docs/reference-manual/force-field.rst

   1 Force field
   2 -----------
   3
   4 A force field is built up from two distinct components:
   5
   6 -  The set of equations (called the *potential functions*) used to
   7    generate the potential energies and their derivatives, the forces.
   8    These are described in detail in the previous chapter.
   9
  10 -  The parameters used in this set of equations. These are not given in
  11    this manual, but in the data files corresponding to your |Gromacs|
  12    distribution.
  13
  14 Within one set of equations various sets of parameters can be used. Care
  15 must be taken that the combination of equations and parameters form a
  16 consistent set. It is in general dangerous to make *ad hoc* changes in a
  17 subset of parameters, because the various contributions to the total
  18 force are usually interdependent. This means in principle that every
  19 change should be documented, verified by comparison to experimental data
  20 and published in a peer-reviewed journal before it can be used.
  21
  22 |Gromacs| |version| includes several force fields, and
  23 additional ones are available on the website. If you do not know which
  24 one to select we recommend GROMOS-96 for united-atom setups and
  25 OPLS-AA/L for all-atom parameters. That said, we describe the available
  26 options in some detail.
  27
  28 All-hydrogen force field
  29 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  30
  31 The GROMOS-87-based all-hydrogen force field is almost identical to the
  32 normal GROMOS-87 force field, since the extra hydrogens have no
  33 Lennard-Jones interaction and zero charge. The only differences are in
  34 the bond angle and improper dihedral angle terms. This force field is
  35 only useful when you need the exact hydrogen positions, for instance for
  36 distance restraints derived from NMR measurements. When citing this
  37 force field please read the previous paragraph.
  38
  39 GROMOS-96
  40 ~~~~~~~~~
  41
  42 |Gromacs| supports the GROMOS-96 force fields \ :ref:`77 <refgromos96>`. All
  43 parameters for the 43A1, 43A2 (development, improved alkane dihedrals),
  44 45A3, 53A5, and 53A6 parameter sets are included. All standard building
  45 blocks are included and topologies can be built automatically by
  46 :ref:`pdb2gmx <gmx pdb2gmx>`.
  47
  48 The GROMOS-96 force field is a further development of the GROMOS-87
  49 force field. It has improvements over the GROMOS-87 force field for
  50 proteins and small molecules. **Note** that the sugar parameters present
  51 in 53A6 do correspond to those published in 2004\ :ref:`110 <refOostenbrink2004>`,
  52 which are different from those present in 45A4, which is not
  53 included in |Gromacs| at this time. The 45A4 parameter set corresponds to
  54 a later revision of these parameters. The GROMOS-96 force field is not,
  55 however, recommended for use with long alkanes and lipids. The GROMOS-96
  56 force field differs from the GROMOS-87 force field in a few respects:
  57
  58 -  the force field parameters
  59
  60 -  the parameters for the bonded interactions are not linked to atom
  61    types
  62
  63 -  a fourth power bond stretching potential (:ref:`G96bond`)
  64
  65 -  an angle potential based on the cosine of the angle
  66    (:ref:`G96angle`)
  67
  68 There are two differences in implementation between |Gromacs| and
  69 GROMOS-96 which can lead to slightly different results when simulating
  70 the same system with both packages:
  71
  72 -  in GROMOS-96 neighbor searching for solvents is performed on the
  73    first atom of the solvent molecule. This is not implemented in
  74    |Gromacs|, but the difference with searching by centers of charge
  75    groups is very small
  76
  77 -  the virial in GROMOS-96 is molecule-based. This is not implemented in
  78    |Gromacs|, which uses atomic virials
  79
  80 The GROMOS-96 force field was parameterized with a Lennard-Jones cut-off
  81 of 1.4 nm, so be sure to use a Lennard-Jones cut-off
  82 (``rvdw``) of at least 1.4. A larger cut-off is possible
  83 because the Lennard-Jones potential and forces are almost zero beyond
  84 1.4 nm.
  85
  86 GROMOS-96 files
  87 ^^^^^^^^^^^^^^^
  88
  89 |Gromacs| can read and write GROMOS-96 coordinate and trajectory files.
  90 These files should have the extension :ref:`g96`. Such a file
  91 can be a GROMOS-96 initial/final configuration file, a coordinate
  92 trajectory file, or a combination of both. The file is fixed format; all
  93 floats are written as 15.9, and as such, files can get huge. |Gromacs|
  94 supports the following data blocks in the given order:
  95
  96 -  Header block:
  97
  98    ::
  99
 100        TITLE (mandatory)
 101
 102 -  Frame blocks:
 103
 104    ::
 105
 106        TIMESTEP (optional)
 107        POSITION/POSITIONRED (mandatory)
 108        VELOCITY/VELOCITYRED (optional)
 109        BOX (optional)
 110
 111 See the GROMOS-96 manual \ :ref:`77 <refgromos96>` for a complete
 112 description of the blocks. **Note** that all |Gromacs| programs can read
 113 compressed (.Z) or gzipped (.gz) files.
 114
 115 OPLS/AA
 116 ~~~~~~~
 117
 118 AMBER
 119 ~~~~~
 120
 121 |Gromacs| provides native support for the following AMBER force fields:
 122
 123 -  AMBER94 \ :ref:`111 <refCornell1995>`
 124
 125 -  AMBER96 \ :ref:`112 <refKollman1996>`
 126
 127 -  AMBER99 \ :ref:`113 <refWang2000>`
 128
 129 -  AMBER99SB \ :ref:`114 <refHornak2006>`
 130
 131 -  AMBER99SB-ILDN \ :ref:`115 <refLindorff2010>`
 132
 133 -  AMBER03 \ :ref:`116 <refDuan2003>`
 134
 135 -  AMBERGS \ :ref:`117 <refGarcia2002>`
 136
 137 .. _charmmff:
 138
 139 CHARMM
 140 ~~~~~~
 141
 142 |Gromacs| supports the CHARMM force field for
 143 proteins \ :ref:`118 <refmackerell04>`, :ref:`119 <refmackerell98>`,
 144 lipids \ :ref:`120 <reffeller00>` and nucleic
 145 acids \ :ref:`121 <reffoloppe00>`, :ref:`122 <refMac2000>`. The protein
 146 parameters (and to some extent
 147 the lipid and nucleic acid parameters) were thoroughly tested – both by
 148 comparing potential energies between the port and the standard parameter
 149 set in the CHARMM molecular simulation package, as well by how the
 150 protein force field behaves together with |Gromacs|-specific techniques
 151 such as virtual sites (enabling long time steps) recently
 152 implemented \ :ref:`123 <refLarsson10>` – and the details and results are
 153 presented in the paper by Bjelkmar et al. \ :ref:`124 <refBjelkmar10>`.
 154 The nucleic acid parameters, as well as the ones for HEME, were
 155 converted and tested by Michel Cuendet.
 156
 157 When selecting the CHARMM force field in
 158 :ref:`pdb2gmx <gmx pdb2gmx>` the default option
 159 is to use CMAP (for torsional correction map).
 160 To exclude CMAP, use ``-nocmap``. The basic form of the CMAP
 161 term implemented in |Gromacs| is a function of the :math:`\phi` and
 162 :math:`\psi` backbone torsion angles. This term is defined in the
 163 ``rtp`` file by a ``[ cmap ]`` statement at the
 164 end of each residue supporting CMAP. The following five atom names
 165 define the two torsional angles. Atoms 1-4 define :math:`\phi`, and
 166 atoms 2-5 define :math:`\psi`. The corresponding atom types are then
 167 matched to the correct CMAP type in the ``cmap.itp`` file
 168 that contains the correction maps.
 169
 170 A port of the CHARMM36 force field for use with |Gromacs| is also
 171 available at `the MacKerell lab webpage <http://mackerell.umaryland.edu/charmm_ff.shtml#gromacs>`_.
 172
 173 For branched polymers or other topologies not supported by
 174 :ref:`pdb2gmx <gmx pdb2gmx>`, it is possible to
 175 use TopoTools \ :ref:`125 <refkohlmeyer2016>` to generate a |Gromacs| top
 176 file.
 177
 178 .. _cgforcefields:
 179
 180 Coarse-grained force fields
 181 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 182
 183 Coarse-graining is a systematic way of reducing the
 184 number of degrees of freedom representing a system of interest. To
 185 achieve this, typically whole groups of atoms are represented by single
 186 beads and the coarse-grained force fields describes their effective
 187 interactions. Depending on the choice of parameterization, the
 188 functional form of such an interaction can be complicated and often
 189 tabulated potentials are used.
 190
 191 Coarse-grained models are designed to reproduce certain properties of a
 192 reference system. This can be either a full atomistic model or even
 193 experimental data. Depending on the properties to reproduce there are
 194 different methods to derive such force fields. An incomplete list of
 195 methods is given below:
 196
 197 -  Conserving free energies
 198
 199    -  Simplex method
 200
 201    -  MARTINI force field (see next section)
 202
 203 -  Conserving distributions (like the radial distribution function),
 204    so-called structure-based coarse-graining
 205
 206    -  (iterative) Boltzmann inversion
 207
 208    -  Inverse Monte Carlo
 209
 210 -  Conversing forces
 211
 212    -  Force matching
 213
 214 Note that coarse-grained potentials are state dependent (e.g.
 215 temperature, density,...) and should be re-parametrized depending on the
 216 system of interest and the simulation conditions. This can for example
 217 be done using the Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-Graining
 218 Applications (VOTCA) (**???**). The package was designed to assists in
 219 systematic coarse-graining, provides implementations for most of the
 220 algorithms mentioned above and has a well tested interface to |Gromacs|.
 221 It is available as open source and further information can be found at
 222 `www.votca.org <http://www.votca.org>`_.
 223
 224 MARTINI
 225 ~~~~~~~
 226
 227 The MARTINI force field is a coarse-grain parameter set that allows for
 228 the construction of many systems, including proteins and membranes.
 229
 230 PLUM
 231 ~~~~
 232
 233 The PLUM force field :ref:`126 <refbereau12>` is an example of a solvent-free
 234 protein-membrane model for which the membrane was derived from
 235 structure-based coarse-graining \ :ref:`127 <refwang_jpcb10>`. A |Gromacs|
 236 implementation can be found at
 237 `code.google.com/p/plumx <http://code.google.com/p/plumx/>`__.
 238