3.5. 芦丁和新冠蛋白酶#
案例来自论文: “中药大黄素对 SARS-CoV-2 主要蛋白酶抑制作用的计算机模拟研究”.
本研究通过分子对接和分子动力学模拟等计算机模拟方法，探索中药关键成分芦丁（rutin） 对SARS-CoV-2 主蛋白酶（Mpro） 的抑制机制.
发现芦丁虽具强亲水性，但能结合于 Mpro 的活性位点并可能抑制其功能；同时，研究优化芦丁结构得到更疏水的类似物 rutin-M，其符合西方药物的 Lipinski 五规则，且与 Mpro 的结合亲和力更强（结合自由能为 - 17.0 kcal/mol，高于芦丁的 - 15.7 kcal/mol 和 - 14.6 kcal/mol），为抗 COVID-19 药物设计提供了思路。
3.5.1. 分子对接#
分子对接用于预测配体（芦丁或 rutin-M）与受体（Mpro）的最佳结合模式及结合亲和力，核心工具为 AutoDock Vina
exhaustiveness 设为 100，以提高找到最低结合能构象的概率，确保预测配体与 Mpro 的最佳结合位点和模式
3.5.2. 分子动力学模拟#
分子动力学模拟用于分析配体与受体结合后的动态稳定性（如结构波动、相互作用能变化），核心工具为 NAMD
溶剂：采用 TIP3P 水模型，构建 97.4×97.4×97.4 ų 的水盒；
电解质：0.15 M KCl（含 80 个 K⁺和 80 个 Cl⁻离子），并额外添加 8 个 K⁺中和 Mpro 的电荷。
蛋白质（Mpro）：采用 CHARMM36 力场；
配体（芦丁）：力场参数来自 SwissParam
能量最小化：先对系统进行能量最小化，消除不合理的原子间相互作用。
平衡阶段：在 1 bar 压力、300 K 温度下平衡 1 ns，期间对 Mpro 的 backbone 原子和配体的非氢原子施加 harmonic 约束（弹簧常数 k=1 kcal/mol/Ų），确保系统稳定。
生产模拟：移除约束后，在 NPT 系综（恒温恒压）下进行长时间模拟（芦丁模拟约 300 ns，rutin-M 模拟约 275 ns），用 Langevin 动力学维持温度（300 K），Nosé-Hoover 方法维持压力（1 bar），时间步长为 2 fs。
3.5.2.1. 结果分析#
图. 3.5.1 分子对接结果和MD模拟盒子#
图. 3.5.2 分子模拟RMSD, 势能和模拟轨迹#
3.5.2.2. 拉伸分子动力学模拟#
steered molecular dynamics (SMD，拉伸分子动力学模拟) 是一种用于估算分子间结合自由能的计算方法，通过施加外力将配体从受体结合位点拉出，分析能量变化以评估结合强度。
通过模拟配体（芦丁或 rutin-M）从 SARS-CoV-2 主蛋白酶（Mpro）的结合口袋中被 “拉出” 的过程，计算结合自由能差异（ΔF），量化配体与 Mpro 的结合亲和力（值越负，结合越强）。
#待更新
图. 3.5.3 使用拉伸分子动力学模拟计算结合自由能差#