卤键与氢键微环境偏好性研究

非共价相互作用，包括氢键（HB）、卤键（XB）等，在蛋白-配体识别和理性药物设计中发挥着重要作用¹。HB和XB不仅能用于优化配体的结合亲和力，而且对小分子的ADME / T性质也有显著影响^{2, 3}。因此，准确计算它们对配体结合亲和力的贡献非常重要。一般而言，HB及XB应该与其所处的具体微环境有关，但HB及XB分别偏好于什么样的微环境尚未见定量的研究报道。人们认为在相同环境下，HB略强于XB⁴，但未定量研究过微环境的差异及其对HB和XB强度的影响⁵。因此研究卤键和氢键的微环境偏好性及其对强度的影响具有重要意义。

中国科学院上海药物研究所朱维良/徐志建课题组，通过对22,011个配体-蛋白质复合物结构的详细统计分析，探讨了HB（共91,966根）和XB（共1,436根，包括945根X···Y型和491根X···π型）的环境偏好性。此外，对其中6个典型体系进行了QM/MM计算，探究了不同微环境对卤键和氢键强度的影响。相关成果发表在Physical Chemistry Chemical Physics 杂志上（https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/cp/d3cp02096g）⁶。

研究人员首先对三个由小分子-蛋白质复合物结构组成的数据集进行了统计，即DrugBank中上市药物的数据集 （DrugBank with approved sm）， PDB中含卤小分子的数据集 （PDB with X）和PDBbind，分析了HB和XB对氨基酸的偏好性。为了更好地进行比较，研究人员定义了一个参数--倾向性（propensity），即形成HB或XB的氨基酸中每种氨基酸的相对频率除以其在各自数据中的背景频率。结果表明，极性氨基酸，如HIS、ASP、ARG、ASN，更容易与配体形成HB，而非极性氨基酸，如TRP、PHE和MET，更容易通过XB与配体相互作用。

图1. HB和XB对氨基酸的偏好性

此外，研究人员还分析了HB和X···Y型XB的元素偏好。类似地，倾向性的定义是每个元素的相对频率除以它在整个数据库中的背景频率。如图2所示，与XB相比，主链上的N（N_mainchain）和侧链上的N （N_sidechain）更容易与配体形成HB，而主链上的O（O_mainchain）和侧链上的S（S_sidechain）的倾向性则更容易形成XB。

图2. HB和XB对元素的偏好性

为了量化微环境的疏水性，研究人员采用分子疏水性势（Molecular hydrophobicity Potential, MHP）来计算氢键或者卤键的局部环境的疏水性（local hydrophobicity, LH）。据文献报道，MHP是一种在原子层面描述局部疏水性的有效方法⁷。结果如图3所示，HB的LHs分布在-0.38 ~ -0.07之间，而XB则集中在-0.25 ~ -0.12之间。此外，HB的LHs平均值(-0.23±0.13)小于XB的LHs平均值(-0.19±0.10)。统计检验也表明HB和XB的局部疏水性分布具有显著差异（p < 0.001）。即从局部疏水性的结果看来，XB比HB更倾向于疏水环境。

图3. 基于MHP计算的HB和XB的局部疏水性分布

蛋白质的介电常数分布与其局部环境的极性相关。为此，研究人员定义了计算HB和XB的局部介电常数（local dielectric constant, LDC）的方法。计算结果（图4）表明，HB的LDC峰值略高于XB。此外，HB和XB的LDC在8.17以内的相对频率分别为0.32和0.50。HB的LDC平均值为10.69±4.36，XB则为8.86±4.00，两者平均值相差1.83。统计上，HB的LDC显著大于XB（p < 0.001）。这与LH的趋势一致，进一步表明HB更喜欢亲水环境。

图4. HB和XB的局部介电常数分布

基于上述预测的LDC，研究人员选取6个体系为例，计算了HB和XB在真空（IE_vacuum）和相应LDC下的相互作用能（IE_solvent）。研究结果表明，相对于IE_vacuum，XB和HB的IE_solvent都有不同程度的降低。从表1可以看出，在同一体系中，同一环境下的HB都比XB强（3sw8的卤键受体为带负电的羧基，因此不予考虑）。在5xdv，6rlw这两个体系中，氢键和卤键LDC差异大于7，相对于IE_vacuum，HB IE_solvent减弱的程度也大于XB。也就是说当同一体系中的氢键和卤键微环境LDC差异较大时，氢键被削弱的程度较大。此外，倾向于极性环境的HB处于溶剂区，容易受到溶剂竞争的影响，这可能导致其比XB更不稳定。因此，在实际情况下，XB的强度有可能大于HB。

表1. 6个体系在不同介电常数下的氢键/卤键强度（kcal/mol）

^a ΔLDC = LDC (HB) – LDC (XB)

^b IE change ratio = (IE_solvent - IE_vacuum)/ IE_vacuum

该论文第一作者为中国科学院上海药物研究所博士研究生周丽萍，通讯作者为徐志建研究员和朱维良研究员。徐志建/朱维良团队多年来致力于卤键领域的相关研究，首次阐明了卤键作用的本质^{8, 9}，揭示了PDB数据库中卤键等分子间作用力被普遍低估的现象^10-12，首次发现核酸也可作为卤键受体¹³，提出了卤键可以影响药物的ADME/T性质²以及引入卤键来增强小分子的活性¹⁴。

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