計(jì)算機(jī)技術(shù)在藥物化學(xué)中的應(yīng)用

孫森鳳 姜 雪 張春嶺

(山東中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，山東 濟(jì)南 250355)

近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)與藥物化學(xué)之間的相互滲透已成為藥物化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)工作者研究的熱點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)，藥物化學(xué)工作者現(xiàn)在可以快速地獲取過(guò)去難于獲得或者需要通過(guò)許多方法和渠道才能獲得的信息，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)快速地發(fā)表自己的觀點(diǎn)、研究成果等。計(jì)算機(jī)技術(shù)在藥物化學(xué)中的應(yīng)用對(duì)藥物化學(xué)工作者的傳統(tǒng)工作方法及思維模式產(chǎn)生了很大的沖擊，改變了藥物化學(xué)工作者的研究手段及工作環(huán)境，使得原來(lái)難以解決的問(wèn)題變得更加容易，例如藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)中的許多計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的軟件、硬件應(yīng)用于實(shí)際工作中，使得藥物化學(xué)工作者愈來(lái)愈依靠這種技術(shù)來(lái)解決藥物化學(xué)中的問(wèn)題。CADD 從理論的角度出發(fā)，減少了尋找新藥的盲目性和偶然性，為藥物學(xué)家提供了理論思維形象化的有力工具，使藥物設(shè)計(jì)更便捷、直觀和有效[1]。

1 計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)的結(jié)合

1.1 計(jì)算機(jī)在藥物化學(xué)中的應(yīng)用

用計(jì)算機(jī)處理藥物化學(xué)中的復(fù)雜計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及功能的完善與不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)不再是一種簡(jiǎn)單的計(jì)算工具，它正向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，這使得應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)能解決的藥物化學(xué)問(wèn)題也越來(lái)越多。計(jì)算機(jī)主要是通過(guò)用數(shù)學(xué)的方法計(jì)算來(lái)解決問(wèn)題，能快速地進(jìn)行大量復(fù)雜、繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算，而藥物化學(xué)是對(duì)藥物中化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行認(rèn)識(shí)、分析、合成及利用。因此，要想將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到藥物化學(xué)中就必須解決藥物化學(xué)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合問(wèn)題。這方面的研究包括兩方面的內(nèi)容，即計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)儀器的接口、藥物化學(xué)類(lèi)應(yīng)用軟件程序包的開(kāi)發(fā)。

1.2 計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)儀器的接口

它是研制計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)儀器相接時(shí)的軟硬件運(yùn)行環(huán)境，包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理兩方面的內(nèi)容。對(duì)數(shù)據(jù)的采集一般采用數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)，如美國(guó)吉時(shí)利公司的DAS 系列數(shù)據(jù)采集卡、北京科技大學(xué)的并口數(shù)據(jù)采集器等等。其方法是使用A / D 或D/ A轉(zhuǎn)化技術(shù)將藥物化學(xué)測(cè)量中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)或?qū)⒂?jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為藥物化學(xué)儀器可識(shí)別的模擬信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試及工藝過(guò)程的控制。其今后向模塊式、智能化測(cè)試系統(tǒng)方向發(fā)展將是一種必然趨勢(shì)。對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理，是通過(guò)使用不同目的的應(yīng)用軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 如姚志峰等[1]研制的基于WINDOWS環(huán)境的高速數(shù)據(jù)采集；趙寧、孫小勇等[2]研制出基于PLC 的化學(xué)水處理監(jiān)控系統(tǒng)；四川大學(xué)化工學(xué)院開(kāi)發(fā)的燃燒熱測(cè)試系統(tǒng)；王蘭省[3]報(bào)道了虛擬儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)等等。將計(jì)算機(jī)技術(shù)與藥物化學(xué)儀器相結(jié)合從而到分析測(cè)試的自動(dòng)化、智能化是當(dāng)前新儀器、新設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造的重要發(fā)展趨勢(shì)。

1.3 化學(xué)類(lèi)應(yīng)用軟件程序包

主要是設(shè)計(jì)具有工具性的應(yīng)用軟件程序包和處理化學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)程序。這方面國(guó)外較多，如 Chemoffice2000、ChemWindow、ChemSketch、Scivision系列化學(xué)辦公軟件。我國(guó)在這方面起步較晚，唐敖慶等編制的結(jié)構(gòu)化學(xué)軟件是我國(guó)較早自己設(shè)計(jì)的化學(xué)類(lèi)工具軟件；清華大學(xué)CAI 中心實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的寫(xiě)作系統(tǒng)THCAI，可以用它開(kāi)發(fā)包括藥物化學(xué)類(lèi)的CAI 課件；安登魁等[4]設(shè)計(jì)的計(jì)算藥物分析程序包，它包含35 個(gè)常用方法，可用于各種類(lèi)型的藥物化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析、分光光度分析、最優(yōu)化、因子分析、聚類(lèi)分析及模式識(shí)別的計(jì)算。

2 計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)研究

目前這方面的進(jìn)展非常神速，幾乎涉及藥物化學(xué)及其交叉學(xué)科各個(gè)方面，各種應(yīng)用軟件層出不窮。就其研究?jī)?nèi)容看來(lái)，計(jì)算機(jī)在藥物化學(xué)研究中的應(yīng)用一般可分為：計(jì)算機(jī)與計(jì)算藥物化學(xué)、計(jì)算機(jī)與應(yīng)用藥物化學(xué)、藥物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與專(zhuān)家系統(tǒng)。

2.1 計(jì)算機(jī)與計(jì)算藥物化學(xué)

計(jì)算機(jī)是計(jì)算藥物化學(xué)的基本工具，計(jì)算藥物化學(xué)的基本任務(wù)是通過(guò)量子化學(xué)對(duì)體系進(jìn)行研究，達(dá)到對(duì)物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的解析、表征、計(jì)算機(jī)模擬與分子設(shè)計(jì)等。這方面的工作進(jìn)行得最早，當(dāng)前仍是非?；钴S的研究領(lǐng)域，其研究成果很豐富。如Frank R. Burden 和David A. Winkler[5]報(bào)道了應(yīng)用新的QSAR 方法計(jì)算結(jié)構(gòu)中的活性點(diǎn)分布及鍵合的方法；孫嘯與韋鈺[6]研究了應(yīng)用pro-log語(yǔ)言表示和處理分子結(jié)構(gòu)的問(wèn)題；羅時(shí)瑋、姚建華等[7]研究了用計(jì)算機(jī)處理復(fù)雜的藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。

2.2 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用藥物化學(xué)

其目的是應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)研究中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)而使所研究的問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬達(dá)到節(jié)省人力物力。將計(jì)算機(jī)技術(shù)與分析技術(shù)相結(jié)合使許多分析測(cè)試變得準(zhǔn)確、快速、方便。如蔣靈、何小榮等[8]研究的用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行置信度分析。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)在藥物化學(xué)及與藥物化學(xué)有關(guān)的交叉學(xué)科中都得到廣泛應(yīng)用，如嚴(yán)新建與周家舉等[9]報(bào)道了應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助研究中國(guó)傳統(tǒng)中藥的方法。由于研究者從事的科研領(lǐng)域或研究方向多種多樣，研究者可以根據(jù)自己的研究問(wèn)題自行設(shè)計(jì)所需的應(yīng)用程序。所以，要想在這里將所有的研究成果一一列舉是很困難的，但這方面的應(yīng)用軟件具有的共同特點(diǎn)是種類(lèi)多、應(yīng)用程序一般較小、通用性較差。

2.3 藥物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與專(zhuān)家系統(tǒng)方面

由于藥物化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，各種常數(shù)、物質(zhì)的基本參數(shù)以及測(cè)試條件等很多，而計(jì)算機(jī)可以以很快的速度進(jìn)行查詢(xún)與存貯，因此我們可以將這些繁瑣的工作由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。由此，人們建立了多種多樣的藥物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)及其專(zhuān)家系統(tǒng)。通過(guò)藥物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可以達(dá)到藥物化學(xué)數(shù)據(jù)管理的合理化及數(shù)據(jù)資源的共享，應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)人們可以得到許多有益的幫助，這樣就為藥物化學(xué)工作者提供許多方便。 目前，世界上許多著名的公司都建立了藥物化學(xué)信息系統(tǒng)和藥物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，人們還可以根據(jù)自己的使用目的建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展及化學(xué)家用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)日愈豐富，使用計(jì)算機(jī)來(lái)解決更多的藥物化學(xué)問(wèn)題成為了可能，當(dāng)然，由于技術(shù)上的和經(jīng)濟(jì)上的原因，目前在軟件開(kāi)發(fā)上還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)各不相同，使得它們的應(yīng)用范圍受到較大的限制。如果能夠開(kāi)發(fā)出一種通用的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)或平臺(tái)，則可以加快藥物化學(xué)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)速度，同時(shí)也可以減少許多重復(fù)勞動(dòng)。

3 藥物化學(xué)教育中的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)

計(jì)算機(jī)技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合形成了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)，它是教育領(lǐng)域第四次革命形成的計(jì)算機(jī)輔助教育(CBE)的一個(gè)重要分支。以程序教學(xué)理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為手段的CAI教學(xué)是一種很新穎的教學(xué)方式，具有教學(xué)與輔助雙重功能，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育的重要手段，它為教學(xué)研究與改革注入了新的活力。當(dāng)前，CAI已成為當(dāng)今高校教學(xué)改革的一個(gè)重要方向，藥物化學(xué)也不例外。目前，對(duì)藥物化學(xué)CAI 的研究主要集中在教學(xué)課件。

3.1 教學(xué)過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬

藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定著藥物的名稱(chēng)、理化性質(zhì)、藥理作用和構(gòu)效關(guān)系等，藥物化學(xué)離不開(kāi)介紹藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而絕大多數(shù)藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，許多藥物的藥理作用還與其立體結(jié)構(gòu)有密切相關(guān)，利用CAI具有容量大、速度快、效果好的優(yōu)點(diǎn)，可在課堂上展示與本學(xué)科內(nèi)容相關(guān)的各種信息，增加了課堂的知識(shí)容量，加深學(xué)生的理解。如介紹局部麻藥的發(fā)展史，我們可以充分利用CAI的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，詳盡而快速地介紹可卡因的理化性質(zhì)、化學(xué)結(jié)構(gòu)，及對(duì)其結(jié)構(gòu)的改造過(guò)程，直至普魯卡因的合成，啟示人們可以簡(jiǎn)化天然藥物的結(jié)構(gòu)來(lái)尋找新藥；從普魯卡因的酯基不穩(wěn)定，易水解失效，研究發(fā)現(xiàn)可用較不易水解的酰胺基取代酯基，于是發(fā)現(xiàn)了酰胺類(lèi)局麻藥利多卡因；通過(guò)進(jìn)一步改造普魯卡因、利多卡因等局麻藥的結(jié)構(gòu)，得到了其它新的局麻藥；另外，肯定還會(huì)有穩(wěn)定性更好、效果更佳的新的局麻藥有待于我們?nèi)ネ诰?、去開(kāi)發(fā)；從而順利過(guò)渡到完整的知識(shí)框架。

3.2 試題庫(kù)的合理設(shè)計(jì)

試題庫(kù)對(duì)教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)具有重要的地位，是實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化考試的基礎(chǔ)。因此，許多考試組織部門(mén)都建有相應(yīng)學(xué)科的試題庫(kù)。

多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是信息時(shí)代課堂教學(xué)改革不可或缺的手段[10]。先進(jìn)的教學(xué)技術(shù)是加速人才培養(yǎng)、多出人才、出好人才的重要物質(zhì)條件。在藥物化學(xué)的教學(xué)中普及和提高CAI的應(yīng)用，采取措施大力發(fā)展教育技術(shù)，發(fā)展新的教學(xué)手段，深化教學(xué)改革，加速教學(xué)手段現(xiàn)代化進(jìn)程，以適應(yīng)當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)教育、遠(yuǎn)程教育和繼續(xù)教育的現(xiàn)實(shí)需要，是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

4 計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)信息資源

計(jì)算機(jī)科學(xué)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是本世紀(jì)90年代以來(lái)Internet的迅速發(fā)展，使得Internet正在變成轉(zhuǎn)遞各種信息資源的重要載體，電子郵件的出現(xiàn)和應(yīng)用使得人們之間的交流變得更加方便、快捷，計(jì)算機(jī)正在以不同方式對(duì)人們的學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生越來(lái)越大的影響。人類(lèi)正從工業(yè)社會(huì)進(jìn)入信息社會(huì)，信息已成為科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)進(jìn)步的重要資源，如何快速獲得有用的信息已成為每一個(gè)科技工作者必備的能力。目前，Internet已成為世界上最大的全球信息網(wǎng)絡(luò)，世界上許多大企業(yè)、高等院校、科研機(jī)構(gòu)等都擁有自己的Internet站點(diǎn)，而有關(guān)藥物化學(xué)類(lèi)的網(wǎng)站也不斷地建立,這些站點(diǎn)可以提供諸如專(zhuān)業(yè)信息服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、教育、網(wǎng)上書(shū)店等方面的服務(wù)。作為一個(gè)藥物化學(xué)工作者，如何利用Internet上面的藥物化學(xué)信息資源是非常重要的，藥物化學(xué)與Internet已成為一個(gè)非常誘人的新興交叉領(lǐng)域，因此，必須掌握這門(mén)技術(shù)。

目前，在藥物化學(xué)與Internet之間所要解決的基本問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)藥物化學(xué)信息資源的網(wǎng)絡(luò)化共享及快速查詢(xún)，既要解決如何在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供藥物化學(xué)的方法問(wèn)題，又要解決通過(guò) Internet獲取藥物化學(xué)信息的方法問(wèn)題，這兩個(gè)方面都是人們正在努力探索的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前Internet 藥物化學(xué)類(lèi)站點(diǎn)提供的藥物化學(xué)信息數(shù)量巨大，因此，如何快速獲得所需的應(yīng)用信息就顯得很重要。由于當(dāng)前Internet上藥物化學(xué)信息太分散，即使用合適的方法要得到有用的信息與資料還是要花費(fèi)很多的人力和物力，如果能夠建立一個(gè)公用的藥物化學(xué)信息發(fā)布庫(kù)，將有償服務(wù)與免費(fèi)資源分開(kāi)，這將為廣大藥物化學(xué)工作者提供很大的方便。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大和完善，藥物化學(xué)與它的關(guān)系也會(huì)越來(lái)越緊密，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為藥物化學(xué)工作者必須掌握的一種工作手段。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以使藥物化學(xué)工作者從許多繁雜的簡(jiǎn)單工作及大量的重復(fù)勞動(dòng)中解放出來(lái)，進(jìn)行更多的研究工作，還可以幫助藥物化學(xué)工作者快速地獲得所需的信息。由于多種原因，我國(guó)藥物化學(xué)工作者在計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用上與國(guó)外還存在很大的差距，21世紀(jì)將是信息時(shí)代，所以加強(qiáng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)在藥物化學(xué)中的應(yīng)用研究是非常重要的，這些要廣大藥物化學(xué)工作者與計(jì)算機(jī)工作者的共同努力。另外，由于藥物化學(xué)及其交叉學(xué)科的研究領(lǐng)域很多，使得計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)的結(jié)合點(diǎn)也很多。因此，在如此巨大的研究?jī)?nèi)容上，要想將當(dāng)今計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)方面的研究?jī)?nèi)容一一羅列是很困難的。鑒于目前國(guó)內(nèi)外在計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)方面的總結(jié)性文章很少，希望本文能夠取到一個(gè)拋磚引玉的作用，使更多的專(zhuān)家學(xué)者能對(duì)自己研究領(lǐng)域內(nèi)的計(jì)算機(jī)與藥物化學(xué)的研究成果進(jìn)行綜述，以促使該研究領(lǐng)域的發(fā)展。

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