一：自由能估算简介
基于结构的抗生素设计方式有多种多样，包括分子对接、数据库搜索以及从头设计等等，而且它们最终常常都面临一个同样的问题就是抗生素分子活性的评价。许多抗生素和其它生物分子的活性都是通过与受体大分子之间的互相作用表现下来的，所以受体和官能团之间结合自由能()评价是基于结构的计算机辅助抗生素分子设计的核心问题。精确的自由能预测方式就能大大提升抗生素设计的效率。在过去的20年中，随着受体一官能团互相作用的理论研究以及计算机辅助抗生素分子设计方式的快速发展，自由能预测方式的研究遭到了越来越多的关注。
在杂环(包括抗生素)和受体的互相作用过程中，牵连到两类互相作用，即非键互相作用和共价互相作用。非键互相作用包括静电互相作用、范德华互相作用以及官能团互相作用等等，这种互相作用都可以通过力场估算进行比较简单的抒发;而共价互相作用则牵扯到物理键的破裂和生成，须要药量子力学的方式进行考察。在抗生素分子和受体的互相作用时，通常只牵连到非键互相作用.而共价互相作用只存在少数体系中。依据热力学原理，结合自由能和结合常数K,存在定量的关系：ΔG=RTLnK
自由能的估算方式主要可以分为三类:第一类方式包括自由能微扰(Free
FEN和热力学积分(.TI)方式。这类方式是最为精典的方式，为你们所广泛接受。这类方式从原理上比较严格，估算结果也较为精确.但须要长时间的数据采集，对估算体系有严格的限制，只能适宜较为简单的情况，因而在抗生素设计中还没有达到实用化的阶段。第二类方式包括一系列基于经验多项式的估算方式，这类方式把结合自由能分解为不同的互相作用能量项，通过一组训练集并借助统计方式来得到自由能估算的经验公式。这类方式采样简单，估算量小，在抗生素设计中应用较多。但这类方式得到的经验公式很依赖于训练集的选择，对不同的体系具有不同的预测能力。并且这类方式不能挺好的考虑体系的柔性以及溶剂效应，因而它通常只能对一些体系具有有限的预测能力，也只能作为初筛的手段。第三类方式就是近几年发展上去的基于分子动力学取样的自由能预测方式，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自由能微扰(FEP)方式
FEP的基本思想是从一个己知体系出发，通过一系列微小的变化变到另一个体系，在每一个变化步骤做分子动力学模拟，把每一步的体系势能代入相应的公式中，就可以得到两步之间的自由能变化，把所有的自由能变化加上去，就得到两个体系之间的自由能变化。假如有两个官能团分子A和B，它们和受体S产生了复合物AS和BS。为了求算这两个官能团分子和受体之间结合自由能的差值，则须要通过热力学循环。先求算官能团分子A和B之间的自由能变AG,，之后再求算出复合物AS和BS之间的自由能变△G,两者之差就是我们须要得到的自由能变化△AG.
在通常的自由能微扰的估算中，求算的都是两个官能团分子和受体之间结合能的差值。在有些应用中，也可以采用这些方式来估算单个官能团和受体之间的结合自由能。在这些情况下，突变的过程不是一个杂环到另外一个官能团，而是一个官能团到相应的溶剂分子(通常为水份子).
FEP方式有好多变种，例如定长窗口下降(FixedWide)、慢下降(slow)以及动态窗口下降()等，这种方式的原理都是一样的，不同在于估算过程中的步长的选定，所谓定长窗口下降，它的步长是一个固定的数值结合能，由变化步数i决定，若步数为20，则步长为0.05;慢下降方式中，步长是趋向零的一个数，变化步数则趋向无穷，由于步数多，每步之间的变化小，所以在每一步只做一步或几步动力学模拟;动态窗日下降方式中，步长是依据上一步估算自由能的结果而变化的，若自由能变化太大则步长小一点.若变化太小则步长大一点，在保证了估算精度的同时又大大降低了估算的步骤，堪称集前两者校长2.2热力学积分(TI)方式
估算的步骤和FEP方式相像，也是通过两次估算先算出两底物之间的自由能变，再算出复合物之间的自由能变，两者之差就是我们关心的相对自由能。只是自由能差的定义上与FEP方式有所不同。TI也分普通的热力学积分和动态热力学积分()两种。
FEP和TI是比较精典的自由能估算的方式，它们的优点在于理论严格，逻辑清晰，具有普适性。但它的缺陷也十分显著:首先这两种方式估算量大，历时;其次，它们只能估算差异较小的两态之间的相对结合自由能，当两态差异较大时，我们很难指定变化的路径。因为这种缺陷，这两种方式在抗生素设计中的应用遭到了很大的局限。
2.3线性互相作用能(LIE)方式
线性互相作用能(,LIE)的自由能估算方式,是近几年发展上去的一种基于分子动力学取样的自由能估算方式。这些方式理论基础来始于非平衡态统计数学学中的线性响应近似()理论，把自由能分解为极性和非极性的贡献。它应当是介于前两类方式之间的一类技巧。它也须要进行分子动力学的取样，但和FEP比较，这个方式仅仅须要对体系的始态和终态做动力学取样，因而估算量比FEP大大减低。和半经验多项式方式比较，它的优势也十分显著结合能，首先它用分子动力学和蒙特卡罗模拟考虑了体系的柔性，在正确预测复合物结构的基础上对体系的构型空间进行取样;其次它通过采用在溶剂环境以及蛋白环境两次分子动力学取样，考察了去溶剂化效应对结合自由能的影响。
LIE方式的理论基础来始于非平衡态统计数学学中的线性响应理论，这是一个在各个学科领域中都有广泛应用的重要理论。
线性响应理论用于简单离子的水合作用取得了一些成功，比如1990年用自由能微扰的方式模拟了Na+和Ca2+的水碱液体系，估算结果比较好。1996年，qvist又对多个体系进行了进一步的系统研究，研究表明大部份体系都能较好的符合所给出的公式，而且对一些体系尤其是包含较多官能团给体或受体的体系形成了一些偏离。
对抗生素分子和受体之间的结合自由能中的极性部份，可以通过线性响应近似来处理。但对于非极性互相作用和疏水效应对自由能的影响，处理上去就困难一些。对于一些长链卤代烃实验早已证明其溶剂化自由能和烯烃的链长呈线性的关系。通过估算也早已证明对长链卤代烃，其在水中和溶剂之间的平均非键互相作用能和烯烃的链长有挺好的线性关系。因而，我们不难想到自由能中的非极性贡献和溶质与溶剂之间平均范得华互相作用能存在一定的线性关系