、试验方法和技术路线

通过主动和被动的检测，分析并提供多维度callcenter*数据，展现丰富检测数据，提供多种*视图，验*在call center环境中，对各区域用户的体验以及运营商商提供的线路质量的满意度。

monitor系统从功能上大致分为三个部分:*，管理和配置。

monitor是用来*呼叫中心系统中各对象的，以图、表、曲线等多种形式将*对象直观的显示出来，从而让管理人员能准确地了解呼叫中心运行情况。

monitor运行时需要与呼叫中心系统进行通讯，以获取所有*对象的各种状态、信息、统计数据等等，同时，monitor也需要从呼叫中心系统数据库中获取*对象的历史统计数据，而monitor自身的各种配置数据也需要保存在数据库中。当需要对员工进行*时，则需要使用呼叫中心系统系统中的软电话控件与员工服务器aps进行通讯。表示各项数据时使用了mschart图表来显示。

*界面指用户能在屏幕上看到的所有东西，例如一个员工列表，或者一个场地状态图，或者场地统计图，等等。通常他们都位于一个窗口中，是实现*的唯一途径。

monitor*功能主要包括对整个场地内员工、坐席、外线，排队等情况的实时*，每个*对象都有各自不同的*项目。

*对象: 指monitor所*的东西，可以是呼叫中心系统系统中的员工，坐席，呼叫，外线，也可以是根据逻辑关系组成的相关设备，如场地，或者派线组，等等。

*面板: 指用来显示*对象各种数据的窗口，可以显示或隐藏，改变大小，改变位置。并根据用户需要进行定制，保存或加载。

布局:指在*状态下一个或多个*面板的格局。

方案:指多个布局是如何自动切换的，包括布局的切换次序和布局的停留时长。

场地: 管理员根据需要制作，由场地平面图和*图标组成的某个场地的直观表现形式。每个*图标表示一个员工，或者一部分机。(具体设计请参看场地设计)

五、现有技术基础及条件

浚峰作为全方位的呼叫中心服务支撑技术提供商商，自身拥有40余人规模的系统及研发团队，具备呼叫中心应用系统的自主研发能力，为中港两地的呼叫中心运营提供系统及技术支撑。在当今呼叫中心运营管理过程中，技术对于呼叫中心运营效率的贡献已经逐步凸现出来，浚峰自身强大的技术研发团队，不仅能够快速响应呼叫中心运营方面的技术需求，同时还可及时地满足运营方面个*化的需求，具有灵活*高、可拓展*强的特点，量身定制的技术解决方案为进一步提升管理效率和满足客户业务个*化需求提供了强有力的支撑。

浚峰自身研发的呼叫中心系统还包括外呼系统(i-business)、预拨号系统(pds)、质量管理系统(qms)、综合业务系统(ibs)和考试系统(e-exam)等，这不仅可以满足项目的实际运营需求，同时也有助于提高管理效率。

1、自有项目硬件设备介绍

拥有统一高端的呼叫中心基础设施及配置，能有效保障项目顺利实施，cti系统具备高可靠*，采用hp服务器，双机热备份，核心部件双备份，单一部件故障不影响系统的运作。具备处理大量话务的能力，单一cti服务器可处理并发750语音通道，并可能实现灵活扩充，通过多机负载，以应对业务的发展。

为了满足日益增长的各类呼叫中心业务，适应呼入、呼出、传真、 e-mail、语音留言等复杂的客户接触方式，易宝广州组织程控交换、语音、传真、网络、媒体、数据库等方面的专家，结合自身多年丰富的运营服务和客户管理经验，采用先进的cti技术和高品质的硬件设备，研制开发了wise-xb多媒体客户接触中心系统平台，并根据业务的发展不断进行系统优化和升级，每一次的系统升级均经过严密的测试流程，并通过系统变更管理流程，在系统中记录每一次的升级变更*作。wise-xb客户接触中心系统结构示意图:

验收标准: 实时掌握系统运行状态，以便及时处理各种故障，预测人力需求，实时反映话务量，以便实现实时排版机制；实时反映坐席线路状态，实现对话务

人员的监管；提供对业务关键数据的监测，以便提高响应速度，优化服务质量。

第2篇：科研项目研究报告范文

篇一:科研结题报告范文

科研结题报告范文 合 同 编 号: 项 目 名 称: 项 目 负 责

六、学校科研管理部门意见

篇二:科研课题研究报告格式及要求

科研课题研究报告格式及要求

(三)摘要:用简炼的语言介绍本研究课题内容，一般在00字左右。

3、当前社会对该课题的研究状况，包括国外、国内、省市区内对该课题或有关内容研究的状况，如深度、广度、已取得的成果或存在的问题，有何问题还没有研究或有待于进一步研究等。

4、本课题研究的有关背景、研究基础、研究的理论依据。本课题在什么背景下进行研究、现状如何;已做了哪些前期研究，取得了哪些和本课题有关的初步成果;本课题是在什么平台上进行研究的;本课题研究的主要理论依据和思路等。

5、本课题研究成果将产生的作用和价值。

1、本研究的主要指导思想、依据和研究原则;

2、本研究要达到的预期目标;

3、研究的主要内容和重点;

4、研究的主要方法:研究过程采用什么方法、用此方法研究了

什么内容、达到了什么目标、得出什么结论;

5、研究进程和研究工作的实施:写出研究过程中各阶段的研究内容、研究思路及实施情况;

6、在研究过程中涉及到调查和实验，要特别写出以下内容:

(1)对调查的实施，着重写出

l调查的目的、任务、时间、地点、对象、范围;

l调查方法要说明是普查还是非普查(如:重点调查、典型调查、抽样调查、随机等);

l调查方式是座谈会、访问、还是问卷或测试;

l调查问卷要说明问卷来源、编制依据、发放方式、问卷有效数量和数据处理的方法;

l对于测试要说明测试量表的来源、编制依据、测试依据、对象和方法、评分标准和有效*的保*等。

(2)对实验的实施，要写明:

l实验目的、内容、方法和思路;

l实验的假设和理论依据;

l实验的条件、时间、数量、结果及适用范围; l实验的具体步骤等。

(六)研究的主要结果和产生的效果

1、对调查或实验数据(可用图、表的形式)的分析和初步结论;

2、在调查或实验过程中产生的其他效果。

(七)研究的主要成果与形成的理*认识

1、对现状研究的理*分析;

2、要提出有效的措施、可*作的对策和方法;

3、写明研究过程中形成的新理论、新观点、新见解、新认识和新方法等。

注:要讲究研究的科学*和系统*，不要写成[我是怎么做的，应该怎么做"。

1、应该研究而由于其他原因未进行研究的问题;

2、已经进行研究但由于条件限制未得出结论;

3、与课题有关但未列入本课题研究的重要问题;

4、需和同行商榷的问题等。

(九)参考文献、引文注释等。

篇三:科研项目成果报告格式

生产科研项目归档成果报告装订顺序及格式

1、封面:左上角为项目(课题)*质和合同编号，右上角为密级，中间为报告名称，中间下方为xxxx有限公司名称和时间;

2、内封面:与封面式样相同，加盖单位公章;

3、项目责任关系页:项目名称、项目委托单位、项目承担单位(加盖单位公章)、项目负责人、报告编写人、主要研究人员、研究起止时间等主要内容(式样2);

4、评审(验收)意见书:(式样3、4);

5、报告内容摘要:(式样5);

6、正文目录:(式样6);

7、附图目录:(式样7);

8、报告正文:注意版面设计要求(式样8);

10、报告复制份数和分发单位(式样9)。

xxxxxx有限公司 密级: 生产科研项目成果报告

(标题1，小1号黑体)

××××年 ××月(小3号宋体)

承目托担名单单称: 位: 位:

××年×月×日-××年×月×日 3号宋体)(行间距固定值

评审(验收)意见书(3号黑体)

(小4号宋体，行间距固定值20磅)

评审(验收)委员会名单

附评审(验收)委员会名单(表)

第3篇：科研项目结题报告范文

对于一个科研课题来说，撰写结题报告是课题研究的最后一个程序。

结题报告如何撰写呢，尽管研究方法各有不同，具体的撰写因而也各有所异，但是，从其基本的格式来说，它们还是有一定的规律可循的。就其结构而言，教育研究报告的一般结构是:

研究报告的题目就是课题的研究报告。如[小学三年级数学思维能力训练报告";[`成功教育`实验报告";[`*教育实验'阶段*成果研究报告";[`初中语文教学思维训练`实验报告";[利用电教媒体优化课堂结构，促进教学目标的实现初中课堂教学tet模式实验报告"等等。一般在题目下面都应该写清楚课题研究组或课题研究报告撰写人姓名。

问题的提出实际上就是研究报告的开头部分，有如[引言"的功能。这部分主要内容是写清楚这一课题的研究目的、研究背景、价值和意义，以及这一课题目前在国内外研究的主要成果、现状，研究这一课题预计所要解决的问题以及研究理论框架。在这一部分还要分析清楚研究假设是什么，假设用语是否明确、是否具有可检验*，对课题假设要进行充分的论*，当然可以参考课题立项申请报告中的有关内容。

在这一部分主要写明进行这一课题研究所选用的方法。包括:

(1)根据课题的特点，选用何种研究方法。

(2)研究对象(即样本)的取样方法、数量(即容量)、条件(即研究前所具备的水平)。要求取样方法科学，样本容量合适且具有代表*。

(3)根据所选用的研究方法确定研究设计。

(4)明确*作定义。即对课题研究中所涉及的相关概念给出明确的定义或解释，使研究更具有可*作*。

(5)对研究的变量给出明确、具体的测量方法和统计检验方法。

(6)对课题研究的无关变量给出控制方法。

(7)课题的具体实施程序。即研究时间和步骤。

[课题研究成果"这个部分是整篇结题报告中最为重要的部分。一个结题报告写得好不好，是否能全面、准确地反映课题研究的基本情况，使课题研究成果具有推广价值和借鉴价值，就看这部分的具体内容写得如何。一般说来，这部分的文字内容所占的篇幅，要占整篇结题报告的一半左右。

[课题研究成果"这个部分内容的表述，要注意三个问题:

第一，不要只讲实践成果，不讲理论成果。 一个结题报告的研究成果，应当包括理论成果和实践成果两个部分。不少的结题报告，是这样陈述研究成果的:我们通过研究，开设了几节公开课、观摩课，发表了多少篇论文，获得那一级奖，在cn刊物和那些汇编上发表了几篇文章，有多少学生参加什么竞赛获得了那些奖项。或者是，通过研究，学生的学习成绩和学习能力获得了哪些提高，教师的科研水平得到了哪些提高等等。这些是不是研究成果，是成果。但仅是属于实践成果。一篇结题报告，单单这样陈述，是远远不够的。因为这样的陈述，别人无法从你们的研究成果中学习到什么，这样的研究成果没有什么借鉴推广价值。具有借鉴价值和推广价值的，往往体现在理论成果部分。有的同志认为，我们的课题研究没有什么理论成果。其实不然。我们所说的理论成果，就是我们通过研究得到的新观点、新认识，或者新的策略、新的教学模式等等。这些新观点、新认识、新策

略、新模式，又往往与我们在[研究目标"或[研究内容"中所确定了的要达到的成果密切联系。例如，有项研究阅读教学的课题所确定的研究目标是:要通过研究，[建构具有主体*、开放*、实效*、体验*、创造*的自主探究、激励成功的阅读教学新模式，研究探讨该模式应遵循的基本原则、基本*作程序和常用*作程序以及*作该程序的有效展开和运作的基本教学策略"。那么，在[研究成果"中，具体陈述所建构的新模式是什么，以及基本原则、*作程序、基本教学策略等。这些就是研究的理论成果，这样的研究成果才有借鉴和参考的价值。

第二，研究成果的陈述不能过于简略。有些课题在研究过程中，撰写出多篇学术论文。这些学术论文，就是课题研究的部分主要成果。在结题报告[研究成果"部分，要将这些论文的主要观点提炼、归纳进去。有的结题报告是这样陈述所取得的成果的:研究成果详见什么什么论文。只是这样的陈述是不行的。如果一个课题分为几个子课题来研究，在结题报告的成果表述中，也要将这几个子课题研究的成果进行提炼、归纳。在提炼、归纳时，应注意不要只是简单地罗列这个子课题的主要成果是什么，那个子课题的主要成果是什么，而应融*有子课题的主要研究成果，归纳出几点。同时也应注意这些子课题的研究成果必须体现所确定的研究目标。您正浏览的文章由(第一?范?文网)整理，版权归原

第三，有关课题的研究经验或研究体会不要在[研究成果"这个部分来陈述。一般说来，一个研究课题在通过结题验收以后，课题组还需要进行总结。这个总结，就要总结课题研究的经验，谈及研究的体会。而在结题报告中，就不要陈述这两个方面的内容。

(实验)课题研究的结果是研究报告的主要部分内容。这一部分要求客观、真实地对研究的材料和数据进行分析，既要有定*分析，也要有定量分析。定*分析，实际上就是对搜集到的资料进行归纳分析和逻辑分析，因此，在定*分析时要避免研究者主观判断，以陈述研究所取得的事实为主。这样的目的是把读者的注意力引到下一部分对这一研究结果的讨论中去。对定*分析的信度检验可以用公式计算:(n为对同一内容加以分析的研究人数)。在定量分析过程中，应该把研究过程中所取得的有关数据经过统计、分析、检验后的结果列出来，能以图表的形式表示的，应该尽可能地用图表的形式表示，并且图表要求清晰、合理，使读

者一目了然。在定量分析中，主要是?计算数据的平均数、中数和众数，判断数据的集中趋势程度;?计算方差、标准差和变异系数，以判断数据的离散程度;?计算标准分数以判断研究对象在群体中所处的相对位置;?计算相关系数用以判断两个变量之间的相关关系程度;?运用统计检验，解

析和鉴别研究的结果。关于数据的检验分析，主要有:z检验(适用于大样本容量的显著*检验，即容量大于30，它是用正太分布理论来推论差异发生的概率，从而判断两个样本平均数的差异是否显著或者判断样本与总体平均数的差异是否显著);t检验(适用于小样本容量的差异显著*检验，即容量不大于30，与z检验一样，它是判断两个样本平均数的差异是否显著或者判断样本与总体平均数的差异是否显著);f检验(用于对多参数进行假设检验);检验(适用于计数数据的检验，用来判断研究结果与理论假设的期望值之间的差异)等等，对于各种检验的方法可参考有关教育统计分析书籍。对于那些不是数据的结果，但对研究结果很有价值的资料，如研究对象的行为表现等也要在这一部分里列出。

这一部分就是对有关数据的统计结果进行说明，阐明这些数据说明了什么，并分析和评价研究的结果和意义。在这里可以阐述个人对研究的结果的见解或观点。

结论部分就是对所研究的问题或课题假设给出一个*，要求简明扼要。在这一部分中也可以对研究中有待于解决的问题给予指出。

在这一部分，可以对研究报告中所引用的或者是提到的资料注明其出处来源，以备读者进行查对。参考资料的排列格式一般是:

?如果是期刊资料，则注明作者姓名、文章标题、刊名、刊号。

?如果是书籍资料，则注明作者姓名、书名、出版社名、出版时间、页码等。

教育科研结题是整个课题研究的工作总结、是对研究成果的鉴定。对一个教育科研课题的结题工作，需要哪些材料呢，一般需要准备如下材料:

2。课题立项申报报告;

3。课题立项批复通知;

4。课题研究的阶段*总结;

5。课题研究终结*结题报告;

(2)课题的有关研究材料等。

在收到课题提交的结题材料后，即由专家组对结题材料进行审阅，一般而言，专家组主要是审核材料中对课题的研

究情况，主要包括以下几个方面的内容:

(1)课题的选题意义如何;

(2)课题的研究设计是否科学、合理;

(3)课题的研究过程，包括管理过程是否科学;

(4)课题的研究方法是否正确，特别是有关变量的投放、控制、资料和数据的收集是否科学、充分等;

(5)课题的研究成果如何，特别是有无充分的数据、资料加以说明和论*所取得的成果，包括定*分析和定量分析，课题研究成果的价值如何等;

(6)课题研究的特点有哪些，

(7)课题研究还存在哪些问题，对课题的进一步研究有什么建议等。

专家组在完成上面几个方面的工作后即可要求召开结题论*会议。专家组一般应在开结题论*会前一个星期对材料进行审阅。

结题论*会议议程一般如下:

1。专家组听取课题小组对课题研究的简要说明或简要介绍，也可以对结题材料进行进行补充说明。

2。如有必要专家组也可以进行听课或到有关科室查阅核实有关数据，也可以召开小型教师、学生座谈会、听课等。

3。在专家组完成听课或召开小型座谈会，听取课题组简要介绍后，就可以要求课题组就课题研究的有关问题进行答

4。在完成答辩会后，专家组召开会议，进一步讨论对课题成果的评价。

5。专家组向课题组公布及提交对课题研究成果的评价结果，专家组的评价结果可以作为课题研究的成果认*依据，也可以作为有关科研评奖依据。

本文来自:先锋家园范文频道(changanyouth)详细出处参考:

篇二:科研项目结题报告的基本格式和要求

科研项目结题报告的基本格式和要求(之一)

一、项目背景及立项(800~1000字左右)

二、项目简介(500字左右)

三、项目的理论依据、研究目的与意义(500~800字左右)

五、项目理论研究和探索(字左右)

六、项目研究的主要阶段成果(字左右)

科研项目结题报告的基本格式和要求(之二)

1、报告标题:项目名称+结题报告

2、作者署名:单位+姓名(项目负责人或项目负责人和撰写人)，署在标题的下面。

3、内容摘要:主要观点、内容。

4、问题提出:意义(重要*和必要*，是对研究方案中的研究意义部分的深化)、理论依据、前人研究综述(包括研究方案中前人研究综述以及立项后又看到过的同类课题研究成果)。

5、研究过程:简单介绍研究经过、方法、步骤。方案中的研究过程是一种假设，而结题报告中的研究过程是实际做的。

6、结果分析:摆事实，讲道理，对研究内容进行分析。结果分析是结题报告的主体部分，应按原来设计的内容，分几个部分把自己已做的工作加以描述分析出来。这些事情做后得到什么启发，得出什么规律*的东西，可以有数据分析、案例分析等。若在文中恰当运用图表，可以简捷明了地表述研究的主要结果。图表可以对研究过程中一些零乱的原始数据进行初步加工整理，从而直观地反映数据的某些规律和特征，显示事物发展规律、变化趋势及分布状况。常用的表格有分类表、频数频率分布表、累积频率分布表等。使用表格一般都要进行显著*检验，如卡方检验。有时为了更直观地表达研究结果，可以用统计图像，如条形图、圆形图、线状图等。在论文中若运用量表和常模，必须标出名称，并简述使用方法。

7、成效分析:研究所取得的成绩、效果的分析。成绩与

分析，通过前测、中测、后测得到三组数据，最能反映出成效。也可以通过具体案例的描述看出效果，如某个学生行为的变化，研究之前什么样的行为，通过一年的干预发生了怎样的变化，把他们的行为描述出来。

8、问题思考:研究的特点，今后努力的方向。充分肯定自己课题研究成果的基础上，看看还存在什么问题。

9、参考文献:引用参考他人的成果。要注意参考文献的格式。

10、附录:不便列入正文的原始材料等。如一些原始材料，包括调查问卷，一些统计过的数据，一些典型的案例，一些照片等材料。

上述第4至8部分是结题报告的正文部分。

科研项目结题报告的基本格式和要求(之三)

以深入浅出的语言简明扼要地概括出项目的精华，如背景、方向、主要内容、重要结果、关键数据及其科学意义等。关键词不超过5个，并用分号隔开。

2、研究计划要点及执行情况概述

是否按计划进行，哪些内容作了必要的调整和变动，哪些研究内容未按计划进行，原因何在。

3、研究工作主要进展和所取得的成果

本部分内容是的核心部分，也是科研项目中最有学术价值和可供其它研究者进一步研究的基础，要求项目负责人和承担者实事求是地认真撰写，包括代表*成果介绍，说明其水平和影响，并简要阐述其科学意义或应用前景等。视情提供必要的国内外动态和研究成果的比较，必要的参考文献出处等。对重要的研究进展或成果，尽可能[一事一议"，分段撰写，以便今后成果展示或管理汇报时可以整段地剪贴引用。对在后面成果目录表及统计数据表中的一些内容，如学术奖、数据库、软件等，应在本部分中具体地描述。

4、经费使用情况的说明

主要针对资助的经费，给出必要的说明。

5、存在的问题、建议及其他需要说明的情况

包括项目研究工作中的难点和经验，本项目研究是否达到预期目标，如未达到，请分析原因和可能的解决途径。今后进一步研究的建议和设想。

二、研究成果目录和数据统计表

为了规范管理，获得准确的统计数据，如实反映研究成果，要求数据必须准确并保*几个表的数据相对应、一致。成果类型分为[获奖、专利、专著、期刊论文、会议论文、其他"六大类，请归类集中填写，逐类单独编号;无正式录用*的论文暂不列入;成果名称栏目填写论文题目或专利或奖励

名称;主要完*根据作者或获奖人实际情况按顺序填写，并在论文通讯作者后加*标注;成果说明栏目分别按以下格式填写:

1、期刊论文按[作者)论文名称，刊物名称，卷(期)，起-止页码。

2、会议论文按[*/国内，特邀报告/口头报告/墙报展示，会议名称、时间"格式填写说明。

3、专著按[作者)书名，出版社，出版时间，字数，发行量"格式填写说明。

4、专利按[获准专利国别，类别，专利号，获专利时间"格式填写说明。

5、获奖按[授奖单位，授奖时间，奖励名称，等级"格式填写说明。

6、其他，根据实际情况填写并做必要的说明。

三、附件材料(随结题报告提供的材料)

1、提供论文或论著的封面、目录页和正文权属页的复印件。

2、大会特邀报告须提供特邀报告通知书和会议论文集的封面、目录页、正文权属页的复印件。

3、提供研究成果*材料的复印件，如:科学技术鉴定*书、奖励*书、专利*书的复印件等。装订顺序须与研究成果目录中的排序一致。

4、研究者认为有必要提供的其他*材料。

篇三:科研结题报告范文

六、学校科研管理部门意见

• 参考译文: 淮海一粟, , ; 刘恒江,

本教程用于引导学生运行蛋白质的分子动力学(MD)模拟. 如果待研究蛋白不包含非标准氨基酸残基, 教程所用的流程可作为研究蛋白的一个良好起点. 完成本教程后, 学生应该能够知晓设置和运行模拟所涉及的步骤, 以及在不同模拟阶段应如何选择. 此外, 学生还应该知道如何对模拟结果进行核查以保证模拟质量, 并了解可以使用哪些分析方法, 哪些分析方法更适合自己的需要.

本教程的目的在于考察一段小肽结合到其蛋白受体时, 生物分子相互识别的两种机理–构象选择以及诱导匹配–所具有的不同贡献. 完成本教程后, 学生应该能够:

• 使用GROMACS设置和运行蛋白的MD模拟.

• 对模拟结果进行质量核查并分析

• 对从多肽的不同构象开始的不同模拟, 比较结果

• 对手头的体系能够得出一些理论上的考虑

大多数教程都是使用终端或控制台应用程序完成的, 因为我们用于准备和进行模拟的程序没有图形化界面. 为了便于了解这种新的运行环境, 我们准备了一份简单的帮助文档, 以便让你熟悉在Linux环境下”生存”所需的基本命令. 点击下载此文件.

Linux下的所有命令都需要小心输入, 因为shell(负责解析命令的程序)是区分大小写的. 另一经常发生的错误是将数字0当成了大写字母O, 小写字母l当成了数字1, 或者反过来. 你可以简单地复制粘贴这些命令: 先使用鼠标选中它们, 然后在需要输入的地方按下鼠标中键(Linux模式, Windows下未必可行). 首先来试试下面的命令:

这会列出你的当前用户名. 请确保你不是以root用户登录.

上面的命令列出当前工作目录下的所有文件和文件夹. 当遇到file not found之类的错误时, 可以使用这个命令来检查.

这个命令给出当前目录的完整路径.

此命令展示了如何更换目录.

2. 蛋白-多肽相互作用

在决定细胞命运的大量蛋白-蛋白相互作用中, 多肽起着关键作用, 并占了大约40%的比例. 从辅激活剂到抑制剂, 它们在许多信号和识别途径中都有涉及, 并且已经被证实与大量蛋白结构域存在相互作用, 例如, MHC, SH3和PDZ结构域就是由于其多肽亲和能力而知名. 由于功能的多样性以及间接参与的许多生物途径的重要性, 使得多它们与许多疾病相联系. 药物设计中的一个领域就专门研究多肽并用于治疗各种疾病. 与小分子抑制剂相比, 多肽的优点在于可以模拟蛋白结合的结构域, 并且自身足够大能竞争性地抑制蛋白蛋白相互作用. 许多药物先导分子就包含抗菌多肽.

尽管科学家们收集了蛋白多肽相互作用的大量数据, 确定它们形成的复合物的结构仍然是个挑战. 这主要源于两个障碍, 多肽柔性极高, 并且与其底物的相互作用很弱, 这突出了它们在信号传导或调节中的重要性, 因为这些功能通常依赖于瞬态过程. 这些障碍使得实验结构测定并不简单, 需要借助额外的计算方法如生物分子对接才能完成. 从建模的角度看, 常规的用于蛋白-配体或者蛋白-蛋白对接的算法也经常受到柔性问题的困扰.

解决柔性问题的一个途径是进行分子动力学模拟, 对多肽的构象空间进行采样, 收集具有代表性的构象, 并用于预测它们与蛋白受体的相互作用.

3. 生物分子的识别机理

上个世纪人们提出了一些理论来解释分子的识别过程. 在这些理论中, 构象选择 和 诱导匹配 机理在过去的50年中得到了大致相同多的支持. 构象选择假定, 在配体不存在的情况下, 蛋白处于多种离散构象状态的平衡中, 其中包括倾向与配体结合的那个构象. 这一概念与诱导匹配理论相反, 后一理论起初引入用于描述酶的活性, 认为构象匹配是由与底物的结合导致的.

在本教程中, 我们要考察这一两难问题–诱导匹配和/或构象选择, 方法是使用不同初始构象的分子动力学模拟对多肽的构象空间进行采样. 我们将不同的轨迹与实验确定的多肽在与其蛋白受体形成的复合物中的构象(结合构象)进行比较, 并检查这一构象在MD过程中是否出现, 这样就能验证构象选择理论.

经典分子动力学模拟从定义好的构型开始, 使用牛顿运动方程来计算粒子的轨迹. 对于体系中的每一粒子, 所受的合力根据它与其他粒子的相互作用来计算, 这些相互作用以力场进行描述. 力除以粒子的质量为加速度, 再加上粒子以前的位置和速度, 就决定了一小段时间步长之后粒子的新位置. 高的时间和空间分辨率使得MD模拟在测试基于实验数据的模型, 理解功能背后的原理并形成新的假说时非常有用. 不幸的是, 模拟体系的大小以及时间尺度存在限制.

本教程使用进行MD模拟和分析, 它是一个可以免费获取程序包, 遵循GNU GPL(General Public License). GROMACS程序只有命令行界面, 这意味着每一步运行都要键入程序的名称及其选项. 注意命令是区分大小写的, 每一命令键入时都必须精确地与教程一致, 关于GROMACS的更多信息以及手册请见其官方网站. (提示: MPI并行版本的GROMACS可以在多个节点(集群中的机器)上分配任务从而提高性能, 对单机而言MPI并不能提高性能, 因为GROMACS可以自动使用单个机器的多个核心)

由于程序只有命令行界面, 因此我们必须使用终端. 尽管在Windows环境下借助DOS终端也可以运行GROMACS, 使用Linux有一些优点, 这也是本教程的选择. 对一些学生来说, 从Windows转到Linux或许会感到别扭, 因为他们已经更习惯了Windows提供的界面. 重要的一点是记住, Linux并非Windows的免费克隆品, 而是一个功能强大, 高度可定制化的操作系统, 能够使你的计算机发挥更大的威力. 从Windowa转到Linux有时会被描述成. 开始使用Linux终端时, 需要知道一些最基本的命令(ls, cd, mkdir,

默认情况下, 你的系统已经正确设置好了.

你可以使用gmx luck命令测试GROMACS是否正确安装. 幸运的话, 你会得到一句引言. 这说明你的GROMACS已经正确安装好了.

在进行其他操作之前, 必须要获得初始结构. 结合构象可以从获取, 它是一个蛋白三维结构的数据仓库, 根据每个蛋白的登记号(如1klu)搜索蛋白(提示: 你可以使用命令下载文件: wget

蛋白数据库的页面, 除了提供结构的坐标文件(pdb文件)外, 也包含了分子体系的一些有用信息, 如所有分子的一级序列, 二级结构的指认, 长度, 生物功能等. 花些时间来浏览页面, 收集待研究分子的尽可能多的信息.

为开始教程, 根据多肽的PDB号下载相应的结构, 并记下下列信息:

• 确定结构的实验方法及其分辨率

• 多肽的一级结构(氨基酸序列)

• 多肽的来源: 天然蛋白还是大蛋白的一部分?

首先使用分子查看软件来看看分子的结构, 我们建议使用PyMOL. 可使用下面的PyMOL命令来载入结构

执行上面的命令后, PyMOL会启动, 在一个窗口中使用线形模式来显示分子, 并在主窗口的右面列出各个对象, 这些对象可以通过点击其名称来移除. 每个对象名称的后面是菜单, 用于更改显示模式. 试着使用卡通模式来显示结构. 对那些习惯使用键盘的人(我们强烈建议你也使用这种方式), 可以通过在窗口中键入下面的命令来达到目的

使用上一步骤中收集到的信息, 通过键入下面的命令来选择包含多肽的pdb链

然后抽取多肽链保存到另一个对象

计算并显示蛋白的溶剂可及表面

对蛋白表面和多肽使用两种可区分的颜色进行着色

选择处于多肽5埃之内的所有蛋白残基进行着色, 这构成了蛋白-多肽的界面

如果对显示结果满意, 你可以进一步使用ray命令改善显示结果, 并使用png filename命令保存图片.

使用下面的命令记下在PyMOL中显示的结合多肽的氨基酸序列

比较PyMOL显示的序列和蛋白数据库给出的序列, 二者是否相同? 为什么?

PyMOL也可以用于生成多肽的初始构象. 默认情况下, 你可以使用Build菜单, 选择构象和需要增加的残基. 此外, 我们提供了一个脚本build_seq, 可以对给定的氨基酸序列生成相应的理想构象. 这个脚本可能很有用, 因为对于一些多肽构象, 如聚脯氨酸II, PyMOL并不知道所需要的phi/psi角度组合. 你可以通过在窗口中键入下面的命令来获知如何使用这个脚本

使用这个脚本生成多肽的三个不同构象, 我们在教程中要使用它们, 所以要给它们指定不同的名字, 将下面命令中的XXXXXX替换为结合多肽的序列(PyMOL中有显示)

使用卡通模式显示新创建的多肽

使用align命令在空间中对齐并叠合不同的构象, 查看它们的差异程度有多大

对齐与叠合计算会返回原子位置的根均方偏差(RMSD), 它定量地表征了不同构象的结构异同. 请记下每个align命令给出的RMSD值.

最后, 使用save命令保存构象, 类似下面保存螺旋多肽的命令

得到的pdb文件可以用于开始准备模拟.

现在使用命令quit退出PyMOL. 正如你注意到的, 绘制结构必需的所有信息都保存在.pdb文件中. 你可以使用gedit来查看pdb文件, 并试着理解这种文件格式.

pdb文件包含了很多涉及蛋白, 用于确定结构的实验方法和条件等的信息. PDB数据库网页实际就是将这些信息展示给你的. pdb文件中也包含了每一个原子的直角坐标. 注意, pdb文件中一般不包含成键连接信息, 而PyMOL像大多数分子查看软件一样绘制了原子之间的成键, 这些成键是自动根据原子间的距离来确定的.

结合态多肽的pdb文件和你自己使用build_seq生成的有什么不同(如氢原子)?

为你的结构创建一个目录. 由于最后需要将结果合并起来, 最好通过组合PDB标识(如peptide_bound, peptide_helix等)和个人标识指定明确且唯一的目录名称. 将结构文件复制到目录中并切换目录. 举例来说,

请仔细阅读教程, 并检查在每一步是否成功完成. 请细心阅读程序输出!!! 如果程序给出错误信息, 这些信息通常是自明, 容易理解. 检查文件类型和程序输出以理解每一步的过程. 大多数文件是可读的, 除了扩展名为.tpr, .xtc, .trr和.edr的文件

分子动力学(MD)模拟包含三个步骤: 首先, 必须准备好输入数据(模拟体系); 其次, 必须对准备好的体系运行成品模拟; 最后, 必须分析模拟结果并将其置于相关背景中. 尽管第二步是计算中最耗时的部分, 一些模拟常需要运行几个月, 实际上最费劲的步骤在于模拟体系的准备和模拟结果的分析. 本教程的这一部分提供准备蛋白MD模拟, 运行, 分析结果的一个示例.

本教程使用 5.1.4版本, 大多数命令来自这一程序. 所采用的更通用, 也可以用于其他MD程序. 每一步骤会使用一个有输入和输出的节点示意地表示出来. 一个步骤可以是执行单个程序, 也可以是几个程序的组合, 其中一个的输出作为另一个的输入. 在单个程序的情况下, 会指定输入/输出类型和控制选项. 对大多数程序/步骤, 只会列出使用的输入/输出选项. 大多数程序提供了更多高级控制选项, 这里不再细述. 如果你有兴趣, 可以参看每个程序的帮助页面, 里面给出了程序功能的完整列表和说明. 这些帮助页面可以使用程序的-h选项来显示. 在工作流程中, 程序以黄色背景上的名称来标识, 输入/输出数据以绿色背景上的描述性名称标识, 蓝色块表示输入数据, 基本不依赖于待研究的结构. 橙色块是包含多个步骤及相关程序的过程. 在这种表示方法中, 橙色块单独用于表示模拟步骤, 在下面会详细解释. 数据到过程的连接线, 每一程序输入或输出的命令行选项使用黑色背景上的白色标识.

准备模拟体系是MD中最重要的步骤. 执行MD模拟可以在原子尺度洞察动力学的过程, 用于理解实验观察到的现象, 验证理论假说, 或者为一个有待实验验证的新假说提供基础. 然而, 对于上述各种情形, 设计的模拟必须适合目的, 要根据实际情况对模拟过程进行设计, 这意味着设置模拟的时候必须十分小心.

缺失残基/侧链/原子, 非标准基团

本教程我们模拟的是多肽. 整个过程的首要步骤是选择初始结构, 如前面所说. 然后就要检查这个结构是否缺失残基和原子, 这些残基和原子模拟时必须考虑, 因此必须想办法补充完整. 从pdb库下载的文件中会列出缺失的残基和原子. 由于本教程不涉及蛋白建模, 因此所用的初始结构是完整的, 不存在缺失, 因此无需进一步处理.

另一个需要注意的问题是, pdb结构文件中可能包含非标准残基, 修饰过的残基, 溶剂分子或者配体. 这些基团没有力场参数可用. 如果存在这样的基团, 要么除去它们, 要么补充它们的力场参数, 这牵涉到MD的高级课题. 本教程假定结构不含这类基团, 只包含天然氨基酸.

最后, 一些晶体散射数据的分辨率足够高, 能够在密度网格中区分水分子. 通常这些水分子只以氧原子表示, 在开始准备步骤前必须去除它们, 除非出于特殊目的要保留它们. 对本教程的多肽不需要考虑这种情况.

幸运的是, 大多数的这些”问题”分子在PDB文件中都被标识为杂原子(HETATM), 这样可以使用sed命令轻松地移除它们

对结构文件进行进一步检查以了解其质量是一个好习惯. 例如, 在晶体结构解析的精修过程中, 谷氨酰胺和天冬酰胺的酰胺基团的取向可能不正确; 组氨酸残基的质子化状态和侧链取向也可能存在问题. 列出了与蛋白有机氨基酸最相关的化学性质, 可做参考. 为了进行正确的结构验证, 可以利用一些程序和服务(如WHATIF). 本教程假定所用结构对模拟目的而言足够好, 不存在问题, 可直接用于准备体系.

一个分子可由各个原子的坐标, 成键和非键相互作用的描述来定义. 由于从PDB文件获得的结构只含有原子坐标, 我们首先必须构建拓扑, 它给出了原子类型, 电荷, 成键情况等信息. 拓扑对应着某一特定的力场, 选择使用何种力场是一个值得仔细考虑的问题. 这里我们使用AMBER99sb-ILDN全原子力场, 它被广泛用于采样和折叠模拟的研究.

拓扑与结构的匹配很重要, 这意味着结构数据也需要根据所用力场进行转换. 可以使用pdb2gmx程序转换结构并建立拓扑数据. 该程序可以构建分子的拓扑, 前提是这些分子由特定的构建单元(如氨基酸)组成. pdb2gmx使用构建单元的数据库进行转换, 对于数据库中没有的分子或残基, 程序无法识别, 转换过程会失败. 使用-ter选项后GROMACS会提示分子的末端变化, 合适的选择应该能够正确地表示体系. 在本教程中, 这取决于多肽是一个更大蛋白的片段(非带电末端)还是一个完整的分子(末端带电).

注意, 你可以使用下面的命令将gro文件和pdb文件进行互换

仔细阅读屏幕输出的提示, 并检查组氨酸质子化状态所做的选择, 注意蛋白质的总电荷数. 也要浏览输入结构的文件(protein.pdb)和输出的结构文件(protein.gro, GROMACS格式). 注意两种格式的区别. 最后浏览拓扑文件及其结构.

记下转换前后原子数目的区别, 解释为什么. 选择拓扑文件中的一个氨基酸残基, 列出其中的每个原子及其类型, 电荷.

在对体系进行能量最小化前, 需要选定模拟体系的大致外形(空间排布方式). 大多数常见的模拟都是在周期性边界条件(PBC, periodic boundary conditions )下进行的, 这意味着要定义一个单位晶胞, 它可以填充堆积整个空间. 这样就可以模拟一个无限, 周期性的体系, 避免了由于模拟盒子的墙壁导致的边界效应. 只有少数几个通用形状可用于设置PBC. 我们将使用盒子, 因为它对应于球的最佳堆积, 因此对自由旋转的分子是最佳选择. 为避免周期映像之间的直接相互作用, 我们设置多肽和盒子边界之间的最小距离为1.2 nm, 这样两个相邻的堆积盒子的距离就会大于2.4

4. 结构的能量最小化(真空中)

现在, 一个适合所选力场并且格式正确的结构文件已经建好了, 同时还得到了相应的拓扑和盒子. 然而, 由于结构转换中, 牵涉到氢原子的删除和添加, 这可能会导致局部有些过大的应力, 比如因两个原子的位置太接近而引起的作用力. 因此我们必须对结构进行能量最小化, 使其松弛一点. 这其实就是一个, 包括两个过程: 第一步, 结构和拓扑同时还有一些控制参数被整合在一起, 形成描述整个体系的单个文件. 这个过程会生成一个运行输入文件, 该文件可以作为唯一的输入文件, 用于第二步动力学模拟的mdrun程序. 把这个过程分为两步的好处是, 运行输入文件可以传送到专门的(高性能)计算机网络或者超级计算机, 并在那里完成模拟计算. 然而, 一般只在成品模拟中才会这么做.

为了执行这些步骤, 需要用到一个.mdp参数文件, 将该 保存到自己的工作目录下. 该文件包含一些能量最小化的控制参数, 请查看其中的内容. 注意, 文件中以integrator开始的行指定了所用的算法. 本例中, 指定采用最速下降法进行1000步能量最小化. 现在, 用以下命令整合结构和拓扑文件以及一些控制参数:

grompp程序将会提示此体系的净电荷不为零, 还会输出一些与体系和控制参数有关的其他信息. 该程序也会产生一个额外的输出文件(mdout.mdp), 里面包含所有控制参数的设置. 下一步, 运行mdrun

由于只有3150个原子, 能量最小化很快就完成了. 使用选项-v会将每步的势能和最大受力打印出来, 以便于跟踪能量最小化过程. -deffnm选项设定了所有输出文件的默认文件名, 避免了对每个输出文件进行命名, 从而减少了需要设置的选项. 现在, 结构弛豫好了, 我们该添加溶剂了.

使用了什么方法进行能量最小化? 参数文件中指定了多少步, 实际使用了多少步进行能量最小化? 什么原因致使能量最小化在指定步之前停止? 体系最终的势能为多少? 使用PyMOL载入能量最小化之前和之后的结构, 并进行比较.

现在单位晶胞已经设定好了, 结构也优化好了, 我们可以添加溶剂了. 有好几种溶剂模型, 每种模型多少都与某一力场密切相关. Amber99SB力场通常使用TIP3P水分子模型, 这个模型你已经在前面选择过了. 添加溶剂不需要拓扑, 但可能需要更新拓扑, 在其中添加溶剂. 使用以下命令向盒子中添加TIP3P溶剂:

看看protein.top文件的结束部分, 其中有添加溶剂的内容, 检查添加的溶剂分子的数目.

向体系中添加了多少水分子, 对应的体积多大? 体系中现在有多少原子?

执行命令后, PyMOL会绘制一个线框来显示三斜晶胞盒子的边界. 可能看起来不太明显, 但这个三斜形状对应于菱形十二面体. 另一个值得注意的事情是, 并非所有的溶剂都处于盒子内, 但都以长方体块状排布. 有时, 蛋白质也会部分地伸出水外面.

蛋白伸出水面外部为什么不是问题?

6. 添加离子: 抗衡电荷和浓度

目前我们已经有了溶剂化的蛋白质, 但体系仍存在净电荷. 为了使体系呈电中性, 我们必须添加一定数目的抗衡离子. 此外, 添加一定浓度的离子, 可认为是一个好的做法. 程序genion能完成这些任务, 但它需要一个运行输入文件作为输入文件, 即一个包含了结构和拓扑的文件. 就像前面一样, 我们可以使用grompp来生成这样的文件. 下载,

并指定必须加入超量的某一特定种类的离子以使体系呈电中性(-neutral). genion程序会询问用离子取代何种分子, 选择SOL组.

注意: 为中和体系电荷而添加的离子的数量. 通过将一些水分子替换为离子, 体系的拓扑文件protein.top不再正确. 你可以修改拓扑文件, 减少溶剂分子的数目, 同时在文件的最后一部分(molecules)中SOL的后面增加一行, 指定添加的NA离子的数目, 并再增加另一行指明CL离子的数目. genion也提供了一个-p选项能够自动更新拓扑文件, 更方便.

向体系中添加了多少钠离子和氯离子?

7. 溶剂化体系的能量最小化

到此为止, 整个模拟系统已经准备好了. 在开始成品模拟前, 唯一要做的是对体系再次进行受控的弛豫. 由于添加溶剂以及替换离子, 可能会产生不利的相互作用, 例如, 原子间的重叠, 同种电荷太接近等, 因此需要对体系再次进行能量最小化, 其步骤与前面相同: 先运行grompp, 再运行mdrun:

参数文件中指定了多少步, 优化过程进行了多少步? 体系最终的势能多大?

8. 溶剂和氢原子位置的弛豫: 位置限制MD

为了耗散掉体系的最大应力, 我们使溶剂分子适应蛋白, 即, 我们允许溶剂自由移动, 而将蛋白的非氢原子或多或少地固定在参考位置. 这么做的目的是为了确保溶剂的构象”匹配”蛋白质. 这一步骤是第一个真正的MD步骤, 控制参数在中. 浏览这个文件, 注意integrator行和define行. 后者用于控制拓扑文件的内容: define = -DPOSRES将定义全局关键字POSRES. 查看拓扑文件最后的内容, 理解位置限制是如何打开的.

也要注意, 我们开始引入温度并对体系进行热浴耦合. 换句话说, 体系将在打开温度耦合的情况下运行一小段时间, 让体系弛豫到一个新的状态. 为此, 我们为粒子赋予了速度, 这是通过参数gen_vel来控制的, 并在下一行设定了速度分布(Maxwell分布)的温度和随机数生成器的种子(gen_seed). gen_seed被设为-1, 但应该更改为另外的值(提示: 可以使用命令更改, 如sed -i /^gen_seed/s/-1/设定值/ npt.mdp). MD模拟是最重要的一步, 所以每次都以相同的坐标, 速度和相同的参数开始模拟时, 就会导致模拟结果一模一样, 这不是我们所希望的.

查看上面提供的mdp文件, 你使用哪个温度模拟体系? 选择这一特定温度的原因何在?

编辑完参数文件后, 使用grompp和mdrun程序来准备和运行模拟:

为什么我们建议你修改随机数种子的值而不是使用自动生成的随机种子(默认值-1)? 模拟长度是多少ps? 在拓扑文件中位置限制是如何包含进去的? 有两个分别耦合到热浴的组, 它们是哪些组, 每个组中包含哪些粒子?

看看总能量, 势能和动能的变化会很有趣. 在前一步, 粒子没有速度, 所以没有动能, 因此也没有温度. 现在, 模拟一开始, 原子就被赋予速度因此获得了动能.

模拟过程中的能量信息被保存在不可读的(二进制)文件中, 其扩展名为.edr. 该文件中的信息可用gmx energy命令提取. 绘制体系的温度, 势能, 动能和总能量随时间变化的图.

运行上面的命令后, 会提示你一系列能量项以供选择, 所选能量项的结果将会被写入指定的输出文件中. 输入与温度, 势能, 动能和总能量相对应的数字, 最后输入0(零), 回车. (提示: 你可以通过使用管道(|)自动选择某些项, 例如echo 10 11 12 14 0 | gmx energy ...,

输出文件(.xvg)可以用xmgr或xmgrace程序查看, 这些程序需要预先安装好. 也可以用我们提供的Python查看, 它能在终端窗口上显示出基于字符的图形.

注意: 绿色曲线是总能量, 黑色是势能, 蓝色是温度, 红色是动能. 你也可以点击曲线并填写Legend窗口以改变图例. 别忘了点击accept以接受改变.

温度如何变化? 势能/动能/总能量如何变化, 如何解释?

9. 放开限制: 第二次预平衡

预平衡常常分为两个阶段, 第一个阶段使用NVT系综(粒子数, 体积, 温度恒定), 这一系综通常也称为等温等容系综或正则系综. 这一预平衡过程所需的时间步数取决于体系的性质, 但在NVT中, 体系的温度应该会在需要的值附近达到一个平台. 如果温度没有稳定. 就需要延长模拟时间. 作为示例, 我们在前面已经进行了这一步骤, 现在就进行下一步骤.

前面的NVT预平衡, 稳定了体系的温度. 在进行数据收集前, 我们也必须稳定体系的压力(因此也包括稳定密度). 压力平衡在NPT系综下进行, 这一系综的粒子数, 压力和温度保持不变, 也被称为等温等压系综, 最能代表实验条件. 现在开始慢慢放开限制, 让体系弛豫到新的状态. 下载参数控制, 看看其中的压力耦合参数.

查看控制参数文件, 找到控制压力耦合的参数.

运行结束后, 再次查看一下能量和温度. 使用前面的方法抽取它们. 数据提取方法同前:

温度如何变化? 势能/动能/总能量如何变化, 如何解释?

现在开始重复相同的平衡模拟, 并逐步放开限制

10. 非限制性MD模拟: 最后一步预平衡

完成两个阶段的预平衡后, 体系在需要的压力与温度下平衡好了. 我们现在可以放开位置限制运行成品模拟以收集数据了. 过程与前面的类似, 因为我们要将检查点文件(在这种情况下它包含了压力耦合的信息)用于grompp. 下载.

运行结束后, 再次查看一下能量和温度, 同时注意观察压力变化. 使用前面的方法抽取它们. 数据提取方法同前:

看看能量, 温度和压力的变化曲线.

温度如何变化? 压力如何变化?

最后一个问题与如何从有限数量的粒子系统中提取热力学性质直接有关. 粗略地说, 热力学指的是大量粒子(例如, 几十亿个而不是几千个)的行为. 对大量粒子的性质进行平均能够减少波动, 相反, 仅对少量粒子进行平均, 较大的波动无可避免.

由于我们引入了压力耦合, 体系的密度会发生变化. 从能量文件中提取密度数据, 方法如下:

体系密度随时间如何变化? 如果打开压力耦合, 体系的密度为什么会变化?

终于到了最后一步. 我们已经得到了或多或少平衡好的溶剂化体系, 其中包含我们感兴趣的蛋白质, 所以该进行成品模拟了. 记住, 成品模拟并不表示整个模拟都可以用来分析感兴趣的性质. 虽然已经消除了初始构象的一些影响, 体系还不太可能已经达到平衡状态. 在分析阶段, 我们会检查模拟的哪一部分可以认为处于平衡状态, 适合用于进一步处理分析. 但首先需要设定运行参数. 这里只需要运行另一个模拟步骤, 类似于准备体系的最后一步. 然而, 这一步也是另一处需要考虑模拟目的的地方, 所以应当选择能满足待分析性质的有关控制参数. 可考虑以下问题:

• 研究的问题在什么时间尺度上发生? 或者, 模拟需要运行多长时间?

• 需要多少帧轨迹? 或者时间分辨率取多少?

• 需不需要保存粒子的速度?

• 是否需要输出所有原子的数据, 还是只需要蛋白质的坐标数据?

• 每隔多久记录一次能量文件和日志文件?

• 每隔多久记录一次坐标和速度的检查点文件?

我们将运行50纳秒的模拟. 下载控制参数, 先查看其中的内容.

为了完成50纳秒的模拟, 需要多少步?

你必须编辑参数文件, 指定运行步数使得总模拟时间为50 ns. 然后使用grompp命令将最终的结构文件和准备步骤中得到的拓扑文件合并为一个运行输入文件.

虽然运行输入文件是二进制格式, 我们还是可以查看其内容. 在某些情况下, 模拟会发生一些意外, 这可能与内部控制和力场参数有关. 在这种情况下, 查看运行输入文件尤为有用. gmx dump程序可以将运行输入文件转换为可读格式. 转换后的内容可能会有很多页, 因此建议将其重定向到一个文件中, 或使用more或less命令分屏显示文件. 输入以下命令查看运行输入文件的内容(注意, 在实际操作时, 需要把文件名protein_md.tpr替换为运行grompp后所得到的文件名):

模拟结束后就可以进行数据分析了. 这是一个重要的过程, 包括三个阶段. 首先, 有必要进行一些标准的检查, 以便对模拟质量进行评估. 如果评估结果表明模拟良好, 就可以对每个模拟进行分析, 回答预设的研究问题了. 最后, 来自不同模拟的结果可以综合起来.

注: 文件名应当能反映文件的内容, 根据模拟体系的不同而不同. 这里我们假定使用默认的文件名, 这意味着会有以下文件:

• topol.tpr: 运行输入文件, 包含模拟开始时体系的完整描述

• confout.gro: 结构文件, 包含最后一步的坐标和速度

• traj.trr: 全精度轨迹, 包括随时间变化的位置, 速度和力

• ener.edr: 随时间变化的有关能量数据

• md.log: 模拟过程的日志, 包含模拟过程中的信息

另外, 许多分析工具都能生成.xvg格式的文件. 这些文件能用xmgr或xmgrace程序查看, 也可用Python在终端以字符形式显示.

在进行其他分析之前, 必须确认模拟正常结束. 有许多原因可能导致模拟中断, 特别是涉及力场或体系平衡不充分的问题, 要检查模拟是否正常结束, 可以使用gmx check程序

确认模拟运行了50纳秒.

轨迹文件中有多少帧, 时间分辨率为多少?

模拟信息的另一个重要来源是是日志文件. 在md.log的结束部分给出了模拟过程的统计数据, 包括CPU和内存资源的使用情况以及模拟时间. 查看日志文件的结束部分. 如果你使用less, 可以按住G(shift-g)来略过前面部分, 跳到文件结束. (提示:

模拟实际运行了多少时间(小时), 模拟速度为多少(ns/day)? 要模拟1 s需要多少年? 势能的哪部分贡献消耗量大部分计算时间?

现在是有趣的部分, 尽管多数分析都归结为从轨迹文件中提取图像, MD当然最重要是的体系的运动. 我们要看看轨迹.

首先使用GROMACS提供的查看器ngmx来看看. 虽然该程序的完善程度和视觉效果不及其他查看软件, 但它能够根据拓扑文件的信息绘制成键. 其他查看软件可能隐含长程键, 导致这些键被认为太长而不画出, 或者会在非常接近的原子之间画出键. 这是对模拟结果分析的一个常见错误. 使用ngmx载入拓扑和轨迹文件:

看看程序菜单, 试试不同的选项. 播放动画. 观看过程. 通过右边的选项控制. 右击或左击选择选项来改变查看.

为了可视化轨迹, 我们将从轨迹中抽取1000帧(-dt 50), 并去除水分子(当提示选择时, 选择蛋白Protein). 此外, 我们还要消除跨过盒子边界的跳跃形成连续轨迹(-pbc nojump). 要处理这些事情, 我们使用瑞士军刀般的GROMACS工具trjconv, 它有1001个可能的组合选项. 我们使用它输出一个多模型的pdb文件, 用于PyMOL可视化.

在PyMOL中载入轨迹

载入所有帧后, 播放动画

当播放动画时, 所有其他控制仍可以工作. 你可以使用鼠标旋转或缩放体系, 也可以改变分子的表示模式.

如果多肽扩散超过盒子边界, 会发生什么?

如果一切正常的话, 现在你可以看到多肽的扩散, 翻转和扭动. 但我们对内部运动更感兴趣, 而不是整体行为. 在PyMOL中, 你可以使用命令intra_fit将轨迹中的所有其他帧与第一帧对齐, 随后, 你可以使用orient命令设定聚焦点在多肽上

现在所有帧都已经叠合好了, 你可以看到多肽的一些部分比另一些部分运动得更剧烈, 这种运动的差异在后面会进行定量化分析.

当然, 使用卡通模式表示多肽显示效果会更好:

上面的命令会将碳骨架表示为粗管状, 而无法显示正确的二级结构元素, 因为.pdb文件中没有二级结构信息. PyMOL能够计算蛋白的二级结构, 但只计算一帧, 然后将结果应用到所有的帧. 例如, 下述命令可以计算第一帧的二级结构:

通过指定状态编号, 可以改变要计算的帧

最后, 让我们同时查看所有帧, 检查多肽的柔性和刚性区域

请随便摆弄PyMOL. 试着放大柔性或刚性区域, 并检查侧链的构象. 请使用ray和png命令制作图像, 即使浪费点(CPU)时间也不要紧(提示: 将场景输出为POV-Ray格式, 得到的图像可能更酷). 但记住, 如果图像的场景太过复杂, 可能会导致PyMOL的内置光线追踪器崩溃, 这种情况下, 你可以直接使用png保存屏幕上的图像.

如果有足够的机时, 你可以考虑制作一段不错的动画. 你可能已经注意到了, 轨迹的噪声很大. 这基本上是热噪声, 因此只是蛋白正常行为的一部分, 但这些噪声对制作好的动画会有影响. 我们可以滤除这些高频的运动, 只保留更慢更平滑的整体运动. 为此, 可以使用filter命令:

退出PyMOL(quit), 检查目录下的文件(ls), 你会发现多了好些文件, 包括250张图片. 以每秒30帧的速度, 这些图片可以制作大约8秒的动画. 下载和参数, 用它来生成单帧图像的动画(你可能需要编辑参数文件来改变文件名):

对轨迹进行了最初的可视化检查后, 该对模拟质量进行一些更彻底的检查了. 质量保证(QA)包括对一些热力学参数收敛程度的测试, 如温度, 压力, 势能和动能等. 更常用的含义, QA试图评价模拟是否达到平衡. 通过起始结构和平均结构的均方根偏差(RSMD)也可以对结构的收敛性进行检查. 接下来必须检查相邻周期性映像之间没有相互作用, 因为这种相互作用会导致一些非物理效应. 最后一步QA测试是计算原子的均方根波动, 并与晶体学数据的b因子进行比较.

我们首先从能量文件中提取一些热力学数据, 包括温度, 压力, 势能, 动能, 晶胞体积, 密度以及盒子大小等. 这些量中的大多数已经在前面的准备步骤阶段检查过了. 能量分析使用energy命令进行, 该程序读入能量文件, 也就是模拟过程中生成的扩展名为.edr的文件. energy命令会提示需要从能量文件中抽取哪些项, 并为其生成一个图形. 使用下面的命令

执行命令后将列出一系列存储在.edr文件中的能量以及相关项. 本教程的能量文件中可能含有59项, 每一项都可以抽取并作图. 最前面的9项对应于力场中的不同能量项, 44以上的项列出对蛋白Protein和非蛋白Non-Protein组划分后的结果, 包括二者之间的相互作用. 键入要提取的性质的序号并回车就可以得到相应的.xvg数据文件. 要抽取温度, 键入temperature 0或12 0并回车(也可不键入0, 但需要回车两次). 使用xmgrace查看下图形, 观察温度如何围绕设定值(310 K)上下波动.

也可以从热力学性质的涨落计算体系的. 为此, 除体系温度外, 还必须从.edr能量文件中抽取焓(NPT系综)或总能量Etot(NVT系综)的值. 进一步, 我们必须使用-nmol选项明确指定体系中的分子数目(你可以查看拓扑文件的最后部分获知体系中分子的总数). 这样energy就可以自动计算热容并在输出部分的最后报告这个值. 更多细节请参考手册D.29.

体系的平均温度和热容多少?

通过名称引用能量项可实现能量文件的自动处理. 使用echo和管道(|)可以将一个程序输出重定向为另一个程序的输入, 这样energy的选择可以自动完成. 要抽取多个项, 各项之间必须以\n分割, 复制粘贴或键入以下命令行来抽取其他项.

逐个查看这些文件, 观察对应数值的收敛情况. 如果有的数值没有收敛, 这意味着模拟还没有达到热力学平衡状态, 必须延长模拟时间才能进行进一步的分析. 此外, 达到平衡前的过程是不能用于分析的. 这里, 为简单起见, 我们忽略这些考虑, 直接使用模拟的结果进行分析.

energy.xvg和box.xvg文件中给出的是什么性质? 估计压力, 体积和密度的稳定值.

一些性质收敛慢, 达到平衡所需的时间长于另一些性质. 特别的, 温度很容易收敛而体系各部分间的相互作用可能收敛较慢. 这样会导致温度已经收敛到平衡值, 而体系不同部分之间的相互作用仍需要更长时间进行平衡. 查看多肽与溶剂之间的相互作用能:

3.2 周期性映像间的最小距离

质量保证中最重要的检查事项之一就是确保周期性映像之间没有直接的相互作用. 由于周期性映像是全同的, 其间的相互作用是物理上不应该发生的自相互作用, 会导致模拟结果不合理. 设想具有偶极矩的蛋白会有直接的相互作用. 那么同一蛋白处于盒子边界的两个末端之间就会产生吸引, 这将影响蛋白质的自身的行为并导致模拟结果不合理. 我们通过计算每一时刻周期性映像之间的最小距离来证实这种情况不会发生.

周期性映像之间的最小距离多大, 何时出现? 在你的模拟过程中, 用于长程非键作用的截断距离是多少? 根据这一距离, 两个周期性映像之间允许的最近距离多大? 当最小距离小于截断距离时, 哪一非键能量项受影响最大, 为什么? 如果最小距离小于截断距离, 会发生什么情况? 你的模拟中是否出现了这种情况? 选择C-alpha组重新运行mindist, 结果有变化么? 对你的体系而言, 这意味着什么?

要注意小距离事件是不时出现还是持续出现. 如果持续出现, 很可能影响蛋白的动力学; 如果只是偶尔出现, 那基本没有影响.

不仅直接相互作用需要担心, 非直接效应, 即以水为媒介的间接相互作用也可能引起问题. 例如, 蛋白可以导致水在离其最近的四个溶剂化层中出现有序性, 这大约对应于1 nm的距离. 理想情况下, 最小距离不应该小于2 nm.

取决于某(些)原子质量与分子重心的关系, 可用于表征蛋白质结构的密实度. 作为QA的一部分, 我们将计算回旋半径, 它给出了每一时刻分子形状的信息, 可以与实测得的水动力学半径相比. 可以使用gyrate计算回旋半径, 这一程序将会给出回旋半径的各个分量, 对应于惯性矩阵的本征值. 这意味着第一个单独的分量对应于分子的最长轴, 最后一个对应于最短轴. 实际上, 三个轴的值给出了分子形状的整体描述,

查看回旋半径及其分量, 注意这些值如何达到平衡值.

回旋半径收敛了么? 如果是, 什么时候收敛, 收敛值为多少? 不同多肽模拟给出的回旋半径其涨落行为是否类似, 为什么? 你能将回旋半径的涨落与周期性映像的最小距离联系起来么?

除了能量等性质, 也能够通过结构的变化和弛豫来考察模拟趋向平衡的收敛性. 通常, 这种弛豫仅仅使用结构到参考结构(如晶体结构)的欧几里德距离来衡量. 这一距离被称为均方根偏差(RMSD). 然而, 我们也建议再考察一下到平均结构的弛豫, 即相对于平均结构的RMSD, 个中原因将在下节说明. 但是要计算相对于平均结构的RMSD, 需要首先获得平均结构. 平均结构可以在计算时顺便获得.

RMSF计算每个原子相对于其平均位置的涨落, 表征了结构的变化对时间的平均, 给出了蛋白各个区域柔性的表征, 对应于晶体学中的b因子(温度因子). 通常, 我们预期RMSF和温度因子类似, 这可以用于考察模拟结果是否与晶体结构符合. RMSF(和平均结构)使用rmsf命令计算. -oq选项可以计算b因子, 并将其添加到参考结构中. 我们最关心的是每个残基的涨落, 这可使用选项-res设定.

使用xmgrace查看RMSF的图形, 区分柔性和刚性区域.

确定最柔性区域的起始和终止残基编号, 给出其最大振幅. 比较不同多肽构象的结果. 是否有区别? 如果是, 哪个构象柔性最大, 哪个构象柔性最小?

为了对这些结果获得关联性的印象, 这里有个人类朊蛋白质1qlz的RMSF, 图中标示出了会导致CJD疾病的突变残基.

将两个pdb文件载入PyMOL, 根据b因子对结构bfactors.pdb进行着色, 并确定柔性区域. 平均结构是非物理结构. 查看下其中的一些侧链, 注意观察平均对构象的影响.

颜色分布在b因子值的范围内, 其中蓝色表示最小值(最稳定), 红色表示最高值(波动最大). 你可以通过截断最大值来调整颜色范围, 例如将其设置为350:

如果你很好奇, 可以再次计算b因子, 但这次使用每个原子的值:

在当前的PyMOL中载入新生成的bfactors-atom.pdb文件, 这样可以直接将其与残基平均的b因子相比较. 如果需要, 不要忘了重新调整颜色范围.

比较和对照两个b因子的结构.

以下图像显示的是根据模拟计算得到人类野生型UbcH8蛋白的b因子着色图. 蓝色对应低值, 红色对应高值.白色区域表示目前已知的能够反转蛋白质相互作用特征的残基. 在图像右侧, 你可以看到那些在螺旋2的前后环区有较高的b因子.第二个图像是螺旋2的前环的放大显示.

当心! 由于你的多肽可能会跳出盒子外, 我们必须处理轨迹, 将粒子重新置于中心的周期性映像中. 为此, 可使用下面的命令:

由于计算RMSF时也得到了平均结构, 我们现在可以计算. RMSD通常用于表征结构到平衡态的收敛情况. 如前面所讲, RMSD是结构变化对原子总数的平均, 基本上是一个距离表征, 低的值最有意义. RMSD可以用rms命令计算, 此命令可以实现对不同时刻不同分组的原子进行结构平均. 首先计算所有多肽原子的RMSD, 使用初始结构作为参考结构

如果观察到了, 在什么时间RMSD达到平台期, 平衡值多少?

再次计算, 但只考虑骨架原子:

这次的RMSD值更低, 这是由于计算时排除了通常更柔性的侧链原子, 在两种情形下. 两个RMSD都应该增大到一个平台值, 这意味着相对于参考结构, 多肽的结构达到了一定的距离, 然后或多或少保持在那个距离. 然而, 随着距离的增加, 可能的构象数目也在增加, 这意味着尽管RMSD达到了一个平台值, 但结构可能仍在趋近于其平衡态. 为此, 我们建议同时也检查趋向于平均结构的收敛情况.

与前面得到的图像进行比较. 注意在哪一点RMSD值开始趋平.

简要讨论下两个(相对于起始结构与相对于平均结构)图像的区别, 哪一个更能表征收敛情况?

到从为止, 我们完成了分析的第一部分, 包括可视化考察和质量确保检查. 现在该深入一点, 发掘一下蛋白质内部的情况. 分析的第二部分包括可根据多肽构象计算的结构性质, 例如氢键数量, 溶剂可及表面或特定的原子-原子间距离等.

结构分析: 构象派生的性质

• 当提示选择时, 如果教程没有明确说明如何选择, 或者没有遵循教程自身的逻辑, 请选择蛋白Protein组.

确认模拟已经收敛到平衡态后, 就可以进行一些真正的分析了, 模拟数据的分析可以分为几种类型. 第一类包括对单个构象进行解释, 在每个时间点根据一些函数获得一个值或多个值. RMSD和回旋半径就是例子. 这样的性质, 可称为构象依赖或瞬时性质. 此外, 也可以在时域对过程进行分析, 例如, 通过对一段时间内的平均化得到(自)相关或涨落. 在本部分会进行一些常见的分析, 其中的每种分析都会得到直接由轨迹(随时间变化的坐标)导出的某个值的时间序列. 问题可以参考程序运行时的屏幕输出或图像.

氢键数目是一类信息丰富的性质, 无论是内部氢键(蛋白-蛋白)还是蛋白和周围溶剂之间的氢键. 氢键存在与否可以通过氢键施体-H-受体之间的距离和施体-H-受体之间角度来推断. hbond命令可计算模拟过程中分子间或组间的氢键数目以及氢键距离或角度的分布. 使用下面的命令, 然后查看得到的输出文件

讨论两种情形下氢键数目的关系, 每种情形下的氢键数目的波动情况.

特定的氢键可以使用包含待研究原子编号的索引文件来考察. 查看多肽前一半和后一半所涉及的氢键. 你必须看看confout.gro文件来检查残基编号并将多肽大致分为两半. 假定你的多肽含有14个残基, 其编号始于22终于35. 你想将它分为两部分, 22-28和29-35. 下面的第一个命令将在组选择菜单中创建两个新的条目, part_1和part_2. 第二个命令是一个使用索引文件运行hbond的通用命令. 你可能想要看看N端和C端之间的氢键, 例如, 可以用来监测β发卡的形成.

注意, 你必须根据自己的多肽替换上面命令中的数字.

根据氢键分析, 你的多肽在模拟过程中是否形成类似β发卡的构象?

判定蛋白结构的最常用参数是指定二级结构元素, 如α螺旋, β片层. 能提供这一信息的一个程序是dssp, 但前提是你的电脑已经安装了dssp程序. 此程序并不是GROMACS发行的一部分, 但能够从获得. 下载后请解压, 然后将环境变量DSSP设定为程序的路径, 如/home/student/dssp.

GROMACS提供了一个dssp的接口, 可以计算轨迹中每帧的二级结构.

首先, 需要生成消除跳跃的轨迹

secondary-structure.xvg文件包含一个时间序列, 列出了每帧中与每一二级结构类型相关的残基数目. 更多的细节在.xpm文件中, 它使用颜色编码了每个残基在一段时间内的二级结构. .xpm文件可以使用类似Gimp的程序查看, 但可以使用GROMACS工具xpm2ps添加一些有用的元数据, 得到的结果可以使用gview查看, 或转换为pdf后使用xpdf或evine查看.

讨论二级结构的变化, 如果有的话. 比较不同蛋白二级结构的稳定性.

蛋白质骨架的phi和psi扭转角是两个洞察蛋白质结构特性的有用参数. phi对psi的绘图称为拉氏图, 该图中某些特定区域反映了蛋白二级结构元素或氨基酸的特性, 而(这些区域之外的)其他区域被认为是禁阻的(不可到达). phi/psi随时间的变化可以体现出结构的转变. 这些角度可以通过rama程序进行计算, 尽管结果有些粗略, 因为程序将所有角度都输出到单一的文件中. 若想研究单个残基, 可通过Linux程序grep将其从图中选出来.

此文件中包含了全部氨基酸的所有phi/psi角. 要抽取某个残基的角度, 例如LEU-24, 可键入

抽取每个残基(除边界外)的拉氏图, 并用xmgrace对其进行可视化, 描述它们的主要相似性与差别.

根据拉氏图, 讨论每个残基的构象稳定性.

动力学和时间平均性质的分析

每组学生模拟了一个从不同构象开始的多肽, 这样做的目的在于增加采样, 或者增加模拟能够覆盖的结构空间. 为了对轨迹和多肽构象性质有一个完整的观点, 我们必须将轨迹拼合到一起.

由于大多数操作/计算在执行时都需要一个拓扑文件, 为避免使用哪个文件, 从那个轨迹开始之类的问题, 请从下载你的多肽文件. 这一文件包含了多肽分子位于原始蛋白-多肽复合物中的直角坐标. 你也可以使用这一结构来计算相对于结合结构的结构相似性. 下载pdb文件后, 你必须将其转换为GROMACS的坐标文件(.gro), 这是教程中第一步骤的重复操作. 别忘了选择合适的力场和水模型, 尽管后一选择对分析并无影响.

这样, 使用新生成的这个文件来创建索引文件, 这样我们可以进行更多的选择. 在这一步, 与前面不同, 我们不需要指定任何特定的残基组, 因此, 我们简单地推出程序(键入q)

现在我们可以对我们新生成的轨迹进行截断, 使用trjconv去除前10 ns. -b选项设定要创建的新xtc文件的开始时间, 单位为ps, 这意味着我们需要新文件从10 ps开始. -dt选项指定我们要保留的时间精度. 当提示选择时, 选择Protein来生成xtc文件.

为什么我们只分析最后40 ns的轨迹?

下面的命令会输出一个单一的.xtc文件, 其中包含以下列顺序排列的四个轨迹, bound-helix-polypro-extended. 这一顺序很重要因为后面要进行比较, 因此需要特别注意. -settime选项指定在拼合轨迹时使用连续的时间, 这意味着首帧时间为10 ns的第二个轨迹, 会恰好放在第一个轨迹的后面50 ns处. 如果你忘记了这个选项, 所拼合的轨迹具有重复的时间戳(即每一轨迹的原点都是10 ns). 我们要选择选项congtinue或c, 指示trjcat从前一轨迹的最后时间戳处开始新的轨迹.

我们在前面已经计算过RMSD, 并用其来检查模拟的收敛性, 但它也可以用于更进一步的分析. RMSD是两个结构之间的表征. 如果我们对轨迹文件中每一对结构的组合计算RMSD, 就可以看到是否有属于同一类型或具有相同特征的结构组. 属于同一组的结构其RMSD值较低, 而与其他组结构的RMSD值更高. 利用矩阵来表示RMSD值, 可以用于识别转变状态.

要建立RMSD矩阵, 可使用rms处理两条轨迹. 如果你要单独考虑组(簇)及其在不同轨迹之间的转变, 可以将所有的四条轨迹合并为一条, 再使用rms生成交叉RMSD矩阵. 所有的RMSD计算时, 选择主链组Mainchain.

得到的矩阵是灰阶图. 为了显示更清楚, 可以使用彩虹梯度图.

分析时为什么选择主链组? 你看到多少簇? 在不同的轨迹中, 你是否对相同构象进行了采样? 你是如何发现的? 什么是轨迹的重叠, 即对相同构象空间进行采样? 你能发现多少转变? 从这个分析你能得到什么结论? 这是你预期的结果么? 请证实你的观点.

基于结构间的距离RMSD, 可以将结构归并为反映构象可及性范围及其相对权重的一组组团簇. 这可以通过聚类算法来完成, cluster命令实现了一些聚类算法. 这一程序会生成好几个输出文件. 检查该程序的帮助文档, 了解每一个它们的含义, 然后运行程序. 注意, 我们已经计算了RMSD矩阵, 可以将它作为cluster的输入.

聚类算法使用的RMSD截断值为多大? 这一值代表什么, 如何影响得到的团簇数目? 共有多少团簇? 最大的两个其尺寸多大?

前两个团簇之间是否存在可觉察的差别?

采用RMSD比较结构的一个不足之处在于, 它包含了最小二乘叠合, 这会影响结果. 但是, 一个蛋白的结构也可以使用一系列的原子间距来表示. 这可以用于获得一个比较的表征量, 并且不依赖于叠合, 这就是距离RMSD(dRMSD). 可以利用rmsdist命令来计算dRMSD.

dRMSD何时收敛? 收敛值多大? 所得图像与标准RMSD相比有何区别? 查阅GROMACS手册, 看二者是如何计算的. 试着根据二者的计算方法解释你观察到的区别.

我们现在要回答构象采样的问题, 在我们的轨迹中, 我们是否对多肽的结合构象进行了采样? 为此, 我们要对多肽的结合构象再次运行rms. 我们可以使用合并的轨迹来进行这一分析, 而不是计算并生成四个不同的RMSD图形. 记住你生成的合并轨迹中构象的顺序, 这很重要. 当叠合计算RMSD值时, 选择主链Mainchain组.

如果在计算时我们包含整个蛋白(即所有原子), 而不是只选择主链Mainchain原子, 结果会有什么变化? RMSD和距离RMSD图形有区别么? 在不同轨迹中, 你是否对多肽的结合构象进行了采样? 对你研究的情况, 关于对蛋白多肽识别的构型采样假说你能得出什么结论?

本分析的最后一步是计算自由能形貌(FEL, free energy landscape), 它由不同多肽构象开始的轨迹采样所得. 除了看起来很酷以外, 它能显示出 在整个模拟过程中多肽所经历的自由能的谷和丘. 此外, 在对接计算中需要选择有代表性的结构时, FEL会变得更有意义.

FEL表示一个映射, 分子在模拟过程中所经历的所有可能构象到相应能量的映射. 典型的能量是Gibbs自由能. 正如你所想象的, 使用直角坐标来代表不同的构象是不合适的(你能想象4维形貌么?). 因此, FEL通常使用两个变量来表示, 它们反映了体系的特定性质, 并表征了构象变化. 例如你可以使用绕一根特定键的扭转角, 或分子的回旋半径, 或相对于天然状态的RMSD来作为这两个变量. 第三个变量是自由能, 可以从体系相对前面所选变量的分布(概率分布)来估计. 当使用三维表示时, 形貌图中的谷表示低自由能区域, 代表体系的亚稳定构象, 丘表示连接这些亚稳定状态的能量势垒.

FEL的计算可以使用GROMACS命令sham, 为了体验更好, 我们提供了一些额外的脚本将FEL载入Mathmatica(建议使用版本9), 并漂亮地显示出来. 此外, Mathmatica还可以用于识别形貌中的谷, 并确定哪些坐标匹配这些特定的状态. 利用这些信息可以追溯sham的输入, 用于提取轨迹中的时间帧, 进而得到代表性的结构.

我们将计算两个变量用于表示自由能. 为表示多肽的构象变化, 我们计算其回旋半径, 以及相对于平均结构的RMSD. 我们不使用天然状态, 因为那会破坏后面的对接模拟. 并且, 我们可以基于合并的轨迹计算这些变量. 计算FEL的一个前提是充分采样, 或者使用不同的初始速度重复进行长时间的模拟, 或者如在我们所做的, 从不同的构象开始进行模拟.

我们如何从MD轨迹中抽取代表性结构用于对接模拟? 给一个前面用来分析多肽构象变化的方法, 并说明这种方法可用于此目的.

因为FEL分析依赖于在多肽构象空间的充分采样, 并基于构象的分布进行Gibbs自由能估计, 我们需要准备新的轨迹文件(.xtc), 其中的帧数是我们到目前为止所用的十倍. 注意我们没有使用-dt选项. 对所有四条原始轨迹重复下面的步骤, 注意要更改名字.

使用和前面完全一样的做法合并高分辨率轨迹(当提示时间戳时选择c或continue)

现在我们需要生成FEL计算所需的数据. 先计算合并轨迹的回旋半径Rg, 方法如前:

为计算相对于平均结构的RMSD, 首先必须重新计算整条轨迹的平均结构. 再次使用rmsf命令生成平均结构(-ox选项), 然后使用平均结构做参考, 利用rms计算RMSD, 方法如前. 当提示时, 对叠合和计算都选择蛋白Protein组.

sham命令需要一个文件, 其中包含多个列, 每一列代表不同的坐标. 为生成一个正确的输入文件, 我们使用Perl脚本sham.pl, 并将我们刚生成的两个xvg文件作为它的输入. Perl是一种很类似Python的编程语言. 这个脚本将两个文件作为输入, 并假定数据处于文件的列中. xvg文件的第一列通常是时间, 第二列是感兴趣的坐标. 与Python一样, Perl的计数也是从零开始, 因此选择列数时小心. 下载并执行下面的命令. 输出文件只是两个xvg文件的简单合并, 第一列代表时间, 第二列和第三列是特定时刻的Rg值和相对于平均结构的RMSD.

现在我们有了正确的sham输入文件, 可用于生成FEL. 如果你还记得, Gibbs自由能可以根据分布概率计算出来, 并且依赖于指定的温度. 使用sham的选项-tsham来指定正确的体系温度(如果你不记得这个值, 可检查成品模拟所用mdp文件中的值).

如果使用sham计算FEL时, 指定非常高的温度, 会出现什么情况?

sham的输出可以使用xpm2ps输出到ps文件, 再用pdf阅读器查看. 但是, 当选择代表性结构时这种二维等值线图帮助不大, 需要查看数据时也很麻烦. 为此, 我们准备了一个Mathmatica文件, 可用于FEL的2D或3D可视化和检查. 由于Mathmatica不支持xpm文件, 我们准备了一个Python脚本用于将任意的xpm文件转换为3列数据的文本文件, 这样更易操控. 你可以下载, 用它转换xpm文件

下载Mahmatica, 然后打开, 遵照其中说明, 更改开头的文件路径. 如果一切正常, 你可以看到类似下面的图像

查看FEL并找到其最小点(谷)的位置. 选择你认为具有代表性的一些最小点(5). 你可以通过在2D等值线图上右键点击, 选择Get Coordinates选项来获知对应的坐标. 之后, 当你在图像上移动鼠标时, 会显示每个特定点的坐标. 记录这些坐标, 然后返回原始的sham.pl脚本输出文件查找相应的时间戳. 使用sham生成FEL的过程涉及坐标的分格, 因此对原始值有所近似, 不要期待你能找到精确的对应值.

从FEL中选择你认为能代表多肽状态的五个点, 记下它们的坐标.

为了在150000行中查找特定的内容(尽管使用gedit的搜索选项很方便), 我们提供了一个搜索时间戳的. 可以使用它来得到5个时间戳. 你需要提供sham.pl的输出, 并给出两个坐标(顺序要正确). 下面是一个示例

如果你总是得到No timestamp found...这样的错误信息, 试着使用附近稍有区别的点, 或打开脚本增加变量nval的值到100或更大.

将代表性结构的时间帧与以前根据RMSD矩阵获得的相比, 这些代表性结构是否与结构簇相符?

一旦你有了5个点的时间戳, 你可以使用它们从合并的轨迹中抽取代表性结构. 下面的例子抽取45 ns时刻的结构:

在PyMOL中打开代表性结构以及结合结构, 并比较二者.

以下分析整理自泛素耦合酶教程, 用于说明操作过程, 但具体问题未必适用于前面的多肽-蛋白教程.

特定氢键可以用包含相应原子数量的索引文件来得出. 从分析1得出的RMSF及b-factors显示loops 2 和 3 (helix 2附近)值比较高. 实验数据也显示, loop 1可能在UbcH6 and UbcH8的多个行为中起了一定作用. 看看这些loop所包含的氢键连接. 第一个命令会在菜单中弹出3个新的条目去选择基团, 每个loop一个. 第二个命令是一个通用命令g_hbond, 需要一个索引文件. 你可能想看看每个loop里的氢键、loop1和loop2之间的氢键；例如, 某个特定的loop和蛋白质其他部分的氢键(为此可能需要修改索引文件)或者和水形成的氢键, 等…

除了氢键之外, 蛋白质不同的带电残基之间也常形成盐桥. 它对蛋白质的结构起着重要的稳定作用, 尤其是当它们处于憎水环境中时, 例如蛋白质核心. 但是盐桥也能在蛋白质暴露的表面形成, 这对于介导蛋白质的识别过程往往很重要. 残基间的盐桥分析可以用saltbr命令进行. 程序会输出一系列xvg文件, 给出-/-, +/-(最关注的)和+/+残基间的距离. 当需要时, 通过设置-sep选项, 这个程序可以为每对相反的带电残基产生一个输出文件, 这些残基位于轨迹中的某点, 彼此处于一定的截断距离范围内(这里是0.5 nm, 通过-t选项设置). 这将产生许多文件, 所以分析时最好建立一个单独的目录. 执行以下命令:

为了更清晰, 删除与钠离子和氯离子有关的文件:

看看以下残基之间的相互作用:

对于这些相互作用你有什么想法? 残基K60和D88高度保守, 仅仅将UbcH8中的残基D56突变为E56都会改变蛋白的相互作用方式. 其可能原因何在?

溶剂可及表面积(SAS)

这四个参数都可用sasa命令计算, 它还可以计算每个残基或原子一段时间内的平均SAS. 输键入下面的命令, 要计算SAS的组和输出组都选择蛋白Protein, 然后查看输出文件.

哪个残基是最容易被溶剂触及的?

原子间距离的分析和NOE

前面用到的rmsdist命令也可用于进一步的距离分析. 特别地, 为了解结构及其稳定性, 查看原子间的平均距离及其波动可能会有用处. 使用下面的命令对蛋白质中每对原子间的平均距离及其波动进行计算获得矩阵, 然后用上面的步骤重新着色, 并显示.png文件的结果(rmsmean.png和rmsdist.png).

简单地解释两个图像: rmsmean表示结构, rmsdist表示柔性/稳定性. 回想前面分析得到的信息并查看结构.

从实验角度看这些距离同样重要. 原子间距离的边界值可以由NMR实验推断——利用核的Overhauser效应(NOE)——这也是NMR结构计算间的主要推动力. 如果蛋白质模型正确, 这个预期得可以到的NOE信号可通过MD模拟来计算. 这些信号与距离密切相关, 特别是r^-3和r^-6权重的距离. 这些信号也可以用rmsdist计算.

模拟战, 最小的1/r³和1/r⁶平均距离为多少?

计算向量的弛豫计算及其自相关. 对蛋白质, 通常包括碳骨架N-H或侧链C-H向量. 这种自相关给出了向量能保持其方向多长时间的量度, 因而为表征可变性和稳定性提供了指示. 序参量是自相关的长程限制. 如果一个分子能够自由旋转, 序参量将不可避免地减小到零; 但在分子框架内(内部参考框架), 序参量常有一个明确的值, 这个值表明总体稳定性. 通过叠合蛋白质, 这个参考框架可以固定下来,

N-H序参量可以用chi命令计算. 这个程序可以写出一个.pdb文件, 把序参量加入了b因子列, 更容易查看. 该程序也计算J耦合参数, 并可以和NMR结果相比较, 或用于指导NMR实验.

看看.xvg文件中的序参量, 并用PyMOL查看.pdb文件, 根据b因子的值给残基着色.

记下起始与终止的残基, 具有最高序参量值的两个区域的平均值. 序参量与波动(RMSF)相比如何?

一个常用的, 但常常理解不深的分析方法是对轨迹进行主成分分析(PCA, PrincipalComponents Analysis). 这种方法有时候也称为本征动力学(ED, essential dynamics), 目的在于识别原子的大尺度集约运动, 从而揭示隐藏在原子波动后面的结构信息, 帮助确定哪些运动方式对蛋白质的整体动力学贡献最大.

在含有N个原子的体系中, 存在3N-6个可能的内部运动方式(另外6个自由度用来描述体系的外部整体的平动和转动). 在MD模拟中, 粒子的波动是互相关联的, 因为粒子彼此之间存在相互作用. 关联的程度有大有小, 但那些通过键直接相连或者彼此位置接近的粒子会产生显著的运动一致性. 粒子运动之间的相关性导致了体系总体波动的结构性, 对大分子而言, 这种结构常常与其功能或(生物)物理特性直接有关. 因此, 研究原子波动的结构性可以为了解这些大分子的行为提供有价值的洞见. 然而, 确实需要一定程度的线性代数方法和多元统计方面的知识才能来解释结果并认识到该方法的缺陷. 特别的, PCA的目标是用新的变量来描述原始数据, 这些新变量是原始变量的线性组合. 这也是PCA存在的最主要问题: 它仅仅使用原子运动间的线性关系来解释问题.

PCA的第一步是构建协方差矩阵, 它表征了每对原子之间原子运动的共线性程度. 协方差矩阵从定义上说是一个对称矩阵. 接着将这个矩阵对角化, 得到一个特征向量矩阵和特征值的对角矩阵. 每个特征向量描述了粒子的集约运动, 其中的向量值表示相应原子参与运动的程度. 通常, 体系中的大多数(>90%)运动是由10个以下的特征向量或主成分来描述的. 与特征向量相应的特征值等于以集约运动中的每个原子描述的波动的总和, 因此是与特征向量相关的总运动的一个度量, 可用于比较不同情况下蛋白质的可变性, 但对不同大小的蛋白质进行比较时, 就难以得到有意义的解释. 更多信息请参考Leach的9.14.

协方差分析会生成很多文件, 因此最好在一个新的目录中运行:

协方差矩阵的构建和对角化可使用covar命令. 键入下述命令进行分析:

对PCA, 我们主要关心蛋白质骨架上的原子, 因此提示时选择backbone组. 构建和对角化协方差矩阵可能需要一些时间.

协方差矩阵的维数多少? 特征值的总和多少?

现在, 看看covar.xpm文件中的协方差矩阵.

矩阵显示了原子间的协方差. 红色表示两个原子运动一致, 而蓝色表示它们彼此向相反的方向运动. 红色的深度表示波动振幅的大小. 对角线上的值对应于前面得到的RMSF图.

查看除端基外运动最剧烈的两个部分, 它们之间如何相对运动, 它们各自相对于蛋白的其他部分如何运动?

从协方差矩阵能得到一组组相关或反相关运动的原子, 从而可以将其集约运动重新写入总运动. 我们前面提到过, 特征值保存在eigenvalues.xvg文件中, 通过相应特征值表示出总波动.

使用文本编辑器查看eigenvalues.xvg文件, 计算头五个特征向量对总运动的百分比以及累积百分比.

典型地, 最初五个特征值将捕获主要运动, 这相当于>80%的总运动. 如果解释的总波动较低, 就说明没有明确的集约运动.

为了解特征值的实际意义, 可用anaeig命令作进一步的分析. 为了更近地看看前两个特征值, 键入以下命令

特征值对应于运动方向. 选项-extr沿着选定的特征值从轨迹中提取极端结构. 把这些结构导入PyMOL查看:

把 pdf 文件中的模型分开, 删除原始结构.

给模型着色. 特征值1中的极端结构显示为蓝-绿色而特征值2为黄-红色.

用PyMOL的align命令, 能画出表示两种构象差异的小条.

对特征值1而言, 极端结构之间的最大区别是什么? 对特征值2呢?

为了理解特征值的意义, 想象一下旅行推销员在欧洲城市间的移动. 这种移动可用地球坐标系统来说明, 对每个位置需要采用三个坐标. 虽然这样做没有问题, 但如果你只想解释推销员的移动, 这种方法不是最佳的. 因为理论上, 任何坐标系统都一样好, 我们可以定义一个新的坐标系统来解释推销员的移动. 实际上, 因为地球表面可以用二维空间代表, 我们只需要两个坐标而无须三个. 直观看来, 有人会以南北极(经度)和东西轴(维度)说明, 但也可以从移动中推断出轴. 比方说推销员在伦敦-雅典轴上走的最多, 这个轴可以作为第一个特征值; 第二个特征值与第一个正交. 用这种方式, 推销员在欧洲的每个位置就可以用在这两个特征值上的投影唯一地确定下来. 对它们的投影作图, 就可以显示出旅行路线. 沿着第一个坐标的极端投影对应于雷克雅未克(Reykjavik, 冰岛首都)和莫斯科, 即使它们实际上不在这个轴上.

蛋白质构象也和上面所述的一样. 你看到的极端投影并不一定对应于物理结构, 但是它们可以表征沿轴的运动和总的运动程度. 为了解蛋白质沿构象空间的移动, 我们可以画出特征值2对特征值1的投影图. 为此, 从两个.xvg文件中提取投影数据并且合并到文件ev1-vs-ev2.dat中. 注意’>’表示输出由屏幕重定向到一个文件中, 所以你看不到任何屏幕输出.

投影的形状如何? 它们相互依赖么(分布有所重叠)? 如果只对最后7.5 ns进行分析, 是否得到相同的特征向量(轴)? 使用最后5.0 ns呢?

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