42fb7a5ee375f768f0b4c8e5ab118cc28a9c4a47
[alexxy/gromacs.git] / manual / topology.tex
1 %
2 % This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3 %
4 % Copyright (c) 2013,2014, by the GROMACS development team, led by
5 % Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
6 % and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
7 % top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
8 %
9 % GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
10 % modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
11 % as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
12 % of the License, or (at your option) any later version.
13 %
14 % GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
15 % but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
16 % MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
17 % Lesser General Public License for more details.
18 %
19 % You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
20 % License along with GROMACS; if not, see
21 % http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
22 % Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
23 %
24 % If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
25 % consider that scientific software is very special. Version
26 % control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
27 % consider code for inclusion in the official distribution, but
28 % derived work must not be called official GROMACS. Details are found
29 % in the README & COPYING files - if they are missing, get the
30 % official version at http://www.gromacs.org.
31 %
32 % To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
33 % the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
34
35 \chapter{Topologies}
36 \label{ch:top}
37 \section{Introduction}
38 {\gromacs} must know on which atoms and combinations of atoms the
39 various contributions to the potential functions (see
40 \chref{ff}) must act. It must
41 also know what \normindex{parameter}s must be applied to the various
42 functions. All this is described in the {\em \normindex{topology}} file
43 {\tt *.top}, which lists the {\em constant attributes} of each atom.
44 There are many more atom types than elements, but only atom types
45 present in biological systems are parameterized in the force field,
46 plus some metals, ions and silicon. The bonded and special
47 interactions are determined by fixed lists that are included in the
48 topology file. Certain non-bonded interactions must be excluded (first
49 and second neighbors), as these are already treated in bonded
50 interactions.  In addition, there are {\em dynamic attributes} of
51 atoms - their positions, velocities and forces. These do not
52 strictly belong to the molecular topology, and are stored in the
53 coordinate file {\tt *.gro} (positions and velocities), or trajectory
54 file {\tt *.trr} (positions, velocities, forces).
55
56 This chapter describes the setup of the topology file, the
57 {\tt *.top} file and the database files: what the parameters
58 stand for and how/where to change them if needed.
59 First, all file formats are explained.
60 Section \ssecref{fffiles} describes the organization of
61 the files in each force field.
62
63 {\bf Note:} if you construct your own topologies, we encourage you
64 to upload them to our topology archive at {\wwwpage}! Just imagine
65 how thankful you'd have been if your topology had been available
66 there before you started. The same goes for new force fields or
67 modified versions of the standard force fields - contribute them
68 to the force field archive!
69
70 \section{Particle type}
71 \label{sec:parttype}
72
73 In {\gromacs}, there are three types of \normindex{particle}s, see
74 \tabref{ptype}. Only regular atoms and virtual interaction sites are used
75 in {\gromacs}; shells are necessary for
76 polarizable models like the Shell-Water models~\cite{Maaren2001a}.
77
78 \begin{table}
79 \centerline{
80 \begin{tabular}{|l|c|}
81 \dline
82 Particle                        & Symbol        \\
83 \hline
84 \seeindex{atom}{particle}s      & A   \\
85 \seeindex{shell}{particle}s     & S   \\
86 \normindex{virtual interaction sites}   & V (or D)   \\
87 \dline
88 \end{tabular}
89 }
90 \caption{Particle types in {\gromacs}}
91 \label{tab:ptype}
92 \end{table}
93
94 \subsection{Atom types}
95 \label{subsec:atomtype}
96
97 Each force field defines a set of \swapindex{atom}{type}s,
98 which have a characteristic name or number, and mass (in
99 a.m.u.). These listings are found in the {\tt atomtypes.atp}
100 file (.atp = {\bf a}tom {\bf t}ype {\bf p}arameter file).
101 Therefore, it is in this file that you can begin to change
102 and/or add an atom type. A sample from the {\tt gromos43a1.ff} 
103 force field is listed below.
104
105 {\small
106 \begin{verbatim}
107     O  15.99940 ;     carbonyl oxygen (C=O)
108    OM  15.99940 ;     carboxyl oxygen (CO-)
109    OA  15.99940 ;     hydroxyl, sugar or ester oxygen
110    OW  15.99940 ;     water oxygen
111     N  14.00670 ;     peptide nitrogen (N or NH)
112    NT  14.00670 ;     terminal nitrogen (NH2)
113    NL  14.00670 ;     terminal nitrogen (NH3)
114    NR  14.00670 ;     aromatic nitrogen
115    NZ  14.00670 ;     Arg NH (NH2)
116    NE  14.00670 ;     Arg NE (NH)
117     C  12.01100 ;     bare carbon
118   CH1  13.01900 ;     aliphatic or sugar CH-group
119   CH2  14.02700 ;     aliphatic or sugar CH2-group
120   CH3  15.03500 ;     aliphatic CH3-group
121 \end{verbatim}}
122
123 {\bf Note:} {\gromacs} makes use of the atom types as a name, {\em
124 not} as a number (as {\eg} in {\gromos}).
125
126 %Atomic detail is used except for hydrogen atoms bound to (aliphatic)
127 %carbon atoms, which are treated as {\em \swapindex{united}{atom}s}. No
128 %special \normindex{hydrogen-bond} term is included. {\bf Note} that other force field
129 %like OPLS/AA, CHARMM, and AMBER use all atoms.
130
131 %\subsection{Nucleus}
132 %{\em Necessary for \normindex{polarisability}, not implemented yet.}
133 %
134 %\subsection{Shell}
135 %{\em Necessary for polarisability, not implemented yet.}
136 %
137 %\subsection{Bond shell}
138 %{\em Necessary for polarisability, not implemented yet.}
139
140 \subsection{Virtual sites}
141 \label{sec:vsitetop}
142 Some force fields use \normindex{virtual interaction sites}
143 (interaction sites that are constructed from other particle positions)
144 on which certain interactions are located
145 ({\eg} on benzene rings, to reproduce the correct
146 \normindex{quadrupole}). This is described in~\secref{virtual_sites}.
147
148 To make virtual sites in your system, you should include a section
149 {\tt [~virtual_sites?~]} (for backward compatibility the old name
150 {\tt [~dummies?~]} can also be used) in your topology file,
151 where the `{\tt ?}' stands
152 for the number constructing particles for the virtual site. This will be
153 `{\tt 2}' for type 2, `{\tt 3}' for types 3, 3fd, 3fad and 3out and
154 `{\tt 4}' for type 4fdn. The last of these replace an older 4fd type (with the `type' value 1) 
155 that could occasionally be unstable; while it is still supported internally
156 in the code, the old 4fd type should not be used in new input files.
157  The different types are explained
158 in~\secref{virtual_sites}.
159
160 Parameters for type 2 should look like this:
161 {\small
162 \begin{verbatim}
163 [ virtual_sites2 ]
164 ; Site  from        funct  a
165 5       1     2     1      0.7439756
166 \end{verbatim}}
167
168 for type 3 like this:
169 {\small
170 \begin{verbatim}
171 [ virtual_sites3 ]
172 ; Site  from               funct   a          b
173 5       1     2     3      1       0.7439756  0.128012
174 \end{verbatim}}
175
176 for type 3fd like this:
177 {\small
178 \begin{verbatim}
179 [ virtual_sites3 ]
180 ; Site  from               funct   a          d
181 5       1     2     3      2       0.5        -0.105
182 \end{verbatim}}
183
184 for type 3fad like this:
185 {\small
186 \begin{verbatim}
187 [ virtual_sites3 ]
188 ; Site  from               funct   theta      d
189 5       1     2     3      3       120        0.5
190 \end{verbatim}}
191
192 for type 3out like this:
193 {\small
194 \begin{verbatim}
195 [ virtual_sites3 ]
196 ; Site  from               funct   a          b          c
197 5       1     2     3      4       -0.4       -0.4       6.9281
198 \end{verbatim}}
199
200 for type 4fdn like this:
201 {\small
202 \begin{verbatim}
203 [ virtual_sites4 ]
204 ; Site  from                      funct   a          b          c
205 5       1     2     3     4       2       1.0        0.9       0.105
206 \end{verbatim}}
207
208 This will result in the construction of a virtual site, number 5
209 (first column `{\tt Site}'), based on the positions of the atoms
210 whose indices are 1 and 2 or 1, 2 and 3 or 1, 2, 3 and 4 (next two,
211 three or four columns `{\tt from}') following the rules determined by the function number
212 (next column `{\tt funct}') with the parameters specified (last one,
213 two or three columns `{\tt a b} . .'). Obviously, the atom numbers
214 (including virtual site number) depend
215 on the molecule. It may be instructive to study the topologies for
216 TIP4P or TIP5P water models that are included with the {\gromacs} distribution.
217
218 {\bf Note} that if any constant bonded interactions are defined between
219 virtual sites and/or normal atoms, they will be removed by {\tt grompp}
220 (unless the option {tt -normvsbds} is used).
221 This removal of bonded interactions is done after generating exclusions,
222 as the generation of exclusions is based on ``chemically'' bonded interactions.
223
224 Virtual sites can be constructed in a more generic way using basic geometric
225 parameters.  The directive that can be used is {\tt [ virtual_sitesn ]}.  Required
226 parameters are listed in~\tabref{topfile2}.  An example entry for defining a virtual
227 site at the center of geometry of a given set of atoms might be:
228
229 {\small
230 \begin{verbatim}
231 [ virtual_sitesn ]
232 ; Site   funct    from
233 5        1        1     2     3     4
234 \end{verbatim}}
235
236 \section{Parameter files}
237
238 \label{sec:paramfiles}
239
240 \subsection{Atoms}
241 The {\em static} properties (see \tabref{statprop} assigned to the
242 atom types are assigned based on data in several places.
243 The mass is listed in {\tt atomtypes.atp}
244 (see~\ssecref{atomtype}), whereas the charge is listed in {\tt *.rtp}
245 (.rtp = {\bf r}esidue {\bf t}opology {\bf p}arameter file,
246 see~\ssecref{rtp}).  This implies that the charges are only defined in
247 the \normindex{building block}s of amino acids, nucleic acids or
248 otherwise, as defined by the user. When generating a topology
249 ({\tt *.top}) using the {\tt \normindex{pdb2gmx}} program, the
250 information from these files is combined.
251  
252 \begin{table}
253 \centerline{
254 \begin{tabular}{|l|c|c|}
255 \dline
256 Property        & Symbol        & Unit          \\
257 \hline
258 Type            & -             & -             \\
259 Mass            & m             & a.m.u.        \\
260 Charge          & q             & electron      \\
261 epsilon         & $\epsilon$    & kJ/mol        \\
262 sigma           & $\sigma$      & nm            \\
263 \dline
264 \end{tabular}
265 }
266 \caption{Static atom type properties in {\gromacs}}
267 \label{tab:statprop}
268 \end{table}
269
270 %The following {\em dynamic} quantities are associated with an atom
271 %\begin{itemize}
272 %\item   Position {\bf x}
273 %\item   Velocity {\bf v}
274 %\end{itemize}
275 %These quantities are listed in the coordinate file, {\tt *.gro}
276 %(see section~\ssecref{grofile}).
277
278 \subsection{Non-bonded parameters}
279 \label{subsec:nbpar}
280 The \swapindex{non-bonded}{parameter}s consist of the van der Waals 
281 parameters V ({\tt c6} or $\sigma$, depending on the combination rule) and W 
282 ({\tt c12} or $\epsilon$), as listed in the file {\tt ffnonbonded.itp}, where 
283 {\tt ptype} is the particle type (see \tabref{ptype}). As with the bonded parameters, entries in {\tt [~*type~]} directives 
284 are applied to their counterparts in the topology file.  Missing parameters 
285 generate warnings, except as noted below in section~\ssecref{pairinteractions}.
286
287 {\small
288 \begin{verbatim}
289 [ atomtypes ]
290 ;name   at.num      mass      charge   ptype         V(c6)        W(c12)
291     O        8  15.99940       0.000       A   0.22617E-02   0.74158E-06
292    OM        8  15.99940       0.000       A   0.22617E-02   0.74158E-06
293    .....
294
295 [ nonbond_params ]
296   ; i    j func       V(c6)        W(c12)
297     O    O    1 0.22617E-02   0.74158E-06
298     O   OA    1 0.22617E-02   0.13807E-05
299     .....
300 \end{verbatim}}
301
302 {\bf Note} that most of the included force fields also include the {\tt at.num.} column, 
303 but this same information is implied in the OPLS-AA {\tt bond_type} column.
304 The interpretation of the parameters V and W depends on the combination rule 
305 that was chosen in the {\tt [~defaults~]} section of the topology file 
306 (see~\ssecref{topfile}):
307 \begin{eqnarray}
308 \mbox{for combination rule 1}: & &
309 \begin{array}{llllll}
310   \mbox{V}_{ii} & = & C^{(6)}_{i}  & = & 4\,\epsilon_i\sigma_i^{6} &
311   \mbox{[ kJ mol$^{-1}$ nm$^{6}$ ]}\\
312   \mbox{W}_{ii} & = & C^{(12)}_{i} & = & 4\,\epsilon_i\sigma_i^{12} &
313   \mbox{[ kJ mol$^{-1}$ nm$^{12}$ ]}\\
314 \end{array}
315 \\
316 \mbox{for combination rules 2 and 3}: & &
317 \begin{array}{llll}
318   \mbox{V}_{ii} & = & \sigma_i   & \mbox{[ nm ]} \\
319   \mbox{W}_{ii} & = & \epsilon_i & \mbox{[ kJ mol$^{-1}$ ]}
320 \end{array}
321 \end{eqnarray}
322 Some or all combinations for different atom types can be given in the 
323 {\tt [~nonbond_params~]} section, again with parameters V and W as defined 
324 above. Any combination that is not given will be computed from the parameters 
325 for the corresponding atom types, according to the \normindex{combination rule}:
326 \begin{eqnarray}
327 \mbox{for combination rules 1 and 3}: & &
328 \begin{array}{lll}
329   C^{(6)}_{ij}  & = & \left(C^{(6)}_i\,C^{(6)}_j\right)^{\frac{1}{2}} \\
330   C^{(12)}_{ij} & = & \left(C^{(12)}_i\,C^{(12)}_j\right)^{\frac{1}{2}}
331 \end{array}
332 \\
333 \mbox{for combination rule 2}: & &
334 \begin{array}{lll}
335   \sigma_{ij}   & = & \frac{1}{2}(\sigma_i+\sigma_j) \\
336   \epsilon_{ij} & = & \sqrt{\epsilon_i\,\epsilon_j}
337 \end{array}
338 \end{eqnarray}
339 When $\sigma$ and $\epsilon$ need to be supplied (rules 2 and 3),
340 it would seem it is impossible to have a non-zero $C^{12}$ combined
341 with a zero $C^6$ parameter. However, providing a negative $\sigma$
342 will do exactly that, such that $C^6$ is set to zero and $C^{12}$ is
343 calculated normally. This situation represents a special case in reading
344 the value of $\sigma$, and nothing more.
345
346 There is only one set of \normindex{combination rule}s
347 for Buckingham potentials:
348 \beq
349 \begin{array}{rcl}
350 A_{ij}   &=& \left(A_{ii} \, A_{jj}\right)^{1/2}    \\
351 B_{ij}   &=& 2 / \left(\frac{1}{B_{ii}} + \frac{1}{B_{jj}}\right)        \\
352 C_{ij}   &=& \left(C_{ii} \, C_{jj}\right)^{1/2}
353 \end{array}
354 \eeq
355
356 \subsection{Bonded parameters}
357 \label{subsec:bondparam}
358 The \swapindex{bonded}{parameter}s ({\ie} bonds, bond angles, improper and proper
359 dihedrals) are listed in {\tt ffbonded.itp}.~
360 % The term {\tt func} is 1 for
361 % harmonic and 2 for \gromosv{96} bond and angle potentials.
362 % For the dihedral, this is explained after this listing.
363 The entries in this database describe, respectively, the atom types
364 in the interactions, the type of the interaction, and the parameters
365 associated with that interaction. These parameters are then read
366 by {\tt \normindex{grompp}} when processing a topology and applied
367 to the relevant bonded parameters, {\ie} {\tt bondtypes} are applied to
368 entries in the {\tt [~bonds~]} directive, etc. Any bonded parameter that is
369 missing from the relevant {\tt [~*type~]} directive generates a fatal error.
370 The types of interactions are listed in \tabref{topfile2}.
371 Example excerpts from such files follow:
372
373 {\small 
374 \begin{verbatim}
375 [ bondtypes ]
376   ; i    j func        b0          kb
377     C    O    1   0.12300     502080.
378     C   OM    1   0.12500     418400.
379     ......
380
381 [ angletypes ]
382   ; i    j    k func       th0         cth
383    HO   OA    C    1   109.500     397.480
384    HO   OA  CH1    1   109.500     397.480
385    ......
386
387 [ dihedraltypes ]
388   ; i    l func        q0          cq
389  NR5*  NR5    2     0.000     167.360
390  NR5* NR5*    2     0.000     167.360
391  ......
392
393 [ dihedraltypes ]
394   ; j    k func      phi0          cp   mult
395     C   OA    1   180.000      16.736      2
396     C    N    1   180.000      33.472      2
397     ......
398
399 [ dihedraltypes ]
400 ;
401 ; Ryckaert-Bellemans Dihedrals
402 ;
403 ; aj    ak      funct
404 CP2     CP2     3       9.2789  12.156  -13.120 -3.0597 26.240  -31.495
405 \end{verbatim}}
406
407 In the {\tt ffbonded.itp} file, you can add bonded parameters. If you
408 want to include parameters for new atom types, make sure you define
409 them in {\tt atomtypes.atp} as well.
410
411
412
413 \subsection{Intramolecular pair interactions\index{intramolecular pair interaction}}
414 \label{subsec:pairinteractions}
415 Extra Lennard-Jones and electrostatic interactions between pairs
416 of atoms in a molecule can be added in the {\tt [~pairs~]} section of
417 a molecule definition. The parameters for these interactions can
418 be set independently from the non-bonded interaction parameters.
419 In the {\gromos} force fields, pairs are only used
420 to modify the \normindex{1-4 interaction}s (interactions of atoms
421 separated by three bonds). In these force fields the 1-4 interactions
422 are excluded from the non-bonded interactions (see \secref{excl}).
423
424 {\small
425 \begin{verbatim}
426
427 [ pairtypes ]
428   ; i    j func         cs6          cs12 ; THESE ARE 1-4 INTERACTIONS
429     O    O    1 0.22617E-02   0.74158E-06
430     O   OM    1 0.22617E-02   0.74158E-06
431     .....
432 \end{verbatim}}
433
434 The pair interaction parameters for the atom types
435 in {\tt ffnonbonded.itp} are listed in the {\tt [~pairtypes~]} section.
436 The {\gromos} force fields list all these interaction parameters
437 explicitly, but this section might be empty for force fields like
438 OPLS that calculate the \normindex{1-4 interaction}s by uniformly scaling the parameters.
439 Pair parameters that are not present in the {\tt [~pairtypes~]} section
440 are only generated when {\tt gen-pairs} is set to ``yes'' in the {\tt [~defaults~]}
441 directive of {\tt forcefield.itp} (see \ssecref{topfile}). 
442 When {\tt gen-pairs} is set to ``no,'' {\tt \normindex{grompp}}
443 will give a warning for each pair type for which no parameters are given.
444
445 The normal pair interactions, intended for \normindex{1-4 interaction}s,
446 have function type 1. Function type 2 and the {\tt [~pairs_nb~]} are intended
447 for free-energy simulations. When determining hydration
448 free energies, the solute needs to be decoupled from the solvent.
449 This can be done by adding a B-state topology (see \secref{fecalc})
450 that uses zero for all solute non-bonded parameters, {\ie} charges and LJ parameters.
451 However, the free energy difference between the A and
452 B states is not the total hydration free energy.  One has to
453 add the free energy for reintroducing the internal Coulomb and 
454 LJ interactions in the solute when in vacuum. This second step can be combined with
455 the first step when the Coulomb and LJ interactions within
456 the solute are not modified. For this purpose, there is a pairs
457 function type 2, which is identical to function type 1, except
458 that the B-state parameters are always identical to the A-state
459 parameters. For searching the parameters in the {\tt [~pairtypes~]} section,
460 no distinction is made between function type 1 and 2.
461 The pairs section {\tt [~pairs_nb~]} is intended to replace the non-bonded interaction.
462 It uses the unscaled charges and the non-bonded LJ parameters;
463 it also only uses the A-state parameters. {\bf Note} that
464 one should add exclusions for all atom pairs listed in {\tt [~pairs_nb~]},
465 otherwise such pairs will also end up in the normal neighbor lists.
466
467 Alternatively, this same behavior can be achieved without ever
468 touching the topology, by using the {\tt couple-moltype}, {\tt
469   couple-lambda0}, {\tt couple-lambda1}, and {\tt couple-intramol}
470 keywords.  See sections \secref{fecalc} and \secref{dgimplement} for
471 more information.
472
473 All three pair types always use plain Coulomb interactions,
474 even when Reaction-field, PME, Ewald or shifted Coulomb interactions
475 are selected for the non-bonded interactions.
476 Energies for types 1 and 2 are written to the energy and log file
477 in separate ``LJ-14'' and ``Coulomb-14'' entries per energy group pair.
478 Energies for {\tt [~pairs_nb~]} are added to the ``LJ-(SR)'' and ``Coulomb-(SR)'' terms.
479
480 \subsection{Implicit solvation parameters\index{implicit solvation parameters}}
481 Starting with {\gromacs} 4.5, implicit solvent is supported. A section in the
482 topology has been introduced to list those parameters:
483
484 {\small
485 \begin{verbatim}
486 [ implicit_genborn_params ]
487 ; Atomtype  sar     st   pi      gbr      hct
488 NH1         0.155   1    1.028   0.17063  0.79 ; N
489 N           0.155   1    1       0.155    0.79 ; Proline backbone N
490 H           0.1     1    1       0.115    0.85 ; H
491 CT1         0.180   1    1.276   0.190    0.72 ; C
492 \end{verbatim}}
493
494 In this example the atom type is listed first, followed by five
495 numbers, and a comment (following a semicolon).
496
497 Values in columns 1-3 are not currently used. They pertain to more
498 elaborate surface area algorithms, the one from Qiu {\em et al.}~\cite{Still97} in
499 particular.  Column 4 contains the atomic van der Waals radii, which are used
500 in computing the Born radii. The dielectric offset is specified in
501 the {\tt *.mdp} file, and gets subtracted from the input van der Waals radii for the different
502 Born radii methods, as described by Onufriev {\em et al.}~\cite{Case04}.  Column 5 is the 
503 scale factor for the HCT and OBC models. The values are taken from the Tinker implementation of 
504 the HCT pairwise scaling method~\cite{Truhlar96}.  This method has been modified such that the
505 scaling factors have been adjusted to minimize differences between analytical surface areas and
506 GB using the HCT algorithm.  The scaling is further modified in that it is not applied pairwise
507 as proposed by Hawkins {\em et al.}~\cite{Truhlar96}, but on a per-atom (rather than a per-pair) 
508 basis.
509
510
511
512 \section{Exclusions}
513 \label{sec:excl}
514 The \normindex{exclusions} for non-bonded interactions are generated by {\tt
515 grompp} for neighboring atoms up to a certain number of bonds away, as
516 defined in the {\tt [~moleculetype~]} section in the topology file
517 (see \ssecref{topfile}). Particles are considered bonded when they are
518 connected by ``chemical'' bonds ({\tt [~bonds~]} types 1 to 5, 7 or 8)
519 or constraints ({\tt [~constraints~]} type 1).
520 Type 5 {\tt [~bonds~]} can be used to create a \normindex{connection}
521 between two atoms without creating an interaction.
522 There is a \normindex{harmonic interaction}
523 ({\tt [~bonds~]} type 6) that does not connect the atoms by a chemical bond.
524 There is also a second constraint type ({\tt [~constraints~]} type 2)
525 that fixes the distance, but does not connect
526 the atoms by a chemical bond.
527 For a complete list of all these interactions, see \tabref{topfile2}.
528
529 Extra exclusions within a molecule can be added manually
530 in a {\tt [~exclusions~]} section. Each line should start with one
531 atom index, followed by one or more atom indices. All non-bonded
532 interactions between the first atom and the other atoms will be excluded.
533
534 When all non-bonded interactions within or between groups of atoms need
535 to be excluded, is it more convenient and much more efficient to use
536 energy monitor group exclusions (see \secref{groupconcept}).
537
538 \section{Constraint algorithms\index{constraint algorithms}}
539 \label{sec:constraints}
540 Constraints are defined in the {\tt [~constraints~]} section.
541 The format is two atom numbers followed by the function type,
542 which can be 1 or 2, and the constraint distance.
543 The only difference between the two types is that type 1 is used
544 for generating exclusions and type 2 is not (see \secref{excl}).
545 The distances are constrained using the LINCS or the SHAKE algorithm,
546 which can be selected in the {\tt *.mdp} file.
547 Both types of constraints can be perturbed in free-energy calculations
548 by adding a second constraint distance (see \ssecref{constraintforce}).
549 Several types of bonds and angles (see \tabref{topfile2}) can
550 be converted automatically to constraints by {\tt grompp}.
551 There are several options for this in the {\tt *.mdp} file.
552
553 We have also implemented the \normindex{SETTLE} algorithm~\cite{Miyamoto92},
554 which is an analytical solution of SHAKE, specifically for water. 
555 SETTLE can be selected in the topology file. See, for instance, the
556 SPC molecule definition:
557
558 {\small
559 \begin{verbatim}
560 [ moleculetype ]
561 ; molname       nrexcl
562 SOL             1
563
564 [ atoms ]
565 ; nr    at type res nr  ren nm  at nm   cg nr   charge
566 1       OW      1       SOL     OW1     1       -0.82
567 2       HW      1       SOL     HW2     1        0.41
568 3       HW      1       SOL     HW3     1        0.41
569
570 [ settles ]
571 ; OW    funct   doh     dhh
572 1       1       0.1     0.16333
573
574 [ exclusions ]
575 1       2       3
576 2       1       3
577 3       1       2
578 \end{verbatim}}
579
580 The {\tt [~settles~]} directive defines the first atom of the water molecule.
581 The settle funct is always 1, and the distance between O-H and H-H distances
582 must be given. {\bf Note} that the algorithm can also be used
583 for TIP3P and TIP4P~\cite{Jorgensen83}.
584 TIP3P just has another geometry. TIP4P has a virtual site, but since 
585 that is generated it does not need to be shaken (nor stirred).
586
587 \section{\normindex{pdb2gmx} input files}
588 \label{sec:pdb2gmxfiles}
589 The {\gromacs} program {\tt pdb2gmx} generates a topology for
590 the input coordinate file. Several formats are supported for
591 that coordinate file, but {\tt *.pdb} is the most commonly-used format
592 (hence the name {\tt pdb2gmx}).
593 {\tt pdb2gmx} searches for force fields in sub-directories of the {\gromacs} {\tt share/top}
594 directory and your working directory. Force fields are recognized from
595 the file {\tt forcefield.itp} in a directory with the extension {\tt .ff}.
596 The file {\tt forcefield.doc} may be present, and if so, its first line
597 will be used by {\tt pdb2gmx} to present a short description to the
598 user to help in choosing a force field. Otherwise, the user can
599 choose a force field with the {\tt -ff xxx} command-line argument
600 to {\tt pdb2gmx}, which indicates that a force field in a
601 {\tt xxx.ff} directory is desired. {\tt pdb2gmx} will search first in the
602 working directory, then in the {\gromacs} {\tt share/top} directory, and
603 use the first matching {\tt xxx.ff} directory found.
604
605 Two general files are read by {\tt pdb2gmx}: an atom type file
606 (extension {\tt .atp}, see~\ssecref{atomtype}) from the force field directory,
607 and a file called {\tt residuetypes.dat} from either the working directory, or
608 the {\gromacs} {\tt share/top} directory. {\tt residuetypes.dat}
609 determines which residue names are considered protein, DNA, RNA,
610 water, and ions.
611
612 {\tt pdb2gmx} can read one or multiple databases with topological information
613 for different types of molecules. A set of files belonging to one database
614 should have the same basename, preferably telling something about the type
615 of molecules ({\eg} aminoacids, rna, dna). The possible files are:
616 \begin{itemize}
617 \item {\tt <basename>.rtp}
618 \item {\tt <basename>.r2b} (optional)
619 \item {\tt <basename>.arn} (optional)
620 \item {\tt <basename>.hdb} (optional)
621 \item {\tt <basename>.n.tdb} (optional)
622 \item {\tt <basename>.c.tdb} (optional)
623 \end{itemize}
624 Only the {\tt .rtp} file, which contains the topologies of the building
625 blocks, is mandatory. Information from other files will only be used 
626 for building blocks that come from an {\tt .rtp} file with the same base name.
627 The user can add building blocks to a force field by having additional
628 files with the same base name in their working directory. By default, only
629 extra building blocks can be defined, but calling {\tt pdb2gmx} with
630 the {\tt -rtpo} option will allow building blocks in a local file
631 to replace the default ones in the force field.
632
633
634 \subsection{Residue database}
635 \label{subsec:rtp}
636 The files holding the residue databases have the extension {\tt .rtp}.
637 Originally this file contained building blocks (amino acids) for proteins,
638 and is the {\gromacs} interpretation of the {\tt rt37c4.dat} file of {\gromos}.
639 So the residue database file contains information (bonds, charges, charge groups,
640 and improper dihedrals) for a frequently-used building block. It is
641 better {\em not} to change this file because it is standard input for
642 {\tt pdb2gmx}, but if changes are needed make them in the
643 {\tt *.top} file (see~\ssecref{topfile}), or in a {\tt .rtp} file
644 in the working directory as explained in \secref{pdb2gmxfiles}.
645 Defining topologies of new small molecules is probably easier
646 by writing an include topology file {\tt *.itp} directly.
647 This will be discussed in section~\ssecref{molitp}.
648 When adding a new protein residue to the database, don't forget to
649 add the residue name to the {\tt \normindex{residuetypes.dat}} file,
650 so that {\tt grompp}, {\tt make_ndx} and analysis tools can recognize
651 the residue as a protein residue (see \ssecref{defaultgroups}).
652
653 The {\tt .rtp} files are only used by {\tt pdb2gmx}.
654 As mentioned before, the only extra information this
655 program needs from the {\tt .rtp} database is bonds, charges of atoms,
656 charge groups, and improper dihedrals, because the rest is read from
657 the coordinate input file.
658 Some proteins contain residues that are not standard, but are
659 listed in the coordinate file. You have to construct a building block
660 for this ``strange'' residue, otherwise you will not obtain a
661 {\tt *.top} file. This also holds for molecules in the
662 coordinate file such as ligands, polyatomic ions, crystallization co-solvents, etc.
663 The residue database is constructed in the following way:
664
665 {\small
666 \begin{verbatim}
667 [ bondedtypes ]  ; mandatory
668 ; bonds  angles  dihedrals  impropers
669      1       1          1          2  ; mandatory
670
671 [ GLY ]  ; mandatory
672
673  [ atoms ]  ; mandatory 
674 ; name  type  charge  chargegroup 
675      N     N  -0.280     0
676      H     H   0.280     0
677     CA   CH2   0.000     1
678      C     C   0.380     2
679      O     O  -0.380     2
680
681  [ bonds ]  ; optional
682 ;atom1 atom2      b0      kb
683      N     H
684      N    CA
685     CA     C
686      C     O
687     -C     N
688
689  [ exclusions ]  ; optional
690 ;atom1 atom2
691
692  [ angles ]  ; optional
693 ;atom1 atom2 atom3    th0    cth
694
695  [ dihedrals ]  ; optional
696 ;atom1 atom2 atom3 atom4   phi0     cp   mult
697
698  [ impropers ]  ; optional
699 ;atom1 atom2 atom3 atom4     q0     cq
700      N    -C    CA     H
701     -C   -CA     N    -O
702
703 [ ZN ]
704
705  [ atoms ]
706     ZN    ZN   2.000     0
707 \end{verbatim}}
708
709 The file is free format; the only restriction is that there can be at
710 most one entry on a line.  The first field in the file is the
711 {\tt [~bondedtypes~]} field, which is followed by four numbers,
712 indicating the interaction type for bonds, angles, dihedrals, and
713 improper dihedrals.  The file contains residue entries, which consist
714 of atoms and (optionally) bonds, angles, dihedrals, and impropers.  The
715 charge group codes denote the charge group numbers. Atoms in the same
716 charge group should always be ordered consecutively. When using the
717 hydrogen database with {\tt pdb2gmx} for adding missing hydrogens
718 (see~\ssecref{hdb}), the atom names defined in the {\tt .rtp} entry
719 should correspond exactly to the naming convention used in the
720 hydrogen database. The atom names in the bonded interaction can be
721 preceded by a minus or a plus, indicating that the atom is in the
722 preceding or following residue respectively.  Explicit parameters added
723 to bonds, angles, dihedrals, and impropers override
724 the standard parameters in the {\tt .itp} files.  This should only be
725 used in special cases. Instead of parameters, a string can be added
726 for each bonded interaction.  This is used in \gromosv{96} {\tt .rtp}
727 files. These strings are copied to the topology file and can be
728 replaced by force field parameters by the C-preprocessor in {\tt grompp}
729 using {\tt \#define} statements.
730
731 {\tt pdb2gmx} automatically generates all angles. This means that for 
732 most force fields the {\tt [~angles~]} field is only useful for overriding 
733 {\tt .itp} parameters. For the \gromosv{96} force field the interaction 
734 number of all angles needs to be specified.
735
736 {\tt pdb2gmx} automatically generates one proper dihedral for every rotatable
737 bond, preferably on heavy atoms. When the {\tt [~dihedrals~]} field is used,
738 no other dihedrals will be generated for the bonds corresponding to the
739 specified  dihedrals. It is possible to put more than one dihedral
740 function on a rotatable bond. 
741
742 {\tt pdb2gmx} sets the number of exclusions to 3, which
743 means that interactions between atoms connected by at most 3 bonds are
744 excluded. Pair interactions are generated for all pairs of atoms that are
745 separated by 3 bonds (except pairs of hydrogens).
746 When more interactions need to be excluded, or some pair interactions should
747 not be generated, an {\tt [~exclusions~]} field can be added, followed by
748 pairs of atom names on separate lines. All non-bonded and pair interactions
749 between these atoms will be excluded.
750
751 \subsection{Residue to building block database}
752 Each force field has its own naming convention for residues.
753 Most residues have consistent naming, but some, especially those
754 with different protonation states, can have many different names.
755 The {\tt .r2b} files are used to convert standard residue names to
756 the force field build block names. If no {\tt .r2b} is present
757 in the force field directory or a residue is not listed, the building
758 block name is assumed to be identical to the residue name.
759 The {\tt .r2b} can contain 2 or 5 columns. The 2-column format
760 has the residue name in the first column and the building block name
761 in the second. The 5-column format has 3 additional columns with
762 the building block for the residue occurring in the N-terminus, C-terminus
763 and both termini at the same time (single residue molecule).
764 This is useful for, for instance, the AMBER force fields.
765 If one or more of the terminal versions are not present, a dash should be entered
766 in the corresponding column.
767
768 There is a {\gromacs} naming convention for residues which is only
769 apparent (except for the {\tt pdb2gmx} code) through the {\tt .r2b} file
770 and {\tt specbond.dat} files.
771 This convention is only of importance when you are adding residue types
772 to an {\tt .rtp} file. The convention is listed in \tabref{r2b}.
773 For special bonds with, for instance, a heme group, the {\gromacs} naming
774 convention is introduced through {\tt specbond.dat} (see~\ssecref{specbond}), which can
775 subsequently be translated by the {\tt .r2b} file, if required.
776
777 \begin{table}
778 \centerline{
779 \begin{tabular}{|ll|}
780 \dline
781 ARG  & protonated arginine \\
782 ARGN & neutral arginine \\
783 ASP  & negatively charged aspartic acid \\
784 ASPH & neutral aspartic acid \\
785 CYS  & neutral cysteine \\
786 CYS2 & cysteine with sulfur bound to another cysteine or a heme \\
787 GLU  & negatively charged glutamic acid \\
788 GLUH & neutral glutamic acid \\
789 HISD & neutral histidine with N$_\delta$ protonated \\
790 HISE & neutral histidine with N$_\epsilon$ protonated \\
791 HISH & positive histidine with both N$_\delta$ and N$_\epsilon$ protonated \\
792 HIS1 & histidine bound to a heme \\
793 LYSN & neutral lysine \\
794 LYS  & protonated lysine \\
795 HEME & heme \\
796 \dline
797 \end{tabular}
798 }
799 \caption{Internal {\gromacs} residue naming convention.}
800 \label{tab:r2b}
801 \end{table}
802
803 \subsection{Atom renaming database}
804 Force fields often use atom names that do not follow IUPAC or PDB convention.
805 The {\tt .arn} database is used to translate the atom names in the coordinate
806 file to the force field names. Atoms that are not listed keep their names.
807 The file has three columns: the building block name,
808 the old atom name, and the new atom name, respectively. The residue name
809 supports question-mark wildcards that match a single character.
810
811 An additional general atom renaming file called {\tt xlateat.dat} is present
812 in the {\tt share/top} directory, which translates common non-standard
813 atom names in the coordinate file to IUPAC/PDB convention. Thus, when writing
814 force field files, you can assume standard atom names and no further
815 atom name translation is required, except for translating from standard atom names
816 to the force field ones.
817
818 \subsection{Hydrogen database}
819 \label{subsec:hdb}
820 The \swapindex{hydrogen}{database} is stored in {\tt .hdb} files. It
821 contains information for the {\tt pdb2gmx} program on how to connect
822 hydrogen atoms to existing atoms. In versions of the database before
823 {\gromacs} 3.3, hydrogen atoms were named after the atom they are
824 connected to: the first letter of the atom name was replaced by an
825 `H.' In the versions from 3.3 onwards, the H atom has to be listed explicitly,
826 because the old behavior was protein-specific and hence could not
827 be generalized to other molecules.
828 If more than one hydrogen atom is connected to the same atom, a
829 number will be added to the end of the hydrogen atom name. For
830 example, adding two hydrogen atoms to \texttt{ND2} (in asparagine), the
831 hydrogen atoms will be named \texttt{HD21} and \texttt{HD22}. This is
832 important since atom naming in the \texttt{.rtp} file (see~\ssecref{rtp})
833 must be the same. The format of the hydrogen database is as follows:
834
835 {\small
836 \begin{verbatim}
837 ; res   # additions
838         # H add type    H       i       j       k
839 ALA     1
840         1       1       H       N       -C      CA
841 ARG     4
842         1       2       H       N       CA      C
843         1       1       HE      NE      CD      CZ
844         2       3       HH1     NH1     CZ      NE
845         2       3       HH2     NH2     CZ      NE
846 \end{verbatim}}
847
848 On the first line we see the residue name (ALA or ARG) and the number
849 of kinds of hydrogen atoms that may be added to this residue by the
850 hydrogen database. After that follows one line for each addition, on which
851 we see:
852 \begin{itemize}
853 \item The number of H atoms added
854 \item The method for adding H atoms, which can be any of:
855 \begin{enumerate}
856 \item[1]{\em one planar hydrogen, {\eg} rings or peptide bond}\\
857 One hydrogen atom (n) is generated, lying in the plane of atoms
858 (i,j,k) on the plane bisecting angle (j-i-k) at a distance of 0.1 nm
859 from atom i, such that the angles (n-i-j) and (n-i-k) are $>$ 90$^{\rm o}$.
860
861 \item[2]{\em one single hydrogen, {\eg} hydroxyl}\\
862 One hydrogen atom (n) is generated at a distance of 0.1 nm from atom
863 i, such that angle (n-i-j)=109.5 degrees and dihedral (n-i-j-k)=trans.
864
865 \item[3]{\em two planar hydrogens, {\eg} ethylene -C=CH{$_2$}, or amide -C(=O)NH{$_2$}}\\
866 Two hydrogens (n1,n2) are generated at a distance of 0.1 nm from atom
867 i, such that angle (n1-i-j)=(n2-i-j)=120 degrees and dihedral
868 (n1-i-j-k)=cis and (n2-i-j-k)=trans, such that names are according to
869 IUPAC standards~\cite{iupac70}.
870
871 \item[4]{\em two or three tetrahedral hydrogens, {\eg} -CH{$_3$}}\\
872 Three (n1,n2,n3) or two (n1,n2) hydrogens are generated at a distance
873 of 0.1 nm from atom i, such that angle
874 (n1-i-j)=(n2-i-j)=(n3-i-j)=109.47$^{\rm o}$, dihedral (n1-i-j-k)=trans,
875 (n2-i-j-k)=trans+120 and (n3-i-j-k)=trans+240$^{\rm o}$.
876
877 \item[5]{\em one tetrahedral hydrogen, {\eg} C{$_3$}CH}\\
878 One hydrogen atom (n$^\prime$) is generated at a distance of 0.1 nm from atom
879 i in tetrahedral conformation such that angle
880 (n$^\prime$-i-j)=(n$^\prime$-i-k)=(n$^\prime$-i-l)=109.47$^{\rm o}$.
881
882 \item[6]{\em two tetrahedral hydrogens, {\eg} C-CH{$_2$}-C}\\
883 Two hydrogen atoms (n1,n2) are generated at a distance of 0.1 nm from
884 atom i in tetrahedral conformation on the plane bisecting angle j-i-k
885 with angle (n1-i-n2)=(n1-i-j)=(n1-i-k)=109.47$^{\rm o}$.
886
887 \item[7]{\em two water hydrogens}\\
888 Two hydrogens are generated around atom i according to
889 SPC~\cite{Berendsen81} water geometry. The symmetry axis will
890 alternate between three coordinate axes in both directions.
891
892 \item[10]{\em three water ``hydrogens''}\\
893 Two hydrogens are generated around atom i according to
894 SPC~\cite{Berendsen81} water geometry. The symmetry axis will
895 alternate between three coordinate axes in both directions. In addition,
896 an extra particle is generated on the position of the oxygen with
897 the first letter of the name replaced by `M'. This is for
898 use with four-atom water models such as TIP4P~\cite{Jorgensen83}.
899
900 \item[11]{\em four water ``hydrogens''}\\
901 Same as above, except that two additional
902 particles are generated on the position of the oxygen, with names
903 `LP1' and `LP2.' This is for
904 use with five-atom water models such as TIP5P~\cite{Mahoney2000a}.
905 \end{enumerate}
906
907 \item
908 The name of the new H atom (or its prefix, {\eg} {\tt HD2} for
909 the asparagine example given earlier).
910
911 \item
912 Three or four control atoms (i,j,k,l), where the first always is the
913 atom to which the H atoms are connected. The other two or three depend
914 on the code selected. For water, there is only one control atom.
915 \end{itemize}
916
917 Some more exotic cases can be approximately constructed from the above tools,
918 and with suitable use of energy minimization are good enough for beginning
919 MD simulations. For example secondary amine hydrogen, nitrenyl hydrogen
920 (C\nolinebreak[4]=\nolinebreak[4]NH) and even ethynyl hydrogen could be
921 approximately constructed using method 2 above for hydroxyl hydrogen.
922
923 \subsection{Termini database}
924 \label{subsec:tdb}
925 The \swapindex{termini}{database}s are stored in {\tt aminoacids.n.tdb} and
926 {\tt aminoacids.c.tdb} for the N- and C-termini respectively. They contain
927 information for the {\tt pdb2gmx} program on how to connect new atoms
928 to existing ones, which atoms should be removed or changed, and which
929 bonded interactions should be added. Their format is as follows
930 (from {\tt gromos43a1.ff/aminoacids.c.tdb}):
931
932 {\small
933 \begin{verbatim}
934 [ None ]
935
936 [ COO- ]
937 [ replace ]
938 C       C       C       12.011  0.27
939 O       O1      OM      15.9994 -0.635
940 OXT     O2      OM      15.9994 -0.635
941 [ add ]
942 2       8       O       C       CA      N
943         OM      15.9994 -0.635
944 [ bonds ]
945 C       O1      gb_5
946 C       O2      gb_5
947 [ angles ]
948 O1      C       O2      ga_37
949 CA      C       O1      ga_21
950 CA      C       O2      ga_21
951 [ dihedrals ]
952 N       CA      C       O2      gd_20
953 [ impropers ]
954 C       CA      O2      O1      gi_1
955 \end{verbatim}}
956
957 The file is organized in blocks, each with a header specifying the
958 name of the block. These blocks correspond to different types of
959 termini that can be added to a molecule. In this example {\tt [~COO-~]}
960 is the first block, corresponding to changing the terminal carbon
961 atom into a deprotonated carboxyl group. {\tt [~None~]} is the
962 second terminus type, corresponding to a terminus that leaves
963 the molecule as it is. Block names cannot be any of the following:
964 {\tt replace}, {\tt add}, {\tt delete}, {\tt bonds}, {\tt angles},
965 {\tt dihedrals}, {\tt impropers}.  Doing so would interfere with
966 the parameters of the block, and would probably also be very confusing
967 to human readers.
968
969 For each block the following options are present:
970 \begin{itemize}
971 \item {\tt [~replace~]} \\
972 Replace an existing atom by one with a different atom type, atom name,
973 charge, and/or mass. This entry can be used to replace an atom that is
974 present both in the input coordinates and in the {\tt .rtp} database,
975 but also to only rename an atom in the input coordinates such that
976 it matches the name in the force field. In the latter case, there
977 should also be a corresponding {\tt [~add~]} section present that
978 gives instructions to add the same atom, such that the position in the sequence
979 and the bonding is known. Such an atom can be present in the input
980 coordinates and kept, or not present and constructed by {\tt pdb2gmx}.
981 For each atom to be replaced on line should be
982 entered with the following fields:
983 \begin{itemize}
984 \item name of the atom to be replaced
985 \item new atom name (optional)
986 \item new atom type
987 \item new mass
988 \item new charge
989 \end{itemize}
990 \item {\tt [~add~]} \\
991 Add new atoms. For each (group of) added atom(s), a two-line entry is
992 necessary. The first line contains the same fields as an entry in the
993 hydrogen database (name of the new atom, 
994 number of atoms, type of addition, control atoms,
995 see~\ssecref{hdb}), but the possible types of addition are extended
996 by two more, specifically for C-terminal additions:
997 \begin{enumerate}
998 \item[8]{\em two carboxyl oxygens, -COO{$^-$}}\\
999 Two oxygens (n1,n2) are generated according to rule 3, at a distance
1000 of 0.136 nm from atom i and an angle (n1-i-j)=(n2-i-j)=117 degrees
1001 \item[9]{\em carboxyl oxygens and hydrogen, -COOH}\\
1002 Two oxygens (n1,n2) are generated according to rule 3, at distances of
1003 0.123 nm and 0.125 nm from atom i for n1 and n2, respectively, and angles
1004 (n1-i-j)=121 and (n2-i-j)=115 degrees. One hydrogen (n$^\prime$) is generated
1005 around n2 according to rule 2, where n-i-j and n-i-j-k should be read
1006 as n$^\prime$-n2-i and n$^\prime$-n2-i-j, respectively.
1007 \end{enumerate}
1008 After this line, another line follows that specifies the details of
1009 the added atom(s), in the same way as for replacing atoms, {\ie}: 
1010 \begin{itemize}
1011 \item atom type
1012 \item mass
1013 \item charge
1014 \item charge group (optional)
1015 \end{itemize}
1016 Like in the hydrogen database (see~\ssecref{rtp}), when more than
1017 one atom is connected to an existing one, a number will be appended to
1018 the end of the atom name. {\bf Note} that, like in the hydrogen database, the
1019 atom name is now on the same line as the control atoms, whereas it was
1020 at the beginning of the second line prior to {\gromacs} version 3.3.
1021 When the charge group field is left out, the added atom will have
1022 the same charge group number as the atom that it is bonded to.
1023 \item {\tt [~delete~]}\\
1024 Delete existing atoms. One atom name per line.
1025 \item {\tt [~bonds~]}, {\tt [~angles~]}, {\tt [~dihedrals~]} and {\tt [~impropers~]}\\
1026 Add additional bonded parameters. The format is identical to that used
1027 in the {\tt *.rtp} file, see~\ssecref{rtp}.
1028 \end{itemize}
1029
1030 \subsection{Virtual site database}
1031 Since we cannot rely on the positions of hydrogens in input files, we need a special
1032 input file to decide the geometries and parameters with which to add virtual site
1033 hydrogens. For more complex virtual site constructs ({\eg} when entire aromatic side chains
1034 are made rigid) we also need information about the equilibrium bond lengths and angles
1035 for all atoms in the side chain. This information is specified in the {\tt .vsd} file for each force 
1036 field. Just as for the termini, there is one such file for each class of residues in 
1037 the {\tt .rtp} file. 
1038
1039 The virtual site database is not really a very simple list of information. The first couple of sections
1040 specify which mass centers (typically called MCH$_3$/MNH$_3$) to use for CH$_3$, NH$_3$, 
1041 and NH$_2$ groups. Depending on the 
1042 equilibrium bond lengths and angles between the hydrogens and heavy atoms we need to apply
1043 slightly different constraint distances between these mass centers. {\bf Note} that we do {\em not} have to
1044 specify the actual parameters (that is automatic), just the type of mass center to use. To accomplish this,
1045 there are three sections names \verb+[ CH3 ]+, \verb+[ NH3 ]+, and \verb+[ NH2 ]+. For each of these we
1046 expect three columns. The first column is the atom type bound to the 2/3 hydrogens, the second column
1047 is the next heavy atom type which this is bound, and the third column the type of mass center to use.
1048 As a special case, in the  \verb+[ NH2 ]+ section it is also possible to specify \verb+planar+ in the second
1049 column, which will use a different construction without mass center. There are currently different opinions
1050 in some force fields whether an NH$_2$ group should be planar or not, but we try hard to stick to the
1051 default equilibrium parameters of the force field.
1052
1053 The second part of the virtual site database contains explicit equilibrium bond lengths and angles
1054 for pairs/triplets of atoms in aromatic side chains. These entries are currently read by specific routines
1055 in the virtual site generation code, so if you would like to extend it {\eg} to nucleic acids you would also
1056 need to write new code there. These sections are named after the short amino acid names
1057 (\verb+[ PHE ]+, \verb+[ TYR ]+, \verb+[ TRP ]+, \verb+[ HID ]+, \verb+[ HIE ]+, \verb+[ HIP ]+), and simply
1058 contain 2 or 3 columns with atom names, followed by a number specifying the bond length (in nm) or angle
1059 (in degrees). {\bf Note} that these are approximations of the equilibrated geometry for the entire molecule, 
1060 which might not be identical to the equilibrium value for a single bond/angle if the molecule is strained.
1061
1062 \subsection{Special bonds}
1063 \label{subsec:specbond}
1064 The primary mechanism used by {\tt \normindex{pdb2gmx}} to generate
1065 inter-residue bonds relies on head-to-tail linking of backbone atoms
1066 in different residues to build a macromolecule. In some cases ({\eg}
1067 \normindex{disulfide bonds}, a \normindex{heme group},
1068 \normindex{branched polymers}), it is necessary to create
1069 inter-residue bonds that do not lie on the backbone. The file {\tt
1070   \normindex{specbond.dat}} takes care of this function. It is
1071 necessary that the residues belong to the same {\tt [~moleculetype~]}.
1072 The {\tt -merge} and {\tt -chainsep} functions of {\tt pdb2gmx} can be
1073 useful when managing special inter-residue bonds between different
1074 chains.
1075
1076 The first line of {\tt specbond.dat} indicates the number of entries that are in the file. If you
1077 add a new entry, be sure to increment this number. The remaining lines in the file provide the
1078 specifications for creating bonds. The format of the lines is as follows:
1079
1080 {\tt resA  atomA  nbondsA  resB  atomB  nbondsB  length  newresA  newresB }
1081
1082 The columns indicate:
1083 \begin{enumerate}
1084 \item {\tt resA} The name of residue A that participates in the bond.
1085 \item {\tt atomA} The name of the atom in residue A that forms the bond.
1086 \item {\tt nbondsA} The total number of bonds {\tt atomA} can form.
1087 \item {\tt resB} The name of residue B that participates in the bond.
1088 \item {\tt atomB} The name of the atom in residue B that forms the bond.
1089 \item {\tt nbondsB} The total number of bonds {\tt atomB} can form.
1090 \item {\tt length} The reference length for the bond. If {\tt atomA} and {\tt atomB} are not within
1091 {\tt length} $\pm$ 10\% in the coordinate file supplied to {\tt pdb2gmx}, no bond will be formed.
1092 \item {\tt newresA} The new name of residue A, if necessary. Some force fields use {\eg} CYS2 for 
1093 a cysteine in a disulfide or heme linkage.
1094 \item {\tt newresB} The new name of residue B, likewise.
1095 \end{enumerate}
1096
1097
1098 \section{File formats}
1099 \subsection{Topology file\swapindexquiet{topology}{file}}
1100 \label{subsec:topfile}
1101 The topology file is built following the {\gromacs} specification for a
1102 molecular topology.  A {\tt *.top} file can be generated by
1103 {\tt pdb2gmx}.
1104 All possible entries in the topology file are listed in
1105 Tables \ref{tab:topfile1} and \ref{tab:topfile2}.
1106 Also tabulated are: all the units
1107 of the parameters, which interactions can be perturbed for free energy
1108 calculations, which bonded interactions are used by {\tt grompp}
1109 for generating exclusions, and which bonded interactions can be converted
1110 to constraints by {\tt grompp}.
1111
1112 %\renewcommand\floatpagefraction{.2}
1113
1114 \newcommand{\tts}{\tt \small}
1115
1116 % move these figures so they end up on facing pages 
1117 % (first figure on even page)
1118 \newcommand{\kJmol}{kJ~mol$^{-1}$}
1119 \newcommand{\kJmolnm}[1]{\kJmol~nm$^{#1}$}
1120 \newcommand{\kJmolrad}[1]{\kJmol~rad$^{#1}$}
1121 \newcommand{\kJmoldeg}[1]{\kJmol~deg$^{#1}$}
1122
1123 \begin{table}[p]
1124 \centering{
1125 \begin{tabular}{|l|llllc|}
1126 \multicolumn{6}{c}{\bf \large Parameters} \\
1127 \dline
1128 interaction     & directive           & \#  & f. & parameters                           & F. E. \\
1129 type    &                             & at. & tp &                                      &       \\
1130 \dline
1131 {\em mandatory} & {\tts defaults}       & & &   non-bonded function type; & \\
1132                 &                       & & &   combination rule$^{(cr)}$; &\\
1133                 &                       & & &   generate pairs (no/yes); & \\
1134                 &                       & & &   fudge LJ (); fudge QQ () & \\
1135 \hline
1136 {\em mandatory} & {\tts atomtypes}      &   &   & atom type; m (u); q (e); particle type; & \\
1137                 &                       &   &   & V$^{(cr)}$; W$^{(cr)}$ & \\
1138 %\hline
1139                 & {\tts bondtypes}      & \multicolumn{3}{l}{(see \tabref{topfile2}, directive {\tts bonds})}           & \\
1140                 & {\tts pairtypes}      & \multicolumn{3}{l}{(see \tabref{topfile2}, directive {\tts pairs})}           & \\
1141                 & {\tts angletypes}     & \multicolumn{3}{l}{(see \tabref{topfile2}, directive {\tts angles})}          & \\
1142                 & {\tts dihedraltypes}$^{(*)}$ & \multicolumn{3}{l}{(see \tabref{topfile2}, directive {\tts dihedrals})}& \\
1143                 & {\tts constrainttypes}& \multicolumn{3}{l}{(see \tabref{topfile2}, directive {\tts constraints})}     & \\
1144 LJ              & {\tts nonbond_params} & 2 & 1 & $V^{(cr)}$; $W^{(cr)}$ & \\
1145 Buckingham      & {\tts nonbond_params} & 2 & 2 & $a$ (\kJmol); $b$ (nm$^{-1})$;  & \\
1146  & & & & $c_6$ (\kJmolnm{6}) & \\
1147 \dline
1148 \multicolumn{6}{c}{~} \\
1149 \multicolumn{6}{c}{\bf \large Molecule definition(s)} \\
1150 \dline
1151 {\em mandatory} & {\tts moleculetype}   & & &   molecule name; $n_{ex}^{(nrexcl)}$  &   \\
1152 \hline
1153 {\em mandatory} & {\tts atoms}          & 1 &   & atom type; residue number;    & type  \\
1154                 &                       &   &   & residue name; atom name;      &       \\
1155                 &                       &   &   & charge group number; $q$ (e); $m$ (u)         & $q,m$ \\
1156 \hline
1157 \multicolumn{6}{|c|}{} \\
1158 \multicolumn{6}{|c|}{intra-molecular interaction and geometry definitions as described
1159 in \tabref{topfile2}} \\
1160 \multicolumn{6}{|c|}{} \\
1161 \dline
1162 \multicolumn{6}{c}{~} \\
1163 \multicolumn{6}{c}{\bf \large System} \\
1164 \dline
1165 {\em mandatory} & {\tts system}         & & &   system name     &       \\
1166 \hline
1167 {\em mandatory} & {\tts molecules}      & & &   \multicolumn{2}{l|}{molecule name; number of molecules} \\
1168 \dline
1169 \multicolumn{6}{c}{~} \\
1170 \multicolumn{6}{l}{`\# at' is the required number of atom type indices for this directive} \\
1171 \multicolumn{6}{l}{`f. tp' is the value used to select this function type} \\
1172 \multicolumn{6}{l}{`F. E.' indicates which of the parameters for this interaction can be} \\
1173 \multicolumn{6}{l}{\phantom{`F. E.'} interpolated during free energy calculations} \\
1174 \multicolumn{6}{l}{~$^{(cr)}$ the combination rule determines the type of LJ parameters, see~\ssecref{nbpar}}\\
1175 \multicolumn{6}{l}{~$^{(*)}$ for {\tts dihedraltypes} one can specify 4 atoms or the inner (outer for improper) 2 atoms}\\
1176 \multicolumn{6}{l}{~$^{(nrexcl)}$ exclude neighbors $n_{ex}$ bonds away for non-bonded interactions}\\
1177 \multicolumn{6}{l}{For free energy calculations, type, $q$ and $m$  or no parameters should be added}\\
1178 \multicolumn{6}{l}{for topology `B' ($\lambda = 1$) on the same line, after the normal parameters.}
1179 \end{tabular}
1180 }
1181 \caption{The topology ({\tts *.top}) file.}
1182 \label{tab:topfile1}
1183 \end{table}
1184
1185 \newcommand{\fnm}[1]{\footnotemark[#1]}
1186 \renewcommand{\thefootnote}{\fnsymbol{footnote}}
1187 %\renewcommand{\tts}{\tt \small}
1188 \newcommand{\ttss}{\tt \scriptsize}
1189
1190 \begin{landscape}
1191 \begin{longtable}{|l|lcc>{\raggedright}p{2.5in}cc|}
1192 \caption{Details of {\tt [~moleculetype~]} directives}\\
1193 \dline
1194 Name of interaction              & Topology file directive          & num.  & func. & Order of parameters and their units                   & use in     & Cross- \\
1195                                  &                                  & atoms\fnm{1} & type\fnm{2} &                                          & F.E.?\fnm{3} & references \\
1196 \dline
1197 \endhead
1198 \dline
1199 \endfoot
1200 \label{tab:topfile2}\footnotetext[1]{The required number of atom indices for this directive}\footnotetext[2]{The index to use to select this function type}\footnotetext[3]{Indicates which of the parameters for this interaction can be interpolated during free energy calculations}\footnotetext[4]{This interaction type will be used by {{\tts grompp}} for generating exclusions}\footnotetext[5]{This interaction type can be converted to constraints by {{\tts grompp}}}\footnotetext[7]{The combination rule determines the type of LJ parameters, see~\ssecref{nbpar}}\footnotetext[6]{No connection, and so no exclusions, are generated for this interaction}bond
1201                                    & {\tts bonds}\fnm{4},\fnm{5}    & 2     & 1     & $b_0$ (nm); $k_b$ (\kJmolnm{-2})                      & all        & \ssecref{harmonicbond} \\
1202 G96 bond                           & {\tts bonds}\fnm{4},\fnm{5}    & 2     & 2     & $b_0$ (nm); $k_b$ (\kJmolnm{-4})                      & all        & \ssecref{G96bond} \\
1203 Morse                              & {\tts bonds}\fnm{4},\fnm{5}    & 2     & 3     & $b_0$ (nm); $D$ (\kJmol); $\beta$ (nm$^{-1}$)         & all        & \ssecref{Morsebond} \\
1204 cubic bond                         & {\tts bonds}\fnm{4},\fnm{5}    & 2     & 4     & $b_0$ (nm); $C_{i=2,3}$ (\kJmolnm{-i})                &            & \ssecref{cubicbond} \\
1205 connection                         & {\tts bonds}\fnm{4}            & 2     & 5     &                                                       &            & \tsecref{excl} \\
1206 harmonic potential                 & {\tts bonds}                   & 2     & 6     & $b_0$ (nm); $k_b$ (\kJmolnm{-2})                      & all        & \ssecref{harmonicbond},\tsecref{excl} \\
1207 FENE bond                          & {\tts bonds}\fnm{4}            & 2     & 7     & $b_m$ (nm); $k_b$ (\kJmolnm{-2})                      &            & \ssecref{FENEbond} \\
1208 tabulated bond                     & {\tts bonds}\fnm{4}            & 2     & 8     & table number ($\geq 0$); $k$ (\kJmol)                 & $k$        & \ssecref{tabulatedinteraction} \\
1209 tabulated bond\fnm{6}              & {\tts bonds}                   & 2     & 9     & table number ($\geq 0$); $k$ (\kJmol)                 & $k$        & \ssecref{tabulatedinteraction},\tsecref{excl} \\
1210 restraint potential                & {\tts bonds}                   & 2     & 10    & low, up$_1$, up$_2$ (nm); $k_{dr}$ (\kJmolnm{-2})     & all        & \ssecref{harmonicrestraint} \\
1211 extra LJ or Coulomb                & {\tts pairs}                   & 2     & 1     & $V$\fnm{7}; $W$\fnm{7}                                & all        & \ssecref{pairinteractions} \\
1212 extra LJ or Coulomb                & {\tts pairs}                   & 2     & 2     & fudge QQ (); $q_i$, $q_j$ (e), $V$\fnm{7}; $W$\fnm{7} &            & \ssecref{pairinteractions} \\
1213 extra LJ or Coulomb                & {\tts pairs_nb}                & 2     & 1     & $q_i$, $q_j$ (e); $V$\fnm{7}; $W$\fnm{7}              &            & \ssecref{pairinteractions} \\
1214 angle                              & {\tts angles}\fnm{5}           & 3     & 1     & $\theta_0$ (deg); $k_\theta$ (\kJmolrad{-2})          & all        & \ssecref{harmonicangle} \\
1215 G96 angle                          & {\tts angles}\fnm{5}           & 3     & 2     & $\theta_0$ (deg); $k_\theta$ (\kJmol)                 & all        & \ssecref{G96angle} \\
1216 cross bond-bond                    & {\tts angles}                  & 3     & 3     & $r_{1e}$, $r_{2e}$ (nm); $k_{rr'}$ (\kJmolnm{-2})     &            & \ssecref{bondbondcross} \\
1217 cross bond-angle                   & {\tts angles}                  & 3     & 4     & $r_{1e}$, $r_{2e}$ $r_{3e}$ (nm); $k_{r\theta}$ (\kJmolnm{-2}) &   & \ssecref{bondanglecross} \\
1218 Urey-Bradley                       & {\tts angles}\fnm{5}           & 3     & 5     & $\theta_0$ (deg); $k_\theta$ (\kJmolrad{-2}); $r_{13}$ (nm); $k_{UB}$ (\kJmolnm{-2}) & all & \ssecref{Urey-Bradley} \\
1219 quartic angle                      & {\tts angles}\fnm{5}           & 3     & 6     & $\theta_0$ (deg); $C_{i=0,1,2,3,4}$ (\kJmolrad{-i})   &            & \ssecref{quarticangle} \\
1220 tabulated angle                    & {\tts angles}                  & 3     & 8     & table number ($\geq 0$); $k$ (\kJmol)                 & $k$        & \ssecref{tabulatedinteraction} \\
1221 restricted bending potential       & {\tts angles}                  & 3     & 10    & $\theta_0$ (deg); $k_\theta$ (\kJmol)                 &            & \ssecref{ReB} \\
1222 proper dihedral                    & {\tts dihedrals}               & 4     & 1     & $\phi_s$ (deg); $k_\phi$ (\kJmol); multiplicity       & $\phi,k$   & \ssecref{properdihedral} \\
1223 improper dihedral                  & {\tts dihedrals}               & 4     & 2     & $\xi_0$ (deg); $k_\xi$ (\kJmolrad{-2})                & all        & \ssecref{harmonicimproperdihedral} \\
1224 Ryckaert-Bellemans dihedral        & {\tts dihedrals}               & 4     & 3     & $C_0$, $C_1$, $C_2$, $C_3$, $C_4$, $C_5$ (\kJmol)     & all        & \ssecref{RBdihedral} \\
1225 periodic improper dihedral         & {\tts dihedrals}               & 4     & 4     & $\phi_s$ (deg); $k_\phi$ (\kJmol); multiplicity       & $\phi,k$   & \ssecref{periodicimproperdihedral} \\
1226 Fourier dihedral                   & {\tts dihedrals}               & 4     & 5     & $C_1$, $C_2$, $C_3$, $C_4$ (\kJmol)                   & all        & \ssecref{Fourierdihedral} \\
1227 tabulated dihedral                 & {\tts dihedrals}               & 4     & 8     & table number ($\geq 0$); $k$ (\kJmol)                 & $k$        & \ssecref{tabulatedinteraction} \\
1228 proper dihedral (multiple)         & {\tts dihedrals}               & 4     & 9     & $\phi_s$ (deg); $k_\phi$ (\kJmol); multiplicity       & $\phi,k$   & \ssecref{properdihedral} \\
1229 restricted dihedral                & {\tts dihedrals}               & 4     & 11    & $\phi_0$ (deg); $k_\phi$ (\kJmol)                    &            & \ssecref{ReT} \\
1230 combined bending-torsion potential & {\tts dihedrals}               & 4     & 10    & $a_0$, $a_1$, $a_2$, $a_3$, $a_4$ (\kJmol)       &            & \ssecref{CBT} \\
1231 exclusions                         & {\tts exclusions}              & 1     &       & one or more atom indices                              &            & \tsecref{excl} \\
1232 constraint                         & {\tts constraints}\fnm{4}      & 2     & 1     & $b_0$ (nm)                                            & all        & \sssecref{constraints},\tsecref{constraints} \\
1233 constraint\fnm{6}                  & {\tts constraints}             & 2     & 2     & $b_0$ (nm)                                            & all        & \sssecref{constraints},\tsecref{constraints},\tsecref{excl} \\
1234 SETTLE                             & {\tts settles}                 & 1     & 1     & $d_{\mbox{\sc oh}}$, $d_{\mbox{\sc hh}}$ (nm)         &            & \ssecref{SETTLE},\tsecref{constraints} \\
1235 2-body virtual site                & {\tts virtual_sites2}          & 3     & 1     & $a$ ()                                                &            & \ssecref{vsite2} \\
1236 3-body virtual site                & {\tts virtual_sites3}          & 4     & 1     & $a$, $b$ ()                                           &            & \ssecref{vsite3} \\
1237 3-body virtual site (fd)           & {\tts virtual_sites3}          & 4     & 2     & $a$ (); $d$ (nm)                                      &            & \ssecref{vsite3fd} \\
1238 3-body virtual site (fad)          & {\tts virtual_sites3}          & 4     & 3     & $\theta$ (deg); $d$ (nm)                              &            & \ssecref{vsite3fad} \\
1239 3-body virtual site (out)          & {\tts virtual_sites3}          & 4     & 4     & $a$, $b$ (); $c$ (nm$^{-1}$)                          &            & \ssecref{vsite3out} \\
1240 4-body virtual site (fdn)          & {\tts virtual_sites4}          & 5     & 2     & $a$, $b$ (); $c$ (nm)                                 &            & \ssecref{vsite4fdn} \\
1241 N-body virtual site (COG)          & {\tts virtual_sitesn}          & 1     & 1     & one or more constructing atom indices                 &            & \ssecref{vsiteN} \\
1242 N-body virtual site (COM)          & {\tts virtual_sitesn}          & 1     & 2     & one or more constructing atom indices                 &            & \ssecref{vsiteN} \\
1243 N-body virtual site (COW)          & {\tts virtual_sitesn}          & 1     & 3     & one or more pairs consisting of constructing atom index and weight & & \ssecref{vsiteN} \\
1244 position restraint                 & {\ttss position_restraints}    & 1     & 1     & $k_{x}$, $k_{y}$, $k_{z}$ (\kJmolnm{-2}) & all                     & \ssecref{positionrestraint} \\
1245 flat-bottomed position restraint   & {\ttss position_restraints}    & 1     & 2     & $g$, $r$ (nm), $k$ (\kJmolnm{-2})                     &            & \ssecref{fbpositionrestraint} \\
1246 %restraint potential                & {\tts bonds}                   & 2     & 10    & low, up$_1$, up$_2$ (nm); $k_{dr}$ (\kJmolnm{-2})     &            & \ssecref{} \\
1247 distance restraint                 & {\ttss distance_restraints}    & 2     & 1     & type; label; low, up$_1$, up$_2$ (nm); weight ()      &            & \ssecref{distancerestraint} \\
1248 dihedral restraint                 & {\ttss dihedral_restraints}    & 4     & 1     & $\phi_0$ (deg); $\Delta\phi$ (deg); &    all   & \ssecref{dihedralrestraint} \\
1249 orientation restraint              & {\ttss orientation_restraints} & 2     & 1     & exp.; label; $\alpha$; $c$ (U nm$^\alpha$); obs. (U); weight (U$^{-1}$) & & \ssecref{orientationrestraint} \\
1250 angle restraint                    & {\ttss angle_restraints}       & 4     & 1     & $\theta_0$ (deg); $k_c$ (\kJmol); multiplicity        & $\theta,k$ & \ssecref{anglerestraint} \\
1251 angle restraint (z)                & {\ttss angle_restraints_z}     & 2     & 1     & $\theta_0$ (deg); $k_c$ (\kJmol); multiplicity        & $\theta,k$ & \ssecref{anglerestraint} \\
1252 \end{longtable}
1253 \end{landscape}
1254
1255 \renewcommand{\thefootnote}{\arabic{footnote}}
1256
1257 %\renewcommand\floatpagefraction{.5}
1258
1259
1260 Description of the file layout:
1261 \begin{itemize}
1262 \item Semicolon (;) and newline characters surround comments
1263 \item On a line ending with $\backslash$ the newline character is ignored.
1264 \item Directives are surrounded by {\tt [} and {\tt ]}
1265 \item The topology hierarchy (which must be followed) consists of three levels:
1266 \begin{itemize}
1267 \item the parameter level, which defines certain force field specifications 
1268       (see~\tabref{topfile1})
1269 \item the molecule level, which should contain one or more molecule
1270       definitions (see~\tabref{topfile2})
1271 \item the system level, containing only system-specific information 
1272       ({\tt [~system~]} and {\tt [~molecules~]})
1273 \end{itemize}
1274 \item Items should be separated by spaces or tabs, not commas
1275 \item Atoms in molecules should be numbered consecutively starting at 1
1276 \item Atoms in the same charge group must be listed consecutively
1277 \item The file is parsed only once, which implies that no forward
1278       references can be treated: items must be defined before they
1279       can be used
1280 \item Exclusions can be generated from the bonds or
1281       overridden manually
1282 \item The bonded force types can be generated from the atom types or
1283       overridden per bond
1284 \item It is possible to apply multiple bonded interactions of the same type
1285       on the same atoms
1286 \item Descriptive comment lines and empty lines are highly recommended
1287 \item Starting with {\gromacs} version 3.1.3, all directives at the
1288       parameter level can be used multiple times and there are no
1289       restrictions on the order, except that an atom type needs to be
1290       defined before it can be used in other parameter definitions
1291 \item If parameters for a certain interaction are defined multiple times
1292       for the same combination of atom types the last definition is used;
1293       starting with {\gromacs} version 3.1.3 {\tt grompp} generates a
1294       warning for parameter redefinitions with different values
1295 \item Using one of the {\tt [~atoms~]}, {\tt [~bonds~]},
1296       {\tt [~pairs~]}, {\tt [~angles~]}, etc. without having used
1297       {\tt [~moleculetype~]}
1298       before is meaningless and generates a warning
1299 \item Using {\tt [~molecules~]} without having used
1300       {\tt [~system~]} before is meaningless and generates a warning.
1301 \item After {\tt [~system~]} the only allowed directive is {\tt [~molecules~]}
1302 \item Using an unknown string in {\tt [ ]} causes all the data until
1303       the next directive to be ignored and generates a warning
1304 \end{itemize}
1305
1306 Here is an example of a topology file, {\tt urea.top}:
1307
1308 {\small
1309 \begin{verbatim}
1310 ;
1311 ;       Example topology file
1312 ;
1313 ; The force field files to be included
1314 #include "amber99.ff/forcefield.itp"
1315
1316 [ moleculetype ]
1317 ; name  nrexcl
1318 Urea         3
1319
1320 [ atoms ]
1321    1  C  1  URE      C      1     0.880229  12.01000   ; amber C  type
1322    2  O  1  URE      O      2    -0.613359  16.00000   ; amber O  type
1323    3  N  1  URE     N1      3    -0.923545  14.01000   ; amber N  type
1324    4  H  1  URE    H11      4     0.395055   1.00800   ; amber H  type
1325    5  H  1  URE    H12      5     0.395055   1.00800   ; amber H  type
1326    6  N  1  URE     N2      6    -0.923545  14.01000   ; amber N  type
1327    7  H  1  URE    H21      7     0.395055   1.00800   ; amber H  type
1328    8  H  1  URE    H22      8     0.395055   1.00800   ; amber H  type
1329
1330 [ bonds ]
1331     1   2
1332     1   3       
1333     1   6
1334     3   4
1335     3   5
1336     6   7
1337     6   8
1338
1339 [ dihedrals ] 
1340 ;   ai    aj    ak    al funct  definition
1341      2     1     3     4   9     
1342      2     1     3     5   9     
1343      2     1     6     7   9     
1344      2     1     6     8   9     
1345      3     1     6     7   9     
1346      3     1     6     8   9     
1347      6     1     3     4   9     
1348      6     1     3     5   9     
1349
1350 [ dihedrals ] 
1351      3     6     1     2   4     
1352      1     4     3     5   4     
1353      1     7     6     8   4
1354
1355 [ position_restraints ]
1356 ; you wouldn't normally use this for a molecule like Urea,
1357 ; but we include it here for didactic purposes
1358 ; ai   funct    fc
1359    1     1     1000    1000    1000 ; Restrain to a point
1360    2     1     1000       0    1000 ; Restrain to a line (Y-axis)
1361    3     1     1000       0       0 ; Restrain to a plane (Y-Z-plane)
1362
1363 ; Include TIP3P water topology
1364 #include "amber99/tip3p.itp"
1365
1366 [ system ]
1367 Urea in Water
1368
1369 [ molecules ]
1370 ;molecule name   nr.
1371 Urea             1
1372 SOL              1000
1373 \end{verbatim}}
1374
1375 Here follows the explanatory text.
1376
1377 {\bf {\tt \#include "amber99.ff/forcefield.itp"} :} this includes the
1378 information for the force field you are using, including
1379 bonded and non-bonded parameters. This example uses the AMBER99 force
1380 field, but your simulation may use a different force field.
1381 {\tt grompp} will automatically go and find this file and copy-and-paste
1382 its content. That content can be seen in
1383 \linebreak {\tt share/top/amber99.ff/forcefield.itp}, and it is
1384
1385 {\small
1386 \begin{verbatim}
1387 #define _FF_AMBER
1388 #define _FF_AMBER99
1389
1390 [ defaults ]
1391 ; nbfunc        comb-rule       gen-pairs       fudgeLJ fudgeQQ
1392 1               2               yes             0.5     0.8333
1393
1394 #include "ffnonbonded.itp"
1395 #include "ffbonded.itp"
1396 #include "gbsa.itp"
1397 \end{verbatim}}
1398
1399 The two {\tt \#define} statements set up the conditions so that
1400 future parts of the topology can know that the AMBER 99 force
1401 field is in use.
1402
1403 {\bf {\tt [~defaults~]} :}
1404 \begin{itemize}
1405 \item {\tt nbfunc} is the non-bonded function type. Use 1 (Lennard-Jones) or 2 (Buckingham)
1406 \item {\tt comb-rule} is the number of the \normindex{combination rule} (see \ssecref{nbpar}).
1407 \item {\tt gen-pairs} is for pair generation. The default is `no', {\ie} 
1408 get 1-4 parameters from the pairtypes list. When parameters
1409 are not present in the list, stop with a fatal error.
1410 Setting `yes' generates 1-4 parameters that are not present in the pair list
1411 from normal Lennard-Jones parameters using {\tt fudgeLJ}
1412 \item {\tt fudgeLJ} is the factor by which to multiply Lennard-Jones 1-4 interactions, default 1
1413 \item {\tt fudgeQQ} is the factor by which to multiply electrostatic 1-4 interactions, default 1
1414 \item $N$ is the power for the repulsion term in a 6-$N$ potential (with 
1415 nonbonded-type Lennard-Jones only), starting with {\gromacs} version 4.5,
1416 {\tt mdrun} also reads and applies $N$, for values not equal to 12 tabulated
1417 interaction functions are used
1418 (in older version you would have to use user tabulated interactions).
1419 \end{itemize}
1420 {\bf Note} that {\tt gen-pairs}, {\tt fudgeLJ}, {\tt fudgeQQ}, and $N$ are optional.
1421 {\tt fudgeLJ} is only used when generate pairs is set to `yes', and
1422 {\tt fudgeQQ} is always used. However, if you
1423 want to specify $N$ you need to give a value for the other parameters as well.
1424
1425 Then some other {\tt \#include} statements add in the large amount of data needed
1426 to describe the rest of the force field. We will skip these and return to {\tt urea.top}.
1427 There we will see
1428
1429 % move these figures so they end up on facing pages 
1430 % (first figure on even page)
1431 %\input{topolfig}
1432
1433 {\bf {\tt [~moleculetype~]} :} defines the name of your molecule in
1434 this {\tt *.top} and nrexcl = 3 stands for excluding non-bonded
1435 interactions between atoms that are no further than 3 bonds away.
1436
1437 {\bf {\tt [~atoms~]} :} defines the molecule, where {\tt nr} and
1438 {\tt type} are fixed, the rest is user defined. So {\tt atom} can be named
1439 as you like, {\tt cgnr} made larger or smaller (if possible, the total
1440 charge of a charge group should be zero), and charges can be changed
1441 here too.
1442
1443 {\bf {\tt [~bonds~]} :} no comment.
1444
1445 {\bf {\tt [~pairs~]} :} LJ and Coulomb 1-4 interactions
1446
1447 {\bf {\tt [~angles~]} :} no comment
1448
1449 {\bf {\tt [~dihedrals~]} :} in this case there are 9 proper dihedrals
1450 (funct = 1), 3 improper (funct = 4) and no Ryckaert-Bellemans type
1451 dihedrals. If you want to include Ryckaert-Bellemans type dihedrals
1452 in a topology, do the following (in case of {\eg} decane):
1453 \begin{verbatim}
1454 [ dihedrals ]
1455 ;  ai    aj    ak    al funct       c0       c1       c2
1456     1    2     3     4     3 
1457     2    3     4     5     3
1458 \end{verbatim}
1459 In the original implementation of the potential for
1460 alkanes~\cite{Ryckaert78} no 1-4 interactions were used, which means
1461 that in order to implement that particular force field you need to remove the 1-4
1462 interactions from the {\tt [~pairs~]} section of your topology. In
1463 most modern force fields, like OPLS/AA or Amber the rules are
1464 different, and the Ryckaert-Bellemans potential is used as a cosine
1465 series in combination with 1-4 interactions.
1466
1467 {\bf {\tt [~position_restraints~]} :} harmonically restrain the selected particles
1468 to reference positions (\ssecref{positionrestraint}). 
1469 The reference positions are read from a 
1470 separate coordinate file by {\tt \normindex{grompp}}.
1471
1472 {\bf {\tt \#include "tip3p.itp"} :} includes a topology file that was already
1473 constructed (see section~\ssecref{molitp}).
1474
1475 {\bf {\tt [~system~]} :} title of your system, user-defined
1476
1477 {\bf {\tt [~molecules~]} :} this defines the total number of (sub)molecules
1478 in your system that are defined in this {\tt *.top}. In this
1479 example file, it stands for 1 urea molecule dissolved in 1000 water
1480 molecules. The molecule type SOL is defined in the {\tt tip3p.itp} file.
1481 Each name here must correspond to a name given with {\tt [~moleculetype~]}
1482 earlier in the topology. The order of the blocks of molecule types and
1483 the numbers of such molecules must match the coordinate file that
1484 accompanies the topology when supplied to {\tt \normindex{grompp}}.
1485 The blocks of molecules do not need to be contiguous, but some
1486 tools (e.g. {\tt \normindex{genion}}) may act only on the first or
1487 last such block of a particular molecule type. Also, these blocks
1488 have nothing to do with the definition of \normindex{groups}
1489 (see \secref{groupconcept} and \secref{usinggroups}).
1490
1491 \subsection{Molecule.itp file}
1492 \label{subsec:molitp}
1493 If you construct a topology file you will use frequently (like the water
1494 molecule, {\tt tip3p.itp}, which is already constructed for you) it is
1495 good to make a {\tt molecule.itp} file. This only lists the
1496 information of one particular molecule and allows you to re-use the
1497 {\tt [ moleculetype ]} in multiple systems without re-invoking
1498 {\tt pdb2gmx} or manually copying and pasting. An example
1499 {\tt urea.itp} follows: 
1500
1501 {\small
1502 \begin{verbatim}
1503 [ moleculetype ]
1504 ; molname       nrexcl
1505 URE             3
1506
1507 [ atoms ]
1508    1  C  1  URE      C      1     0.880229  12.01000   ; amber C  type
1509 ...
1510    8  H  1  URE    H22      8     0.395055   1.00800   ; amber H  type
1511
1512 [ bonds ]
1513     1   2
1514 ...
1515     6   8
1516 [ dihedrals ] 
1517 ;   ai    aj    ak    al funct  definition
1518      2     1     3     4   9     
1519 ...
1520      6     1     3     5   9     
1521 [ dihedrals ] 
1522      3     6     1     2   4     
1523      1     4     3     5   4     
1524      1     7     6     8   4
1525 \end{verbatim}}
1526
1527 Using {\tt *.itp} files results in a very short {\tt *.top} file:
1528
1529 {\small
1530 \begin{verbatim}
1531 ;
1532 ;       Example topology file
1533 ;
1534 ; The force field files to be included
1535 #include "amber99.ff/forcefield.itp"
1536
1537 #include "urea.itp"
1538
1539 ; Include TIP3P water topology
1540 #include "amber99/tip3p.itp"
1541
1542 [ system ]
1543 Urea in Water
1544
1545 [ molecules ]
1546 ;molecule name   nr.
1547 Urea             1
1548 SOL              1000
1549 \end{verbatim}}
1550
1551 \subsection{Ifdef statements}
1552 \label{subsec:ifdef}
1553 A very powerful feature in {\gromacs} is the use of {\tt \#ifdef}
1554 statements in your {\tt *.top} file. By making use of this statement,
1555 and associated {\tt \#define} statements like were seen in
1556 \linebreak {\tt amber99.ff/forcefield.itp} earlier,
1557 different parameters for one molecule can be used in the same
1558 {\tt *.top} file. An example is given for TFE, where there is an option to
1559 use different charges on the atoms: charges derived by De Loof
1560 {\etal}~\cite{Loof92} or by Van Buuren and
1561 Berendsen~\cite{Buuren93a}. In fact, you can use much of the functionality of the
1562 C preprocessor, {\tt cpp}, because {\tt grompp} contains similar pre-processing
1563 functions to scan the file.  The
1564 way to make use of the {\tt \#ifdef} option is as follows:
1565 \begin{itemize}
1566 \item either use the option {\tt define = -DDeLoof} in the
1567       {\tt *.mdp} file (containing {\tt grompp} input
1568       parameters), or use the line {\tt \#define DeLoof}
1569       early in your {\tt *.top} or {\tt *.itp} file; and
1570 \item put the {\tt \#ifdef} statements in your {\tt *.top}, as
1571       shown below: 
1572 \end{itemize}
1573
1574 {\small
1575 \begin{verbatim}
1576 ...
1577
1578
1579
1580 [ atoms ]
1581 ; nr     type     resnr    residu     atom      cgnr      charge        mass
1582 #ifdef DeLoof
1583 ; Use Charges from DeLoof
1584    1        C        1        TFE        C         1        0.74        
1585    2        F        1        TFE        F         1       -0.25        
1586    3        F        1        TFE        F         1       -0.25        
1587    4        F        1        TFE        F         1       -0.25        
1588    5      CH2        1        TFE      CH2         1        0.25        
1589    6       OA        1        TFE       OA         1       -0.65        
1590    7       HO        1        TFE       HO         1        0.41        
1591 #else
1592 ; Use Charges from VanBuuren
1593    1        C        1        TFE        C         1        0.59        
1594    2        F        1        TFE        F         1       -0.2         
1595    3        F        1        TFE        F         1       -0.2         
1596    4        F        1        TFE        F         1       -0.2         
1597    5      CH2        1        TFE      CH2         1        0.26        
1598    6       OA        1        TFE       OA         1       -0.55        
1599    7       HO        1        TFE       HO         1        0.3         
1600 #endif
1601
1602 [ bonds ]
1603 ;  ai    aj funct           c0           c1
1604     6     7     1 1.000000e-01 3.138000e+05 
1605     1     2     1 1.360000e-01 4.184000e+05 
1606     1     3     1 1.360000e-01 4.184000e+05 
1607     1     4     1 1.360000e-01 4.184000e+05 
1608     1     5     1 1.530000e-01 3.347000e+05 
1609     5     6     1 1.430000e-01 3.347000e+05 
1610 ...
1611 \end{verbatim}}
1612
1613 This mechanism is used by {\tt pdb2gmx} to implement optional position
1614 restraints (\ssecref{positionrestraint}) by {\tt \#include}-ing an {\tt .itp} file whose contents
1615 will be meaningful only if a particular {\tt \#define} is set (and spelled
1616 correctly!)
1617
1618 \subsection{Topologies for free energy calculations}
1619 \index{free energy topologies}
1620 Free energy differences between two systems, A and B, can be calculated as
1621 described in \secref{fecalc}.
1622 Systems A and B are described by topologies
1623 consisting of the same number of molecules with the same number of
1624 atoms. Masses and non-bonded interactions can be perturbed by adding B
1625 parameters under the {\tt [~atoms~]} directive. Bonded interactions can be 
1626 perturbed by adding B parameters to the bonded types or the bonded
1627 interactions. The parameters that can be perturbed are listed in  
1628 Tables \ref{tab:topfile1} and \ref{tab:topfile2}.
1629 The $\lambda$-dependence of the interactions is described
1630 in section \secref{feia}.
1631 The bonded parameters that are used (on the line of the bonded
1632 interaction definition, or the ones looked up on atom types
1633 in the bonded type lists) is explained in \tabref{topfe}.
1634 In most cases, things should work intuitively.
1635 When the A and B atom types in a bonded interaction
1636 are not all identical and parameters are not present for the B-state,
1637 either on the line or in the bonded types,
1638 {\tt grompp} uses the A-state parameters and issues a warning.
1639 For free energy calculations, all or no parameters for topology B
1640 ($\lambda = 1$) should be added on the same line, after the normal
1641 parameters, in the same order as the normal parameters.
1642 From {\gromacs} 4.6 onward, if $\lambda$ is treated as a vector, then
1643 the {\tt bonded-lambdas} component controls all bonded terms that are
1644 not explicitly labeled as restraints.  Restrain terms are controlled
1645 by the {\tt restraint-lambdas} component.
1646
1647 \begin{table}
1648 \centerline{
1649 \begin{tabular}{|c|cc|cc|cc|c|}
1650 \dline
1651 B-state atom types & \multicolumn{2}{c|}{parameters} & \multicolumn{4}{c|}{parameters in bonded types} & \\
1652 all identical to      & \multicolumn{2}{c|}{on line} & \multicolumn{2}{c|}{A atom types} & \multicolumn{2}{c|}{B atom types} & message \\
1653 A-state atom types & A & B & A & B & A & B & \\
1654 \dline
1655     & +AB & $-$ &  x  &  x  &     &     & \\
1656     & +A  & +B  &  x  &  x  &     &     & \\
1657 yes & $-$ & $-$ & $-$ & $-$ &     &     & error \\
1658     & $-$ & $-$ & +AB & $-$ &     &     & \\
1659     & $-$ & $-$ & +A  & +B  &     &     & \\
1660 \hline
1661     & +AB & $-$ &  x  &  x  &  x  &  x  & warning \\
1662     & +A  & +B  &  x  &  x  &  x  &  x  & \\
1663     & $-$ & $-$ & $-$ & $-$ &  x  &  x  & error \\
1664 no  & $-$ & $-$ & +AB & $-$ & $-$ & $-$ & warning \\
1665     & $-$ & $-$ & +A  & +B  & $-$ & $-$ & warning \\
1666     & $-$ & $-$ & +A  &  x  & +B  & $-$ & \\
1667     & $-$ & $-$ & +A  &  x  &  +  & +B  & \\
1668 \dline
1669 \end{tabular}
1670 }
1671 \caption{The bonded parameters that are used for free energy topologies,
1672 on the line of the bonded interaction definition or looked up
1673 in the bond types section based on atom types. A and B indicate the
1674 parameters used for state A and B respectively, + and $-$ indicate
1675 the (non-)presence of parameters in the topology, x indicates that
1676 the presence has no influence.}
1677 \label{tab:topfe}
1678 \end{table}
1679
1680 Below is an example of a topology which changes from 200 propanols to
1681 200 pentanes using the \gromosv{96} force field.\\
1682
1683 {\small
1684 \begin{verbatim}
1685  
1686 ; Include force field parameters
1687 #include "gromos43a1.ff/forcefield.itp"
1688
1689 [ moleculetype ]
1690 ; Name            nrexcl
1691 PropPent          3
1692
1693 [ atoms ]
1694 ; nr type resnr residue atom cgnr  charge    mass  typeB chargeB  massB
1695   1    H    1     PROP    PH    1   0.398    1.008  CH3     0.0  15.035
1696   2   OA    1     PROP    PO    1  -0.548  15.9994  CH2     0.0  14.027
1697   3  CH2    1     PROP   PC1    1   0.150   14.027  CH2     0.0  14.027
1698   4  CH2    1     PROP   PC2    2   0.000   14.027
1699   5  CH3    1     PROP   PC3    2   0.000   15.035
1700
1701 [ bonds ]
1702 ;  ai    aj funct    par_A  par_B 
1703     1     2     2    gb_1   gb_26
1704     2     3     2    gb_17  gb_26
1705     3     4     2    gb_26  gb_26
1706     4     5     2    gb_26
1707
1708 [ pairs ]
1709 ;  ai    aj funct
1710     1     4     1
1711     2     5     1
1712
1713 [ angles ]
1714 ;  ai    aj    ak funct    par_A   par_B
1715     1     2     3     2    ga_11   ga_14
1716     2     3     4     2    ga_14   ga_14
1717     3     4     5     2    ga_14   ga_14
1718
1719 [ dihedrals ]
1720 ;  ai    aj    ak    al funct    par_A   par_B
1721     1     2     3     4     1    gd_12   gd_17
1722     2     3     4     5     1    gd_17   gd_17
1723
1724 [ system ]
1725 ; Name
1726 Propanol to Pentane
1727
1728 [ molecules ]
1729 ; Compound        #mols
1730 PropPent          200
1731 \end{verbatim}}
1732
1733 Atoms that are not perturbed, {\tt PC2} and {\tt PC3}, do not need B-state parameter
1734 specifications, since the B parameters will be copied from the A parameters.
1735 Bonded interactions between atoms that are not perturbed do not need B
1736 parameter specifications, as is the case for the last bond in the example topology.
1737 Topologies using the OPLS/AA force field need no bonded parameters at all,
1738 since both the A and B parameters are determined by the atom types.
1739 Non-bonded interactions involving one or two perturbed atoms use the 
1740 free-energy perturbation functional forms.
1741 Non-bonded interactions between two non-perturbed atoms use the normal
1742 functional forms.
1743 This means that when, for instance, only the charge of a particle is
1744 perturbed, its Lennard-Jones interactions will also be affected when
1745 lambda is not equal to zero or one.
1746
1747 {\bf Note} that this topology uses the \gromosv{96} force field, in which the bonded
1748 interactions are not determined by the atom types. The bonded interaction
1749 strings are converted by the C-preprocessor. The force field parameter
1750 files contain lines like:
1751
1752 {\small
1753 \begin{verbatim}
1754 #define gb_26       0.1530  7.1500e+06
1755
1756 #define gd_17     0.000       5.86          3
1757 \end{verbatim}}
1758
1759 \subsection{Constraint forces\index{constraint force}}
1760 \label{subsec:constraintforce}
1761 The constraint force between two atoms in one molecule can be calculated
1762 with the free energy perturbation code by adding a constraint between the
1763 two atoms, with a different length in the A and B topology. When the B length
1764 is 1 nm longer than the A length and lambda is kept constant at zero,
1765 the derivative of the Hamiltonian with respect to lambda is the constraint
1766 force. For constraints between molecules, the pull code can be used,
1767 see \secref{pull}.
1768 Below is an example for calculating the constraint force at 0.7 nm
1769 between two methanes in water, by combining the two methanes into one ``molecule.''
1770 {\bf Note} that the definition of a ``molecule'' in {\gromacs} does not necessarily
1771 correspond to the chemical definition of a molecule.  In {\gromacs}, a ``molecule''
1772 can be defined as any group of atoms that one wishes to consider simultaneously.
1773 The added constraint is of function type 2, which means that it is not
1774 used for generating exclusions (see~\secref{excl}). 
1775 Note that the constraint free energy term is included in the derivative term, and is
1776 specifically included in the {\tt bonded-lambdas} component. However, the free
1777 energy for changing constraints is {\em not} included in the potential energy
1778 differences used for BAR and MBAR, as this requires reevaluating the energy at
1779 each of the constraint components.  This functionality is planned for later versions.\\
1780
1781 {\small
1782 \begin{verbatim}
1783 ; Include force field parameters
1784 #include "gromos43a1.ff/forcefield.itp"
1785
1786 [ moleculetype ]
1787 ; Name            nrexcl
1788 Methanes               1
1789
1790 [ atoms ]
1791 ; nr   type   resnr  residu   atom    cgnr     charge    mass
1792    1    CH4     1     CH4      C1       1          0    16.043
1793    2    CH4     1     CH4      C2       2          0    16.043
1794 [ constraints ]
1795 ;  ai    aj funct   length_A  length_B
1796     1     2     2        0.7       1.7
1797
1798 #include "gromos43a1.ff/spc.itp"
1799
1800 [ system ]
1801 ; Name
1802 Methanes in Water
1803
1804 [ molecules ]
1805 ; Compound        #mols
1806 Methanes              1
1807 SOL                2002
1808 \end{verbatim}}
1809
1810 \subsection{Coordinate file}
1811 \label{subsec:grofile}
1812 Files with the {\tt .gro} file extension contain a molecular structure in 
1813 \gromosv{87} format. A sample piece is included below:
1814
1815 {\small
1816 \begin{verbatim}
1817 MD of 2 waters, reformat step, PA aug-91
1818     6
1819     1WATER  OW1    1   0.126   1.624   1.679  0.1227 -0.0580  0.0434
1820     1WATER  HW2    2   0.190   1.661   1.747  0.8085  0.3191 -0.7791
1821     1WATER  HW3    3   0.177   1.568   1.613 -0.9045 -2.6469  1.3180
1822     2WATER  OW1    4   1.275   0.053   0.622  0.2519  0.3140 -0.1734
1823     2WATER  HW2    5   1.337   0.002   0.680 -1.0641 -1.1349  0.0257
1824     2WATER  HW3    6   1.326   0.120   0.568  1.9427 -0.8216 -0.0244
1825    1.82060   1.82060   1.82060
1826 \end{verbatim}}
1827
1828 This format is fixed, {\ie} all columns are in a fixed position. If you
1829 want to read such a file in your own program without using the
1830 {\gromacs} libraries you can use the following formats:
1831
1832 {\bf C-format:} {\tt "\%5i\%5s\%5s\%5i\%8.3f\%8.3f\%8.3f\%8.4f\%8.4f\%8.4f"}
1833
1834 Or to be more precise, with title {\em etc.} it looks like this:
1835
1836 \begin{verbatim}
1837   "%s\n", Title
1838   "%5d\n", natoms
1839   for (i=0; (i<natoms); i++) {
1840     "%5d%-5s%5s%5d%8.3f%8.3f%8.3f%8.4f%8.4f%8.4f\n",
1841       residuenr,residuename,atomname,atomnr,x,y,z,vx,vy,vz
1842   }
1843   "%10.5f%10.5f%10.5f%10.5f%10.5f%10.5f%10.5f%10.5f%10.5f\n",
1844     box[X][X],box[Y][Y],box[Z][Z],
1845     box[X][Y],box[X][Z],box[Y][X],box[Y][Z],box[Z][X],box[Z][Y]
1846 \end{verbatim}
1847
1848 {\bf Fortran format:} {\tt (i5,2a5,i5,3f8.3,3f8.4)}
1849
1850 So {\tt confin.gro} is the {\gromacs} coordinate file and is almost
1851 the same as the \gromosv{87} file (for {\gromos} users: when used with
1852 {\tt ntx=7}).  The only difference is the box for which {\gromacs} uses a
1853 tensor, not a vector.
1854
1855
1856
1857 \section{Force field organization \index{force field organization}}
1858 \label{sec:fforganization}
1859
1860 \subsection{Force field files}
1861 \label{subsec:fffiles}
1862 Many force fields are available by default.
1863 Force fields are detected by the presence of {\tt <name>.ff} directories
1864 in the {\gromacs} {\tt /share/top} sub-directory and/or the working directory.
1865 The information regarding the location of the force field files is printed
1866 by {\tt pdb2gmx} so you can easily keep track of which version of a force field
1867 is being called, in case you have made modifications in one location or another.
1868 The force fields included with {\gromacs} are:
1869
1870 {\small
1871 \begin{itemize}
1872  \item AMBER03 protein, nucleic AMBER94 (Duan et al., J. Comp. Chem. 24, 1999-2012, 2003)
1873  \item AMBER94 force field (Cornell et al., JACS 117, 5179-5197, 1995)
1874  \item AMBER96 protein, nucleic AMBER94 (Kollman et al., Acc. Chem. Res. 29, 461-469, 1996)
1875  \item AMBER99 protein, nucleic AMBER94 (Wang et al., J. Comp. Chem. 21, 1049-1074, 2000)
1876  \item AMBER99SB protein, nucleic AMBER94 (Hornak et al., Proteins 65, 712-725, 2006)
1877  \item AMBER99SB-ILDN protein, nucleic AMBER94 (Lindorff-Larsen et al., Proteins 78, 1950-58, 2010)
1878  \item AMBER99SB-ILDN-BSC0 protein, nucleic AMBER94 with ParmBSC0 (Perez et al., Biophys J. 2, 3817–29, 2007)
1879  \item AMBERGS force field (Garcia \& Sanbonmatsu, PNAS 99, 2782-2787, 2002)
1880  \item CHARMM27 all-atom force field (CHARM22 plus CMAP for proteins)
1881  \item GROMOS96 43a1 force field
1882  \item GROMOS96 43a2 force field (improved alkane dihedrals)
1883  \item GROMOS96 45a3 force field (Schuler JCC 2001 22 1205)
1884  \item GROMOS96 53a5 force field (JCC 2004 vol 25 pag 1656)
1885  \item GROMOS96 53a6 force field (JCC 2004 vol 25 pag 1656)
1886  \item GROMOS96 54a7 force field (Eur. Biophys. J. (2011), 40,, 843-856, DOI: 10.1007/s00249-011-0700-9)
1887  \item OPLS-AA/L all-atom force field (2001 aminoacid dihedrals)
1888 \end{itemize}} 
1889  
1890 A force field is included at the beginning of a topology file with an
1891 {\tt \#include} statement followed by {\tt <name>.ff/forcefield.itp}.
1892 This statement includes the force field file,
1893 which, in turn, may include other force field files. All the force fields
1894 are organized in the same way. An example of the
1895 {\tt amber99.ff/forcefield.itp} was shown in \ssecref{topfile}.
1896
1897 For each force field, there several files which are only used by {\tt pdb2gmx}.
1898 These are: residue databases ({\tt .rtp}, see~\ssecref{rtp})
1899 the hydrogen database ({\tt .hdb}, see~\ssecref{hdb}), two termini databases
1900 ({\tt .n.tdb} and {\tt .c.tdb}, see~\ssecref{tdb}) and
1901 the atom type database ({\tt .atp}, see~\ssecref{atomtype}), which contains only the masses.  Other optional
1902 files are described in~\secref{pdb2gmxfiles}.
1903
1904
1905 \subsection{Changing force field parameters\index{force field}}
1906 If one wants to change the parameters of few bonded interactions in
1907 a molecule, this is most easily accomplished by typing the parameters
1908 behind the definition of the bonded interaction directly in the {\tt *.top} file 
1909 under the {\tt [~moleculetype~]} section (see \ssecref{topfile} for the format
1910 and units).
1911 If one wants to change the parameters for all instances of a certain
1912 interaction one can change them in the force-field file or add a
1913 new {\tt [~???types~]} section after including the force field.
1914 When parameters for a certain interaction are defined multiple times,
1915 the last definition is used. As of {\gromacs} version 3.1.3, a warning is
1916 generated when parameters are redefined with a different value.
1917 Changing the Lennard-Jones parameters of an atom type is not
1918 recommended, because in the {\gromos} force fields
1919 the Lennard-Jones parameters for several combinations of atom types
1920 are not generated according to the standard combination rules.
1921 Such combinations (and possibly others that do follow the
1922 combination rules) are defined in the {\tt [~nonbond_params~]}
1923 section, and changing the Lennard-Jones parameters of an atom type
1924 has no effect on these combinations.
1925
1926 \subsection{Adding atom types\swapindexquiet{adding}{atom types}}
1927 As of {\gromacs} version 3.1.3, atom types can be added in an extra
1928 {\tt [~atomtypes~]} section after the the inclusion of the normal
1929 force field. After the definition of the new atom type(s), additional
1930 non-bonded and pair parameters can be defined.
1931 In pre-3.1.3 versions of {\gromacs}, the new atom types needed to be
1932 added in the {\tt [~atomtypes~]} section of the force field files,
1933 because all non-bonded parameters above the last {\tt [~atomtypes~]}
1934 section would be overwritten using the standard combination rules.
1935
1936 % LocalWords:  parameterized fffiles ptype polarizable gromacs atp ype arameter
1937 % LocalWords:  lll carboxyl OA hydroxyl NL porphyrin OPLS CP HCR OWT fd funct
1938 % LocalWords:  grompp statprop atomtype rtp esidue opology pdb gmx kJ mol gro
1939 % LocalWords:  grofile dihedrals bon itp func kb th cth cq cp mult Ryckaert aj
1940 % LocalWords:  Bellemans ak alkanes alkane llrllrllr LJ der nb topfile llllll
1941 % LocalWords:  llll nonbond params ij pairtypes fecalc moleculetype indices mdp
1942 % LocalWords:  constraintforce SPC molname nrexcl nr ren HW doh dhh aminoacids
1943 % LocalWords:  dat basename rna dna arn hdb sn rtpo gmxfiles molitp ndx ARG CYS
1944 % LocalWords:  defaultgroups impropers chargegroup bondedtypes hydrogens ARGN
1945 % LocalWords:  preprocessor protonation specbond protonated arginine aspartic
1946 % LocalWords:  ASPH GLU glutamic GLUH HISD histidine HISE HISH LYSN LYS IUPAC
1947 % LocalWords:  wildcards xlateat asparagine HD HH cis deprotonated oxygens COOH
1948 % LocalWords:  llllc tp cr QQ atomtypes bondtypes angletypes dihedraltypes FENE
1949 % LocalWords:  constrainttypes intra nbpar morse dr Coul rr UB dih constr hh ai
1950 % LocalWords:  vsite sitesn construc restr ffgmx resnr residu cgnr al fc spc gb
1951 % LocalWords:  FudgeLJ FudgeQQ nonbonded mdrun decane posre Ifdef ifdef TFE cpp
1952 % LocalWords:  Loof Buuren Berendsen DDeloof DeLoof VanBuuren endif feia topfe
1953 % LocalWords:  propanols pentanes ffG PropPent typeB chargeB massB ga gd mols
1954 % LocalWords:  Propanol Pentane methanes aug natoms residuenr residuename vx vy
1955 % LocalWords:  atomname atomnr vz Fortran confin ntx GROMOS nbfunc GROningen ff
1956 % LocalWords:  fudgeLJ fudgeQQ ffgmxnb ffgmxbon tdb ffbonded ffnonbonded nonbond
1957 % LocalWords:  MAchine BIOSON Groningen Spoel Drunen Comp Phys Comm trr AA fdn
1958 % LocalWords:  aliphatic CHARMM polarisability quadrupole tt normvsbds Waals jj
1959 % LocalWords:  pairinteractions num Buckingham rcl trans Intramolecular Lennard
1960 % LocalWords:  excl gen solute unscaled moltype intramol dgimplement Qiu HCT rt
1961 % LocalWords:  Onufriev OBC LINCS doc xxx residuetypes polyatomic co rotatable
1962 % LocalWords:  heme cysteine lysine CH NH LP amine nitrenyl ethynyl vsd MCH MNH
1963 % LocalWords:  chainsep resA atomA nbondsA resB atomB nbondsB newresA newresB
1964 % LocalWords:  rad deg lcc cc nm intramolecular forcefield PME Ewald
1965 % LocalWords:  solvation et groupconcept PHE TYR TRP equilibrated pre
1966 % LocalWords:  macromolecule disulfide harmonicbond Morsebond vsiteN
1967 % LocalWords:  cubicbond FENEbond tabulatedinteraction harmonicangle
1968 % LocalWords:  harmonicrestraint bondbondcross bondanglecross genion
1969 % LocalWords:  quarticangle properdihedral harmonicimproperdihedral
1970 % LocalWords:  RBdihedral periodicimproperdihedral Fourierdihedral
1971 % LocalWords:  positionrestraint distancerestraint dihedralrestraint
1972 % LocalWords:  orientationrestraint anglerestraint usinggroups ing
1973 % LocalWords:  DDeLoof MBAR Duan JACS Kollman Acc Hornak ILDN AMBERGS
1974 % LocalWords:  Lindorff Sanbonmatsu PNAS CMAP Schuler JCC pag
1975 % LocalWords:  aminoacid