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Yong-Liang Zhu,* Paul Beroza,† and Dean R. Artis

水分子作为细胞内的重要溶剂分子，在靶标蛋白质的结构、功能及其与小分子的相互结合过程中起着非常重要的作用。作为广泛使用的计算蛋白-配体结合自由能的MM/PBSA方法并没有显性的考虑水分子在蛋白-配体结合中的作用，而采取连续介质模型计算溶剂化能。在本文中，作者发展了一种将重要的水分子作为蛋白部分的water-MM/PBSA方法，并将其应用于激酶JNK3与一系列配体结合自由能的计算中。结果发现此方法能有效提高结合自由能的计算值与实验值之间的相关性。此方法进一步在神经氨酸苷酶及亲和素等与配体结合体系中进行测试，结果发现此方法在蛋白与配体结合过程中存在起桥氢键作用的水分子的体系中能获得更好的效果。

结合自由能的准确计算在基于结构的药物设计中起着重要的作用，由于MM/PBSA只需要对复合物的非结合状态和结合状态进行模拟，就可以获得蛋白-配体结合自由能的计算值，因而获得了广泛的关注。传统的MM/PBSA方法使用连续介质模型来计算溶剂化能，而忽略了水分子自身的作用，而实际中，水分子不仅起着溶剂作用，而且还直接参与靶标与药物小分子的结合，如以桥氢键的形式参与蛋白和配体的相互结合。为了显性考察这部分效应，作者发展了一种将重要的水分子作为蛋白部分的water-MM/PBSA方法，并将其应用于激酶JNK3与一系列配体结合自由能的计算中。结果发现此方法能有效提高结合自由能的计算值与实验值之间的相关性。此方法进一步在神经氨酸苷酶及亲和素与配体结合体系中进行测试，结果发现此方法在蛋白与配体结合过程中存在起重要连接作用的水分子的体系中能获得更好的效果。

本文模拟体系包括JNK3与33个小分子抑制剂，使用的晶体结构编号为3PTG；第2个体系是神经氨酸苷酶与8个抑制剂，晶体结构为1NSD和2QWG; 亲和素与配体的体系则使用PDB编号为2C1S。利用tleap对这些体系进行处理，蛋白使用AMBER99力场，所有的小分子使用GAFF力场，且使用AM1-BCC电荷。保留晶体结构中的所有水分子，然后使用TIP3P水盒子对体系进行溶剂化。将体系优化升温后，保持在300K模拟250ps，每1 ps保留一个构象。所有的模拟使用AMBER10进行。

对模拟得到的250ps的构象分别使用传统的MM/PBSA和water-MM/PBSA方法进行结合自由能计算。其中water-MM/PBSA方法使用的热力学公式如式2所示：

JNK3与抑制剂模拟结果

图1.计算获得的结合自由能与实验值相关图，左图为传统的MM/PBSA，右图为water-MM/PBSA方法所获得的结果

JNK3与抑制剂的结合自由能的理论计算与实验值之间的相关性如图1所示，结果显示作者发展的water-MM/PBSA方法比传统的MM/PBSA方法具有更好的相关性，使其相关性从0.55提高到0.73。由此可见，连续介质模型计算获得的溶剂化能并不能真实反映在靶标蛋白与配体结合起关键作用的水分子作用，在具体的理论计算中需要进一步显性考虑。

water-MM/PBSA方法的进一步验证

图2.传统的MM/PBSA与water-MM/PBSA方法获得结果比较

为了进一步验证water-MM/PBSA方法的适用范围，作者对神经氨酸苷酶、亲和素及激酶P38与配体相结合的体系中进行测试，结果如图2所示。对于前2个体系（神经氨酸苷酶和亲和素），由于都存在重要的水分子（图3所示），发展的water-MM/PBSA方法有显著的提高（相关性分别从0.22和0.49提高到0.69和0.81），而对于P38体系则没有明显的提高（相关性从0.24提高到0.27）。

图3神经氨酸苷酶和亲和素中与配体结合中起关键作用的水分子

本文主要发现了一种将重要水分子显性考虑进MM/PBSA结合自由能计算中的方法（water-MM/PBSA）。此方法在那些主要以极性作用为主，且有重要水分子介导蛋白与小分子相互作用的体系中能获得很好的提高。而对那些以疏水作用为主的体系则效果没有那么明显。

>>>>参考文献

Including Explicit Water Molecules as Part of the Protein Structure in MM/PBSA Calculations. Yong-Liang Zhu, Paul Beroza, and Dean R. Artis. J. Chem. Inf. Model. 2014, 54, 462−469