一：自由能估算簡介
基于結構的抗生素設計方式有多種多樣，包括分子對接、數據庫搜索以及從頭設計等等，而且它們最終常常都面臨一個同樣的問題就是抗生素分子活性的評價。許多抗生素和其它生物分子的活性都是通過與受體大分子之間的互相作用表現下來的，所以受體和官能團之間結合自由能()評價是基于結構的計算機輔助抗生素分子設計的核心問題。精確的自由能預測方式就能大大提升抗生素設計的效率。在過去的20年中，隨著受體一官能團互相作用的理論研究以及計算機輔助抗生素分子設計方式的快速發展，自由能預測方式的研究遭到了越來越多的關注。
在雜環(包括抗生素)和受體的互相作用過程中，牽連到兩類互相作用，即非鍵互相作用和共價互相作用。非鍵互相作用包括靜電互相作用、范德華互相作用以及官能團互相作用等等，這種互相作用都可以通過力場估算進行比較簡單的抒發;而共價互相作用則牽扯到物理鍵的破裂和生成，須要藥量子力學的方式進行考察。在抗生素分子和受體的互相作用時，通常只牽連到非鍵互相作用.而共價互相作用只存在少數體系中。依據熱力學原理，結合自由能和結合常數K,存在定量的關系：ΔG=RTLnK
自由能的估算方式主要可以分為三類:第一類方式包括自由能微擾(Free
FEN和熱力學積分(.TI)方式。這類方式是最為精典的方式，為你們所廣泛接受。這類方式從原理上比較嚴格，估算結果也較為精確.但須要長時間的數據采集，對估算體系有嚴格的限制，只能適宜較為簡單的情況，因而在抗生素設計中還沒有達到實用化的階段。第二類方式包括一系列基于經驗多項式的估算方式，這類方式把結合自由能分解為不同的互相作用能量項，通過一組訓練集并借助統計方式來得到自由能估算的經驗公式。這類方式采樣簡單，估算量小，在抗生素設計中應用較多。但這類方式得到的經驗公式很依賴于訓練集的選擇，對不同的體系具有不同的預測能力。并且這類方式不能挺好的考慮體系的柔性以及溶劑效應，因而它通常只能對一些體系具有有限的預測能力，也只能作為初篩的手段。第三類方式就是近幾年發展上去的基于分子動力學取樣的自由能預測方式，主要包括LIE方式和MM/PBSA方式。
二：常用的自由能估算方式
2.1自由能微擾(FEP)方式
FEP的基本思想是從一個己知體系出發，通過一系列微小的變化變到另一個體系，在每一個變化步驟做分子動力學模擬，把每一步的體系勢能代入相應的公式中，就可以得到兩步之間的自由能變化，把所有的自由能變化加上去，就得到兩個體系之間的自由能變化。假如有兩個官能團分子A和B，它們和受體S產生了復合物AS和BS。為了求算這兩個官能團分子和受體之間結合自由能的差值，則須要通過熱力學循環。先求算官能團分子A和B之間的自由能變AG,，之后再求算出復合物AS和BS之間的自由能變△G,兩者之差就是我們須要得到的自由能變化△AG.
在通常的自由能微擾的估算中，求算的都是兩個官能團分子和受體之間結合能的差值。在有些應用中，也可以采用這些方式來估算單個官能團和受體之間的結合自由能。在這些情況下，突變的過程不是一個雜環到另外一個官能團，而是一個官能團到相應的溶劑分子(通常為水份子).
FEP方式有好多變種，例如定長窗口下降(FixedWide)、慢下降(slow)以及動態窗口下降()等，這種方式的原理都是一樣的，不同在于估算過程中的步長的選定，所謂定長窗口下降，它的步長是一個固定的數值結合能，由變化步數i決定，若步數為20，則步長為0.05;慢下降方式中，步長是趨向零的一個數，變化步數則趨向無窮，由于步數多，每步之間的變化小，所以在每一步只做一步或幾步動力學模擬;動態窗日下降方式中，步長是依據上一步估算自由能的結果而變化的，若自由能變化太大則步長小一點.若變化太小則步長大一點，在保證了估算精度的同時又大大降低了估算的步驟，堪稱集前兩者校長2.2熱力學積分(TI)方式
估算的步驟和FEP方式相像，也是通過兩次估算先算出兩底物之間的自由能變，再算出復合物之間的自由能變，兩者之差就是我們關心的相對自由能。只是自由能差的定義上與FEP方式有所不同。TI也分普通的熱力學積分和動態熱力學積分()兩種。
FEP和TI是比較精典的自由能估算的方式，它們的優點在于理論嚴格，邏輯清晰，具有普適性。但它的缺陷也十分顯著:首先這兩種方式估算量大，歷時;其次，它們只能估算差異較小的兩態之間的相對結合自由能，當兩態差異較大時，我們很難指定變化的路徑。因為這種缺陷，這兩種方式在抗生素設計中的應用遭到了很大的局限。
2.3線性互相作用能(LIE)方式
線性互相作用能(,LIE)的自由能估算方式,是近幾年發展上去的一種基于分子動力學取樣的自由能估算方式。這些方式理論基礎來始于非平衡態統計數學學中的線性響應近似()理論，把自由能分解為極性和非極性的貢獻。它應當是介于前兩類方式之間的一類技巧。它也須要進行分子動力學的取樣，但和FEP比較，這個方式僅僅須要對體系的始態和終態做動力學取樣，因而估算量比FEP大大減低。和半經驗多項式方式比較，它的優勢也十分顯著結合能，首先它用分子動力學和蒙特卡羅模擬考慮了體系的柔性，在正確預測復合物結構的基礎上對體系的構型空間進行取樣;其次它通過采用在溶劑環境以及蛋白環境兩次分子動力學取樣，考察了去溶劑化效應對結合自由能的影響。
LIE方式的理論基礎來始于非平衡態統計數學學中的線性響應理論，這是一個在各個學科領域中都有廣泛應用的重要理論。
線性響應理論用于簡單離子的水合作用取得了一些成功，比如1990年用自由能微擾的方式模擬了Na+和Ca2+的水堿液體系，估算結果比較好。1996年，qvist又對多個體系進行了進一步的系統研究，研究表明大部份體系都能較好的符合所給出的公式，而且對一些體系尤其是包含較多官能團給體或受體的體系形成了一些偏離。
對抗生素分子和受體之間的結合自由能中的極性部份，可以通過線性響應近似來處理。但對于非極性互相作用和疏水效應對自由能的影響，處理上去就困難一些。對于一些長鏈鹵代烴實驗早已證明其溶劑化自由能和烯烴的鏈長呈線性的關系。通過估算也早已證明對長鏈鹵代烴，其在水中和溶劑之間的平均非鍵互相作用能和烯烴的鏈長有挺好的線性關系。因而，我們不難想到自由能中的非極性貢獻和溶質與溶劑之間平均范得華互相作用能存在一定的線性關系