显式溶剂模型与隐式溶剂模型：全面剖析与应用指南

什么是溶剂模型

显式溶剂模型（Explicit Solvent Model）通过原子级精度描述溶剂分子（如水分子），在模拟中明确包含溶剂分子的坐标、运动和相互作用。

DOI:10.1021/ct400065

例如，在蛋白质模拟中，每个水分子均以氧原子（红色）和氢原子（白色）的几何构型参与氢键形成。而隐式溶剂模型（Implicit Solvent Model）将溶剂视为连续介质，用介电常数（ε）描述其静电响应。

DOI:10.26599/EMD.2024.9370035

溶质与溶剂的相互作用通过自由能泛函（如Poisson-Boltzmann方程）近似，无需显式溶剂原子。本质区别在于：显式模型保留溶剂分子细节，隐式模型牺牲细节以提升计算效率。  

溶剂模型的计算原理与方法

1、显式溶剂模型

采用分子动力学（MD模拟，需构建溶剂盒子（如TIP3P水模型），通过牛顿方程迭代求解所有原子运动。

构建体系：首先将溶质分子结构置于一个模拟盒子（如立方体、八面体）的中心。

溶剂化：在盒子剩余空间内填充溶剂分子，通常使用软件（如GROMACS, AMBER, NAMD）的预置工具自动完成。

能量最小化：优化整个体系的结构，消除原子间的过近接触和不合理构象。

平衡模拟：在恒温（NVT）、恒压（NPT）系综下进行短时间模拟，使体系密度、温度、能量达到平衡。

生产模拟：运行长时间的MD模拟，采集轨迹，用于后续分析。在这个过程中，计算机需要求解每一个原子（包括成千上万个水分子）的牛顿运动方程，计算所有非键相互作用（范德华力和静电作用）。

2、隐式溶剂模型

隐式溶剂模型最著名的实现方法是泊松–玻尔兹曼（Poisson-Boltzmann, PB）方程 和通用Born模型（Generalized Born, GB），通常与量子力学（QM）或分子力学（MM）计算结合使用。

定义空腔：首先根据溶质分子的范德华表面定义一个将其包裹起来的空腔。

求解方程：

（1)PB方程：数值求解一个偏微分方程，计算溶质电荷在连续介质中产生的静电势。它非常精确但计算较慢。

（2）GB模型：是PB方程的一个近似解析解，通过一个经验公式快速估算每个原子的Born半径，进而计算静电溶剂化能，速度很快，适用于MD模拟。

计算能量：总自由能通常表示为；∆G_total= ∆G_gas+ ∆G_solv。其中∆G_solv（溶剂化自由能）又包括静电项（∆G_elec）和非极性项（∆G_nonpol）。非极性项通常与溶剂可及表面积（SASA）成正比，用以模拟疏水效应。

DOI:10.1137/22M1508339

溶剂模型的应用

1、显示溶剂模型

分子动力学（MD）模拟：研究生物大分子的构象变化、折叠/去折叠过程、与小分子的结合动力学等。

DOI:10.1073pnas.2232868100

2、隐式溶剂模型

量子力学计算：在计算分子的电子结构、激发态、化学反应机理时，隐式溶剂模型（如PCM, COSMO）是标准配置，可以研究溶液中的化学反应。

快速分子对接和虚拟筛选：在药物设计中，隐式溶剂模型可以快速评估结合自由能，处理大量分子。

静电性质分析：计算分子的静电势、pKa值预测等。

结合两者优势：溶质近邻水分子显式处理，远端溶剂用连续介质（如PCM）。

DEPNA分子的吸收光谱计算中，混合模型减少50%计算量且避免波长蓝移。

DOI:10.1007/s00214-014-1538-x

溶剂模型对比

总结