Insights into Protein–Ligand Noncovalent Interaction Networks: A Database Survey and Quantum Chemistry Calculation Study

化学 非共价相互作用 氢键 接受者 计算化学 蛋白质数据库 配体(生物化学) 相互作用能 卤素 量子化学 蛋白质-蛋白质相互作用 卤键 量子化学 自然键轨道 分子 结晶学 立体化学 化学物理 合理设计 超分子化学
作者
Ruitong Luo,Zijian Han,Jintian Li,Yuanjie Chen,Ziyu Peng,Qian Zhang,Weiliang Zhu,Zhijian Xu
出处
期刊:Journal of Medicinal Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:69 (6): 6965-6975
标识
DOI:10.1021/acs.jmedchem.5c03216
摘要

Protein-ligand binding is largely determined by multiple noncovalent interactions (NCIs), which may exhibit synergistic or antagonistic effects. Here, we applied an approach combining PDB statistics with QM/MM calculations to quantify relationships among five major NCIs: halogen bonds (XB), hydrogen bonds (HB), cation-π interactions (CP), π-π interactions (PP), and salt bridges (SB). Statistical analysis showed that 69.28% of the ligands with SB acceptors interact with protein residues, followed by HB acceptors (65.21%) and XB donors (62.76%). Energy analysis revealed the strongest antagonism between the CP acceptor and SB acceptor (median ΔESyn = 1.31 kcal/mol) and the strongest synergy between the HB donor and acceptor (-0.73 kcal/mol). The effects are enhanced when their interaction distances are <7.5 Å. For three-NCI systems, overall energies were well approximated by the sum of the two-NCI systems (R2 = 0.980). These results reveal a complicated NCI network, which provides guidance for rational ligand design.
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