请问有人知道利用g_mmpbsa计算的结合自由能与由PMF估计的自由能之间的区别和联系吗？

Eva_Winter

我在用GROMACS模拟一个受体蛋白-配体的复合体系，在经过分子对接、400ns平衡等操作之后配体稳定在受体的结合位点，然后我利用g_mmpbsa计算了配体和受体之间的结合自由能(binding free energy)，为-97 kJ/mol。

随后我又做了拉伸动力学（SMD）-->伞形采样-->gmx wham，最终得到将配体从结合位点拉出受体过程的PMF曲线，根据PMF曲线可知，配体从受体解离的unbinding free energy为110 kJ/mol。因为前面是结合这里是解离，所以两个数值差个负号。

我想问的是，这两种自由能的绝对值可以类比吗？它们都能用来定量反应配体的解离难易吗？目前单单从计算绝对值看还差了13kJ/mol左右。

我看有些论文根据自由能推测配体的解离常数Keq时是根据的Arrhenius equation：DeltaG=-RTlnKeq, 这里R是常数，T是温度。论文里在代入DaltaG数值进而求取Keq时，选取的都是根据g_mmpbsa计算的binding free energy。但是我觉得本身这个过程就反映的是配体沿着反应路径的解离，用配体处于结合位点时计算的binding free energy似乎不对，应该用PMF推断的unbinding free energy才对。有人认同吗？（当然这里是要计算解离常数，所以自由能数值都取正值）

感谢大家的不吝赐教

Eva_Winter

Frozen-Penguin 发表于 2022-3-23 14:44
两者都是自由能。
PMF的结果是自由能沿反应坐标的变化，在反应坐标上每一处都有自由能数值，反映了整个 ...

特别感谢，很清晰的解答！

Frozen-Penguin

Eva_Winter 发表于 2022-3-23 09:00
非常感谢您的清晰分析！
mmpbsa计算的是从unbinding 到binding状态的自由能变化，确实反应了结合到解离 ...

两者都是自由能。
PMF的结果是自由能沿反应坐标的变化，在反应坐标上每一处都有自由能数值，反映了整个系统在不同状态之间变化的趋势，特定情况下可以认为PMF就是整个体系的自由能，不用特别说明是什么自由能。mmpbsa只是两个状态的自由能差，所以用“结合”加以说明。
PMF可以用质心距离为反应坐标计算，其结果可以反映结合自由能的大小，质心距离大多数情况下可以描述蛋白和配体的结合，但是有些情况不完全准确，例如如果蛋白和配体“面对面”结合是正确结合，同时存在“背对背”的结合方式，两者对应的结合自由能不同，但是质心距离相同，PMF无法区分，这时PMF的结果就不准确了。
PMF的基本原理是统计并分析大量分子动力学模拟轨迹中的构象，mmpbsa的基本原理是用PB模型或者GB模型估算蛋白和配体在溶剂中和真空中的自由能变化，两者原理完全不同。
PMF的数据主要来自分子动力学模拟，所以选用不同的力场会得到不同的PMF，不同力场对应的PMF的数值也没有可比性，只能比较PMF的合理性，选择合适的力场可以得到比较符合真实情况的PMF。mmpbsa对不同体系的参数好像是相同的，所以对不同的体系准确度可能不同。所以两者的数值不同是正常的，只有相似体系用相同方法计算出的自由能的数值大小有可比性。
由于目前基于分子动力学模拟的自由能计算方法精确度都不高，所以一般只能比较大小，不能给出精确的数值。代入公式计算K值应该可以比较不同情况下K的大小，但是数值很可能和实验结果有较大的偏差。

Eva_Winter

Frozen-Penguin 发表于 2022-3-22 23:04
不能类比。
两种方法的binding和unbinding的方式不同。
mmpbsa：蛋白和溶剂结合，配体和溶剂结合，蛋白质 ...

非常感谢您的清晰分析！
mmpbsa计算的是从unbinding 到binding状态的自由能变化，确实反应了结合到解离的变化，那这样看起来这个将结合自由能数值代入到公式DeltaG=-RTlnKeq是正确的。

虽然mmpbsa和PMF的计算原理不一样，但是PMF至少也反应配体从结合到解离过程需要克服的自由能吧，那么这个自由能称为什么自由能合适呢？总感觉这个值代入DeltaG=-RTlnKeq也是合理的。。。。

“binding和unbinding可能同时还包含了质心距离相同的其他状态。”：hmm，至少根据目前分辨率下的PMF vs COM distance曲线还看不到一个质心距离下存在相同的PMF值。我把PMF值最小的时候认为是binding，随着com distance增大PMF不断增大，最后PMF变平稳时（配体已经被拉出受体）的状态认为是unbinding。

Frozen-Penguin

不能类比。
两种方法的binding和unbinding的方式不同。
mmpbsa：蛋白和溶剂结合，配体和溶剂结合，蛋白质和配体结合，都会使体系自由能下降，计算这些过程中自由能下降的差值，就可得到蛋白与配体结合前后的自由能变化，即结合自由能。mmpbsa比较的是binding和unbinding的自由能变化。
PMF：PMF反映系统在某一特定反应坐标上的变化趋势，如果以质心距离为反应坐标计算PMF，并认为质心距离很小时为binding，质心距离很大时为unbinding，那么此时的binding和unbinding可能同时还包含了质心距离相同的其他状态。
另外，两种方法计算的原理也完全不同。