src/tools/gmx_helix.c

   1 /*
   2  *
   3  *                This source code is part of
   4  *
   5  *                 G   R   O   M   A   C   S
   6  *
   7  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   8  *
   9  *                        VERSION 3.2.0
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  *
  32  * And Hey:
  33  * Green Red Orange Magenta Azure Cyan Skyblue
  34  */
  35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  36 #include <config.h>
  37 #endif
  38
  39 #include <math.h>
  40
  41 #include "confio.h"
  42 #include "copyrite.h"
  43 #include "gmx_fatal.h"
  44 #include "fitahx.h"
  45 #include "futil.h"
  46 #include "gstat.h"
  47 #include "wgms.h"
  48 #include "hxprops.h"
  49 #include "macros.h"
  50 #include "maths.h"
  51 #include "pbc.h"
  52 #include "tpxio.h"
  53 #include "physics.h"
  54 #include "index.h"
  55 #include "smalloc.h"
  56 #include "statutil.h"
  57 #include <string.h>
  58 #include "sysstuff.h"
  59 #include "txtdump.h"
  60 #include "typedefs.h"
  61 #include "vec.h"
  62 #include "xvgr.h"
  63 #include "gmx_ana.h"
  64
  65 void dump_otrj(FILE *otrj,int natoms,atom_id all_index[],rvec x[],
  66                real fac,rvec xav[])
  67 {
  68   static FILE *fp=NULL;
  69   static real fac0=1.0;
  70
  71   int  i,ai,m;
  72   real xa,xm;
  73
  74   if (fp==NULL) {
  75     fp=ffopen("WEDGAMMA10.DAT","w");
  76     fac0=fac;
  77   }
  78   fac/=fac0;
  79
  80   fprintf(fp,"%10g\n",fac);
  81
  82   for(i=0; (i<natoms); i++) {
  83     ai=all_index[i];
  84     for(m=0; (m<DIM); m++) {
  85       xa = xav[ai][m];
  86       xm = x[ai][m]*fac;
  87       xav[ai][m] = xa+xm;
  88       x[ai][m]   = xm;
  89     }
  90   }
  91   write_gms_ndx(otrj,natoms,all_index,x,NULL);
  92 }
  93
  94 int gmx_helix(int argc,char *argv[])
  95 {
  96   const char *desc[] = {
  97     "[TT]g_helix[tt] computes all kinds of helix properties. First, the peptide",
  98     "is checked to find the longest helical part, as determined by",
  99     "hydrogen bonds and [GRK]phi[grk]/[GRK]psi[grk] angles.",
 100     "That bit is fitted",
 101     "to an ideal helix around the [IT]z[it]-axis and centered around the origin.",
 102     "Then the following properties are computed:[PAR]",
 103     "[BB]1.[bb] Helix radius (file [TT]radius.xvg[tt]). This is merely the",
 104     "RMS deviation in two dimensions for all C[GRK]alpha[grk] atoms.",
 105     "it is calculated as [SQRT]([SUM][sum][SUB]i[sub] (x^2(i)+y^2(i)))/N[sqrt] where N is the number",
 106     "of backbone atoms. For an ideal helix the radius is 0.23 nm[BR]",
 107     "[BB]2.[bb] Twist (file [TT]twist.xvg[tt]). The average helical angle per",
 108     "residue is calculated. For an [GRK]alpha[grk]-helix it is 100 degrees,",
 109     "for 3-10 helices it will be smaller, and ",
 110     "for 5-helices it will be larger.[BR]",
 111     "[BB]3.[bb] Rise per residue (file [TT]rise.xvg[tt]). The helical rise per",
 112     "residue is plotted as the difference in [IT]z[it]-coordinate between C[GRK]alpha[grk]",
 113     "atoms. For an ideal helix, this is 0.15 nm[BR]",
 114     "[BB]4.[bb] Total helix length (file [TT]len-ahx.xvg[tt]). The total length",
 115     "of the",
 116     "helix in nm. This is simply the average rise (see above) times the",
 117     "number of helical residues (see below).[BR]",
 118     "[BB]5.[bb] Helix dipole, backbone only (file [TT]dip-ahx.xvg[tt]).[BR]",
 119     "[BB]6.[bb] RMS deviation from ideal helix, calculated for the C[GRK]alpha[grk]",
 120     "atoms only (file [TT]rms-ahx.xvg[tt]).[BR]",
 121     "[BB]7.[bb] Average C[GRK]alpha[grk] - C[GRK]alpha[grk] dihedral angle (file [TT]phi-ahx.xvg[tt]).[BR]",
 122     "[BB]8.[bb] Average [GRK]phi[grk] and [GRK]psi[grk] angles (file [TT]phipsi.xvg[tt]).[BR]",
 123     "[BB]9.[bb] Ellipticity at 222 nm according to Hirst and Brooks.",
 124     "[PAR]"
 125   };
 126   static const char *ppp[efhNR+2] = {
 127     NULL, "RAD", "TWIST", "RISE", "LEN", "NHX", "DIP", "RMS", "CPHI",
 128     "RMSA", "PHI", "PSI", "HB3", "HB4", "HB5", "CD222", NULL
 129   };
 130   static gmx_bool bCheck=FALSE,bFit=TRUE,bDBG=FALSE,bEV=FALSE;
 131   static int  rStart=0,rEnd=0,r0=1;
 132   t_pargs pa [] = {
 133     { "-r0", FALSE, etINT, {&r0},
 134       "The first residue number in the sequence" },
 135     { "-q",  FALSE, etBOOL,{&bCheck},
 136       "Check at every step which part of the sequence is helical" },
 137     { "-F",  FALSE, etBOOL,{&bFit},
 138       "Toggle fit to a perfect helix" },
 139     { "-db", FALSE, etBOOL,{&bDBG},
 140       "Print debug info" },
 141     { "-prop", FALSE, etENUM, {ppp},
 142       "Select property to weight eigenvectors with. WARNING experimental stuff" },
 143     { "-ev", FALSE, etBOOL,{&bEV},
 144       "Write a new 'trajectory' file for ED" },
 145     { "-ahxstart", FALSE, etINT, {&rStart},
 146       "First residue in helix" },
 147     { "-ahxend", FALSE, etINT, {&rEnd},
 148       "Last residue in helix" }
 149   };
 150
 151   typedef struct {
 152     FILE *fp,*fp2;
 153     gmx_bool bfp2;
 154     const char *filenm;
 155     const char *title;
 156     const char *xaxis;
 157     const char *yaxis;
 158     real val;
 159   } t_xvgrfile;
 160
 161   t_xvgrfile xf[efhNR] = {
 162     { NULL, NULL, TRUE,  "radius",  "Helix radius",               NULL, "r (nm)" , 0.0 },
 163     { NULL, NULL, TRUE,  "twist",   "Twist per residue",          NULL, "Angle (deg)", 0.0 },
 164     { NULL, NULL, TRUE,  "rise",    "Rise per residue",           NULL, "Rise (nm)", 0.0 },
 165     { NULL, NULL, FALSE, "len-ahx", "Length of the Helix",        NULL, "Length (nm)", 0.0 },
 166     { NULL, NULL, FALSE, "dip-ahx", "Helix Backbone Dipole",      NULL, "rq (nm e)", 0.0 },
 167     { NULL, NULL, TRUE,  "rms-ahx", "RMS Deviation from Ideal Helix", NULL, "RMS (nm)", 0.0 },
 168     { NULL, NULL, FALSE, "rmsa-ahx","Average RMSD per Residue",   "Residue", "RMS (nm)", 0.0 },
 169     { NULL, NULL,FALSE,  "cd222",   "Ellipticity at 222 nm", NULL, "nm", 0.0 },
 170     { NULL, NULL, TRUE,  "pprms",   "RMS Distance from \\8a\\4-helix", NULL, "deg" , 0.0 },
 171     { NULL, NULL, TRUE,  "caphi",   "Average Ca-Ca Dihedral",     NULL, "\\8F\\4(deg)", 0.0 },
 172     { NULL, NULL, TRUE,  "phi",     "Average \\8F\\4 angles", NULL, "deg" , 0.0 },
 173     { NULL, NULL, TRUE,  "psi",     "Average \\8Y\\4 angles", NULL, "deg" , 0.0 },
 174     { NULL, NULL, TRUE,  "hb3",     "Average n-n+3 hbond length", NULL, "nm" , 0.0 },
 175     { NULL, NULL, TRUE,  "hb4",     "Average n-n+4 hbond length", NULL, "nm" , 0.0 },
 176     { NULL, NULL, TRUE,  "hb5",     "Average n-n+5 hbond length", NULL, "nm" , 0.0 },
 177     { NULL, NULL,FALSE,  "JCaHa",   "J-Coupling Values",        "Residue", "Hz" , 0.0 },
 178     { NULL, NULL,FALSE,  "helicity","Helicity per Residue",     "Residue", "% of time" , 0.0 }
 179   };
 180
 181   output_env_t oenv;
 182   FILE       *otrj;
 183   char       buf[54],prop[256];
 184   t_trxstatus *status;
 185   int        natoms,nre,nres;
 186   t_bb       *bb;
 187   int        i,j,ai,m,nall,nbb,nca,teller,nSel=0;
 188   atom_id    *bbindex,*caindex,*allindex;
 189   t_topology *top;
 190   int        ePBC;
 191   rvec       *x,*xref,*xav;
 192   real       t;
 193   real       rms,fac;
 194   matrix     box;
 195   gmx_rmpbc_t  gpbc=NULL;
 196   gmx_bool       bRange;
 197   t_filenm  fnm[] = {
 198     { efTPX, NULL,  NULL,   ffREAD  },
 199     { efNDX, NULL,  NULL,   ffREAD  },
 200     { efTRX, "-f",  NULL,   ffREAD  },
 201     { efG87, "-to", NULL,   ffOPTWR },
 202     { efSTO, "-cz", "zconf",ffWRITE },
 203     { efSTO, "-co", "waver",ffWRITE }
 204   };
 205 #define NFILE asize(fnm)
 206
 207   parse_common_args(&argc,argv,PCA_CAN_VIEW | PCA_CAN_TIME | PCA_BE_NICE,
 208                     NFILE,fnm,asize(pa),pa,asize(desc),desc,0,NULL,&oenv);
 209
 210   bRange=(opt2parg_bSet("-ahxstart",asize(pa),pa) &&
 211           opt2parg_bSet("-ahxend",asize(pa),pa));
 212
 213   top=read_top(ftp2fn(efTPX,NFILE,fnm),&ePBC);
 214
 215   natoms=read_first_x(oenv,&status,opt2fn("-f",NFILE,fnm),&t,&x,box);
 216
 217   if (opt2bSet("-to",NFILE,fnm)) {
 218     otrj=opt2FILE("-to",NFILE,fnm,"w");
 219     strcpy(prop,ppp[0]);
 220     fprintf(otrj,"%s Weighted Trajectory: %d atoms, NO box\n",prop,natoms);
 221   }
 222   else
 223     otrj=NULL;
 224
 225   if (natoms != top->atoms.nr)
 226     gmx_fatal(FARGS,"Sorry can only run when the number of atoms in the run input file (%d) is equal to the number in the trajectory (%d)",
 227             top->atoms.nr,natoms);
 228
 229   bb=mkbbind(ftp2fn(efNDX,NFILE,fnm),&nres,&nbb,r0,&nall,&allindex,
 230              top->atoms.atomname,top->atoms.atom,top->atoms.resinfo);
 231   snew(bbindex,natoms);
 232   snew(caindex,nres);
 233
 234   fprintf(stderr,"nall=%d\n",nall);
 235
 236   /* Open output files, default x-axis is time */
 237   for(i=0; (i<efhNR); i++) {
 238     sprintf(buf,"%s.xvg",xf[i].filenm);
 239     remove(buf);
 240     xf[i].fp=xvgropen(buf,xf[i].title,
 241                       xf[i].xaxis ? xf[i].xaxis : "Time (ps)",
 242                       xf[i].yaxis,oenv);
 243     if (xf[i].bfp2) {
 244       sprintf(buf,"%s.out",xf[i].filenm);
 245       remove(buf);
 246       xf[i].fp2=ffopen(buf,"w");
 247     }
 248   }
 249
 250   /* Read reference frame from tpx file to compute helix length */
 251   snew(xref,top->atoms.nr);
 252   read_tpx(ftp2fn(efTPX,NFILE,fnm),
 253            NULL,NULL,&natoms,xref,NULL,NULL,NULL);
 254   calc_hxprops(nres,bb,xref,box);
 255   do_start_end(nres,bb,xref,&nbb,bbindex,&nca,caindex,bRange,rStart,rEnd);
 256   sfree(xref);
 257   if (bDBG) {
 258     fprintf(stderr,"nca=%d, nbb=%d\n",nca,nbb);
 259     pr_bb(stdout,nres,bb);
 260   }
 261
 262   gpbc = gmx_rmpbc_init(&top->idef,ePBC,natoms,box);
 263
 264   snew(xav,natoms);
 265   teller=0;
 266   do {
 267     if ((teller++ % 10) == 0)
 268       fprintf(stderr,"\rt=%.2f",t);
 269     gmx_rmpbc(gpbc,natoms,box,x);
 270
 271
 272     calc_hxprops(nres,bb,x,box);
 273     if (bCheck)
 274       do_start_end(nres,bb,x,&nbb,bbindex,&nca,caindex,FALSE,0,0);
 275
 276     if (nca >= 5) {
 277       rms=fit_ahx(nres,bb,natoms,nall,allindex,x,nca,caindex,box,bFit);
 278
 279       if (teller == 1) {
 280         write_sto_conf(opt2fn("-cz",NFILE,fnm),"Helix fitted to Z-Axis",
 281                        &(top->atoms),x,NULL,ePBC,box);
 282       }
 283
 284       xf[efhRAD].val   = radius(xf[efhRAD].fp2,nca,caindex,x);
 285       xf[efhTWIST].val = twist(xf[efhTWIST].fp2,nca,caindex,x);
 286       xf[efhRISE].val  = rise(nca,caindex,x);
 287       xf[efhLEN].val   = ahx_len(nca,caindex,x,box);
 288       xf[efhCD222].val = ellipticity(nres,bb);
 289       xf[efhDIP].val   = dip(nbb,bbindex,x,top->atoms.atom);
 290       xf[efhRMS].val   = rms;
 291       xf[efhCPHI].val  = ca_phi(nca,caindex,x,box);
 292       xf[efhPPRMS].val = pprms(xf[efhPPRMS].fp2,nres,bb);
 293
 294       for(j=0; (j<=efhCPHI); j++)
 295         fprintf(xf[j].fp,   "%10g  %10g\n",t,xf[j].val);
 296
 297       av_phipsi(xf[efhPHI].fp,xf[efhPSI].fp,xf[efhPHI].fp2,xf[efhPSI].fp2,
 298                 t,nres,bb);
 299       av_hblen(xf[efhHB3].fp,xf[efhHB3].fp2,
 300                xf[efhHB4].fp,xf[efhHB4].fp2,
 301                xf[efhHB5].fp,xf[efhHB5].fp2,
 302                t,nres,bb);
 303
 304       if (otrj)
 305         dump_otrj(otrj,nall,allindex,x,xf[nSel].val,xav);
 306     }
 307   } while (read_next_x(oenv,status,&t,natoms,x,box));
 308   fprintf(stderr,"\n");
 309
 310   gmx_rmpbc_done(gpbc);
 311
 312   close_trj(status);
 313
 314   if (otrj) {
 315     ffclose(otrj);
 316     fac=1.0/teller;
 317     for(i=0; (i<nall); i++) {
 318       ai=allindex[i];
 319       for(m=0; (m<DIM); m++)
 320         xav[ai][m]*=fac;
 321     }
 322     write_sto_conf_indexed(opt2fn("-co",NFILE,fnm),
 323                            "Weighted and Averaged conformation",
 324                            &(top->atoms),xav,NULL,ePBC,box,nall,allindex);
 325   }
 326
 327   for(i=0; (i<nres); i++) {
 328     if (bb[i].nrms > 0) {
 329       fprintf(xf[efhRMSA].fp,"%10d  %10g\n",r0+i,bb[i].rmsa/bb[i].nrms);
 330     }
 331     fprintf(xf[efhAHX].fp,"%10d  %10g\n",r0+i,(bb[i].nhx*100.0)/(real )teller);
 332     fprintf(xf[efhJCA].fp,"%10d  %10g\n",
 333             r0+i,140.3+(bb[i].jcaha/(double)teller));
 334   }
 335
 336   for(i=0; (i<efhNR); i++) {
 337     ffclose(xf[i].fp);
 338     if (xf[i].bfp2)
 339       ffclose(xf[i].fp2);
 340     do_view(oenv,xf[i].filenm,"-nxy");
 341   }
 342
 343   thanx(stderr);
 344
 345   return 0;
 346 }
 347