卤素取代已被广泛应用于苗头化合物到先导化合物（hit-to-lead）以及到药物（lead-to-drug）的优化过程中，许多药物和临床研究中的候选药物中都包含卤素。近年来，研究发现Lewis碱（O、N和S）和酸（Cl、Br和I）之间形成的分子间非键相互作用即卤键相互作用在蛋白质与配体识别与结合过程中起着重要作用。 

　　为了了解蛋白质与配体之间卤键形成的热力学行为和结构特征，上海药物所许叶春研究组和沈敬山研究组利用等温量热滴定方法（Isothermal Titration Calorimetry, ITC）和蛋白质晶体X-衍射方法研究了肺动脉高压等疾病的药物作用靶标五型磷酸二酯酶（PDE5）与不同卤代抑制剂之间的结合。 

　　这些卤代抑制剂是早期设计的专门用于研究蛋白质与配体间的卤键相互作用，它们具有完全相同的骨架结构，仅仅在嘧啶酮环的5位被不同的卤素或者氢原子所取代（J. Med. Chem. 2011, 54, 5607-5611）。利用ITC，研究人员首次在实验上精确测定了溶液中蛋白质与配体之间卤键的热力学参数，结合抑制剂与PDE5的复合物晶体结构所提供的卤键的结构参数，获得了蛋白质与配体间卤键相互作用的结构与能量关系。 

　　ITC测定的热力学参数表明氯代、溴代和碘代抑制剂与蛋白质之间的卤键主要由焓驱动形成，相应的结合自由能分别为-1.6、-3.1和-5.59 kJ/mol。碘代抑制剂与PDE5的复合物晶体结构发现结合力最强的卤键相互作用能（-5.59 kJ/mol）主要由碘原子与附近一个结构水分子中的氧原子形成的卤键所贡献。碘与结构水分子间形成的卤键的意外发现与表征，为今后理性药物设计中充分利用结构水形成卤键而提高配体与靶标的结合能提供了范例。 

　　此外，由于氟原子特定的理化性质导致氟代抑制剂与PDE5结合的热力学行为与其他卤代抑制剂完全不同。基于精确测定的热力学数据和复合物晶体结构，科研人员对氟代抑制剂与蛋白质的特定结合行为进行了讨论与分析。 

　　该研究工作主要由许叶春研究组和沈敬山研究组合作完成，研究结果发表在美国化学会药物化学杂志（J. Med. Chem. 2014, 57, 3588−3593），任靖和何洋为共同第一作者。 

　　全文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jm5002315。 

图 1 碘代单嘧啶酮抑制剂与PDE5的结合研究。(A) 复合物晶体结构中氨基酸残基和抑制剂的相互作用分析 (pdb code: 4OEW)。(B)抑制剂与PDE5催化结构域结合的热力学行为测定。

(供稿部门：许叶春研究组)