docs/reference-manual/analysis/hydrogen-bonds.rst

   1 Hydrogen bonds
   2 --------------
   3
   4 | :ref:`gmx hbond <gmx hbond>`
   5 | The program :ref:`gmx hbond <gmx hbond>`
   6   analyzes the *hydrogen bonds* (H-bonds) between all possible donors D
   7   and acceptors A. To determine if an H-bond exists, a geometrical
   8   criterion is used, see also :numref:`Fig. %s <fig-hbond>`:
   9
  10   .. math:: \begin{array}{rclcl}
  11             r       & \leq  & r_{HB}        & = & 0.35~\mbox{nm}    \\
  12             \alpha  & \leq  & \alpha_{HB}   & = & 30^o              \\
  13             \end{array}
  14             :label: eqnhbondgeomtric
  15
  16 .. _fig-hbond:
  17
  18 .. figure:: plots/hbond.*
  19    :width: 7.50000cm
  20
  21    Geometrical Hydrogen bond criterion.
  22
  23 The value of :math:`r_{HB} = 0.35 \mathrm{nm}` corresponds to the first minimum
  24 of the RDF of SPC water (see also :numref:`Fig. %s <fig-hbondinsert>`).
  25
  26 The program :ref:`gmx hbond <gmx hbond>` analyzes all hydrogen bonds
  27 existing between two groups of atoms (which must be either identical or
  28 non-overlapping) or in specified donor-hydrogen-acceptor triplets, in
  29 the following ways:
  30
  31 .. _fig-hbondinsert:
  32
  33 .. figure:: plots/hbond-insert.*
  34     :width: 7.50000cm
  35
  36     Insertion of water into an H-bond. (1) Normal H-bond between two
  37     residues. (2) H-bonding bridge via a water molecule.
  38
  39 -  Donor-Acceptor distance (:math:`r`) distribution of all H-bonds
  40
  41 -  Hydrogen-Donor-Acceptor angle (:math:`\alpha`) distribution of all
  42    H-bonds
  43
  44 -  The total number of H-bonds in each time frame
  45
  46 -  The number of H-bonds in time between residues, divided into groups
  47    :math:`n`-:math:`n`\ +\ :math:`i` where :math:`n` and
  48    :math:`n`\ +\ :math:`i` stand for residue numbers and :math:`i` goes
  49    from 0 to 6. The group for :math:`i=6` also includes all H-bonds for
  50    :math:`i>6`. These groups include the
  51    :math:`n`-:math:`n`\ +\ :math:`3`, :math:`n`-:math:`n`\ +\ :math:`4`
  52    and :math:`n`-:math:`n`\ +\ :math:`5` H-bonds, which provide a
  53    measure for the formation of :math:`\alpha`-helices or
  54    :math:`\beta`-turns or strands.
  55
  56 -  The lifetime of the H-bonds is calculated from the average over all
  57    autocorrelation functions of the existence functions (either 0 or 1)
  58    of all H-bonds:
  59
  60    .. math:: C(\tau) ~=~ \langle s_i(t)~s_i (t + \tau) \rangle
  61              :label: eqnhbcorr
  62
  63 -  with :math:`s_i(t) = \{0,1\}` for H-bond :math:`i` at time
  64    :math:`t`. The integral of :math:`C(\tau)` gives a rough estimate of
  65    the average H-bond lifetime :math:`\tau_{HB}`:
  66
  67    .. math::  \tau_{HB} ~=~ \int_{0}^{\infty} C(\tau) d\tau
  68               :label: eqnhblife
  69
  70 -  Both the integral and the complete autocorrelation function
  71    :math:`C(\tau)` will be output, so that more sophisticated analysis
  72    (*e.g.* using multi-exponential fits) can be used to get better
  73    estimates for :math:`\tau_{HB}`. A more complete analysis is given in
  74    ref. \ :ref:`173 <refSpoel2006b>`; one of the more fancy option is the Luzar
  75    and Chandler analysis of hydrogen bond kinetics \ :ref:`174 <refLuzar96b>`, :ref:`175 <refLuzar2000a>`.
  76
  77 -  An H-bond existence map can be generated of dimensions
  78    *# H-bonds*\ :math:`\times`\ *# frames*. The ordering is identical to
  79    the index file (see below), but reversed, meaning that the last
  80    triplet in the index file corresponds to the first row of the
  81    existence map.
  82
  83 -  Index groups are output containing the analyzed groups, all
  84    donor-hydrogen atom pairs and acceptor atoms in these groups,
  85    donor-hydrogen-acceptor triplets involved in hydrogen bonds between
  86    the analyzed groups and all solvent atoms involved in insertion.