药物分子通过与靶标蛋白结合的方式实现干扰蛋白功能的作用,从而可以治疗疾病。许多蛋白质重要的生理和药理功能,是通过与小分子相互作用体现出来,例如酶与底物的相互作用体现酶的催化功能。因此对小分子配体-生物大分子相互作用有一个全面、准确的了解,是基于受体结构知识进行合理药物设计的基础,而其中对配体-受体结合自由能的计算机模拟和理论计算研究,在药物设计中起着十分重要的作用。许多药物或其他生物活性分子的活性是通过与受体生物大分子的相互作用表现出来,所以药物与受体的结合强度与药物的活性直接相关。蛋白质-配体复合物的原子分辨结构主要通过X射线晶体学或核磁共振光谱学获得,为理解蛋白质-配体相互作用提供了化学基础,并可有效用作设计用于治疗疾病的小分子药物的基础。在基于结构的药物设计中,需要使用复合物的三维原子结构计算大量提出的配体与给定的靶蛋白结合的自由能。就评估蛋白质-配体结合的准确性而言,自由能微扰(FEP)和热力学积分(TI)被认为是高端方法,其在理论上是严格的,但当需要评估大量蛋白质-配体结合时如药物筛选时,计算代价昂贵。在低端,经验打分函数因为效率较高广泛用于快速估计大量蛋白质-配体结合亲和力。然而,使用简单的经验打分函数来评估结合自由能通常不是非常可靠的。两者之间有泊松-玻尔兹曼表面积(MM/PBSA)方法,其精确度介于FEP和经验打分函数是计算蛋白质-配体结合亲和力的常用方法。本论文的第一项工作,我们开发一种新型打分函数PBSA_E,基于分子力学/泊松-玻尔兹曼表面积(MM/PBSA)描述符的新自由能估算器。该自由能估算器使用来自145个高质量的具有实验数据的蛋白质-配体复合物的训练集。该方法又在包含121和130个蛋白配体复合物的两个独立测试集上进行验证。包含大量体系的训练集和测试集使得该方法具有普适性。同时又与三种常用打分函数即GlideXP,GlideSP和SYBYL_F所获得的结合亲和力的比较证明PBSA_E方法更准确。这种新能量估算器需要MM/PBSA计算单个构型的蛋白质-配体结合能,其通常通过优化晶体结构来获得。省去了MD模拟所需要的时间。因此该方法是快速准确同时又具有普适性的评估大量蛋白配体结合能的新方法。传统的MM/PBSA计算结合自由能中,熵的估计广泛运用的方法是用正则模式(normal mode)。然而该方法不仅是理论近似,计算代价昂贵且不够精确。在本论文的第二项工作,我们提出了一种新的相互作用熵方法,它理论上严格,计算效率高,并且计算熵在蛋白质-配体结合和其他相互作用过程中对自由能的贡献方面具有数值上的可靠性。该新方法与正则模式方法显著不同,该方法直接从分子动力学模拟提取数据计算结合自由能的熵分量(相互作用熵或-T?S),而没有任何额外的计算成本。对十几种随机选择的蛋白质-配体结合系统的广泛研究表明,这种相互作用熵方法既具有计算效率,又具有数值可靠性,并且远优于传统正则模式方法。这种相互作用熵范式引入带来了对蛋白质-配体结合和其他一般相互作用系统中的熵效应的新颖且直观的概念性理解,是用于高效计算这种效应的实用方法。在蛋白质-配体结合中,只有少数残基显著的影响配体结合。对蛋白质-配体结合中特定残基的结合自由能的定量表征对于我们对耐药性和合理药物设计的理解是非常有用的。在本文的第三项工作,我们进一步提出了丙氨酸扫描结合高效的相互作用熵方法ASIE来计算蛋白质-药物结合中残基特异性蛋白质-配体结合自由能。在这种方法中,结合自由能的熵贡献由MD轨迹中包含的单个残基-配体相互作用能的波动确定。当特定的残基突变为丙氨酸时,计算给出了配体与野生型蛋白质中的残基与突变体之间的残基特异性结合自由能的相对值。对两类药物(第一代和第二代药物)与非小细胞肺癌ALK靶蛋白及其突变体的结合进行了计算研究。定量表征了对总结合能贡献大的重要或热点残基,并解释了第一代药物由于突变效应对结合亲和力丧失的原因。最后,值得注意的是,残基特异性结合自由能总和与实验测得的该蛋白质-配体系统的总结合自由能非常一致。