基于网格非均匀溶剂化理论的分子水合结构与热力学

水合变化是生物分子识别现象的核心，但要正确构建并回答关于其精确热力学作用的问题一直很困难。我们通过引入网格非均匀溶剂化理论（GIST）来解决这个问题，该理论将非均匀溶剂化理论的方程离散化到感兴趣体积内的三维网格上。在这里，溶剂体积被划分为小的网格框，并为每个网格框定义了局域热力学熵、能量和自由能。热力学溶剂化量以这种方式定义，使得将所有网格框上的量相加即可得到系统所需的总量。这种方法不仅平滑地考虑了高占据水位点，还考虑了溶剂的部分占据和缺水区域的热力学，而无需引入来自其他理论的特设项。GIST方法还具有允许严格终态分析的进一步优势，例如在分子识别问题中，它不仅能解释从表面置换水的热力学，还能解释结合复合物周围溶剂重组的热力学。作为初步应用，我们展示了主体葫芦[7]脲在1-body水平上的GIST计算，这是一种低分子量受体分子，代表了生物分子识别的易处理模型。最引人注目的结果之一是观察到了位于主体非极性空腔中心的水密度环面区域，该区域在熵上极为不利，因此可能有助于这种小受体以异常高的亲和力结合客体分子。