计算机技术在药物化学中的应用

孙森凤 姜 雪 张春岭

(山东中医药大学药学院，山东 济南 250355)

近年来，由于计算机技术及网络技术的不断发展，计算机技术与药物化学之间的相互渗透已成为药物化学和计算机科学工作者研究的热点。利用计算机，药物化学工作者现在可以快速地获取过去难于获得或者需要通过许多方法和渠道才能获得的信息，也可以通过计算机网络快速地发表自己的观点、研究成果等。计算机技术在药物化学中的应用对药物化学工作者的传统工作方法及思维模式产生了很大的冲击，改变了药物化学工作者的研究手段及工作环境，使得原来难以解决的问题变得更加容易，例如药物化学结构中的许多计算。随着计算机技术的高速发展，越来越多的软件、硬件应用于实际工作中，使得药物化学工作者愈来愈依靠这种技术来解决药物化学中的问题。CADD 从理论的角度出发，减少了寻找新药的盲目性和偶然性，为药物学家提供了理论思维形象化的有力工具，使药物设计更便捷、直观和有效[1]。

1 计算机与药物化学的结合

1.1 计算机在药物化学中的应用

用计算机处理药物化学中的复杂计算。随着计算机技术及功能的完善与不断发展，计算机不再是一种简单的计算工具，它正向网络化、智能化方向发展，这使得应用计算机技术能解决的药物化学问题也越来越多。计算机主要是通过用数学的方法计算来解决问题，能快速地进行大量复杂、繁琐的数学计算，而药物化学是对药物中化学物质进行认识、分析、合成及利用。因此，要想将计算机技术应用到药物化学中就必须解决药物化学与计算机的结合问题。这方面的研究包括两方面的内容，即计算机与药物化学仪器的接口、药物化学类应用软件程序包的开发。

1.2 计算机与药物化学仪器的接口

它是研制计算机与药物化学仪器相接时的软硬件运行环境，包括实验数据的采集与处理两方面的内容。对数据的采集一般采用数据采集器实现，如美国吉时利公司的DAS 系列数据采集卡、北京科技大学的并口数据采集器等等。其方法是使用A / D 或D/ A转化技术将药物化学测量中的模拟信号转化为计算机可识别的数字信号或将计算机发出的数字信号转化为药物化学仪器可识别的模拟信号，进而实现对测试及工艺过程的控制。其今后向模块式、智能化测试系统方向发展将是一种必然趋势。对采集数据的处理，是通过使用不同目的的应用软件系统来实现。 如姚志峰等[1]研制的基于WINDOWS环境的高速数据采集；赵宁、孙小勇等[2]研制出基于PLC 的化学水处理监控系统；四川大学化工学院开发的燃烧热测试系统；王兰省[3]报道了虚拟仪器系统的开发技术等等。将计算机技术与药物化学仪器相结合从而到分析测试的自动化、智能化是当前新仪器、新设备的设计与制造的重要发展趋势。

1.3 化学类应用软件程序包

主要是设计具有工具性的应用软件程序包和处理化学问题的数学程序。这方面国外较多，如 Chemoffice2000、ChemWindow、ChemSketch、Scivision系列化学办公软件。我国在这方面起步较晚，唐敖庆等编制的结构化学软件是我国较早自己设计的化学类工具软件；清华大学CAI 中心实验室开发的写作系统THCAI，可以用它开发包括药物化学类的CAI 课件；安登魁等[4]设计的计算药物分析程序包，它包含35 个常用方法，可用于各种类型的药物化学统计分析、分光光度分析、最优化、因子分析、聚类分析及模式识别的计算。

2 计算机与药物化学研究

目前这方面的进展非常神速，几乎涉及药物化学及其交叉学科各个方面，各种应用软件层出不穷。就其研究内容看来，计算机在药物化学研究中的应用一般可分为：计算机与计算药物化学、计算机与应用药物化学、药物化学数据库与专家系统。

2.1 计算机与计算药物化学

计算机是计算药物化学的基本工具，计算药物化学的基本任务是通过量子化学对体系进行研究，达到对物质化学结构的解析、表征、计算机模拟与分子设计等。这方面的工作进行得最早，当前仍是非常活跃的研究领域，其研究成果很丰富。如Frank R. Burden 和David A. Winkler[5]报道了应用新的QSAR 方法计算结构中的活性点分布及键合的方法；孙啸与韦钰[6]研究了应用pro-log语言表示和处理分子结构的问题；罗时玮、姚建华等[7]研究了用计算机处理复杂的药物化学结构的问题。

2.2 计算机与应用药物化学

其目的是应用计算机对研究中的实验数据进行处理进而使所研究的问题进行计算机模拟达到节省人力物力。将计算机技术与分析技术相结合使许多分析测试变得准确、快速、方便。如蒋灵、何小荣等[8]研究的用 BP 神经网络进行置信度分析。目前，计算机技术在药物化学及与药物化学有关的交叉学科中都得到广泛应用，如严新建与周家举等[9]报道了应用计算机辅助研究中国传统中药的方法。由于研究者从事的科研领域或研究方向多种多样，研究者可以根据自己的研究问题自行设计所需的应用程序。所以，要想在这里将所有的研究成果一一列举是很困难的，但这方面的应用软件具有的共同特点是种类多、应用程序一般较小、通用性较差。

2.3 药物化学数据库与专家系统方面

由于药物化学学科的特点，各种常数、物质的基本参数以及测试条件等很多，而计算机可以以很快的速度进行查询与存贮，因此我们可以将这些繁琐的工作由计算机来完成。由此，人们建立了多种多样的药物化学数据库及其专家系统。通过药物化学数据库的建立可以达到药物化学数据管理的合理化及数据资源的共享，应用专家系统人们可以得到许多有益的帮助，这样就为药物化学工作者提供许多方便。 目前，世界上许多著名的公司都建立了药物化学信息系统和药物化学数据库。同时，人们还可以根据自己的使用目的建立相应的数据库。

随着计算机技术的不断发展及化学家用计算机解决问题的经验日愈丰富，使用计算机来解决更多的药物化学问题成为了可能，当然，由于技术上的和经济上的原因，目前在软件开发上还没有形成统一的标准，不同的应用软件的开发平台各不相同，使得它们的应用范围受到较大的限制。如果能够开发出一种通用的应用软件开发操作系统或平台，则可以加快药物化学应用软件的开发速度，同时也可以减少许多重复劳动。

3 药物化学教育中的计算机辅助教学(CAI)

计算机技术与教学相结合形成了计算机辅助教学(CAI)，它是教育领域第四次革命形成的计算机辅助教育(CBE)的一个重要分支。以程序教学理论为基础，以计算机技术为手段的CAI教学是一种很新颖的教学方式，具有教学与辅助双重功能，是实现远程教育的重要手段，它为教学研究与改革注入了新的活力。当前，CAI已成为当今高校教学改革的一个重要方向，药物化学也不例外。目前，对药物化学CAI 的研究主要集中在教学课件。

3.1 教学过程的计算机模拟

药物的化学结构决定着药物的名称、理化性质、药理作用和构效关系等，药物化学离不开介绍药物的化学结构，而绝大多数药物的化学结构复杂，许多药物的药理作用还与其立体结构有密切相关，利用CAI具有容量大、速度快、效果好的优点，可在课堂上展示与本学科内容相关的各种信息，增加了课堂的知识容量，加深学生的理解。如介绍局部麻药的发展史，我们可以充分利用CAI的强大优势，详尽而快速地介绍可卡因的理化性质、化学结构，及对其结构的改造过程，直至普鲁卡因的合成，启示人们可以简化天然药物的结构来寻找新药；从普鲁卡因的酯基不稳定，易水解失效，研究发现可用较不易水解的酰胺基取代酯基，于是发现了酰胺类局麻药利多卡因；通过进一步改造普鲁卡因、利多卡因等局麻药的结构，得到了其它新的局麻药；另外，肯定还会有稳定性更好、效果更佳的新的局麻药有待于我们去挖掘、去开发；从而顺利过渡到完整的知识框架。

3.2 试题库的合理设计

试题库对教学质量的评价具有重要的地位，是实行标准化考试的基础。因此，许多考试组织部门都建有相应学科的试题库。

多媒体网络教学是信息时代课堂教学改革不可或缺的手段[10]。先进的教学技术是加速人才培养、多出人才、出好人才的重要物质条件。在药物化学的教学中普及和提高CAI的应用，采取措施大力发展教育技术，发展新的教学手段，深化教学改革，加速教学手段现代化进程，以适应当今网络教育、远程教育和继续教育的现实需要，是社会发展的必然趋势。

4 计算机与药物化学信息资源

计算机科学及网络技术的迅速发展，特别是本世纪90年代以来Internet的迅速发展，使得Internet正在变成转递各种信息资源的重要载体，电子邮件的出现和应用使得人们之间的交流变得更加方便、快捷，计算机正在以不同方式对人们的学习和生活产生越来越大的影响。人类正从工业社会进入信息社会，信息已成为科学技术进步和社会进步的重要资源，如何快速获得有用的信息已成为每一个科技工作者必备的能力。目前，Internet已成为世界上最大的全球信息网络，世界上许多大企业、高等院校、科研机构等都拥有自己的Internet站点，而有关药物化学类的网站也不断地建立,这些站点可以提供诸如专业信息服务、数据库、教育、网上书店等方面的服务。作为一个药物化学工作者，如何利用Internet上面的药物化学信息资源是非常重要的，药物化学与Internet已成为一个非常诱人的新兴交叉领域，因此，必须掌握这门技术。

目前，在药物化学与Internet之间所要解决的基本问题是如何实现药物化学信息资源的网络化共享及快速查询，既要解决如何在计算机网络环境下提供药物化学的方法问题，又要解决通过 Internet获取药物化学信息的方法问题，这两个方面都是人们正在努力探索的热点问题。目前Internet 药物化学类站点提供的药物化学信息数量巨大，因此，如何快速获得所需的应用信息就显得很重要。由于当前Internet上药物化学信息太分散，即使用合适的方法要得到有用的信息与资料还是要花费很多的人力和物力，如果能够建立一个公用的药物化学信息发布库，将有偿服务与免费资源分开，这将为广大药物化学工作者提供很大的方便。

5 结 语

综上所述，随着计算机科学与技术的迅速发展，计算机的功能越来越强大和完善，药物化学与它的关系也会越来越紧密，因此计算机技术已成为药物化学工作者必须掌握的一种工作手段。应用计算机技术，可以使药物化学工作者从许多繁杂的简单工作及大量的重复劳动中解放出来，进行更多的研究工作，还可以帮助药物化学工作者快速地获得所需的信息。由于多种原因，我国药物化学工作者在计算机技术应用上与国外还存在很大的差距，21世纪将是信息时代，所以加强计算机科学与技术在药物化学中的应用研究是非常重要的，这些要广大药物化学工作者与计算机工作者的共同努力。另外，由于药物化学及其交叉学科的研究领域很多，使得计算机与药物化学的结合点也很多。因此，在如此巨大的研究内容上，要想将当今计算机与药物化学方面的研究内容一一罗列是很困难的。鉴于目前国内外在计算机与药物化学方面的总结性文章很少，希望本文能够取到一个抛砖引玉的作用，使更多的专家学者能对自己研究领域内的计算机与药物化学的研究成果进行综述，以促使该研究领域的发展。

[1] 姚志峰, 周洁敏, 陶云刚 等. 基于Windows95的高速数据采集[J]. 测控技术, 1999, 18(4): 10～12.

[2] 赵宁, 孙小勇, 张保平. 化学水处理PLC监控系统的设计与实现[J]. 测控技术, 1999, 18(4): 25～26.

[3] 王兰省, 李振海. 虚拟仪器系统开发技术[J]. 测控技术, 1999, 18(4): 58～60.

[4] 张亮, 蓝要武, 韩英 等.人工神经网络用于中药材雷公藤和昆明山海棠的分类识别研究[J]. 中国药科大学学报, 1995(2): 127～132.

[5] Frank R. Burden, David A. Winkler , [J]. Chem. In f .Comput. Sci , 1999, 39( 2) : 236～242.

[6] 孙啸, 韦钰. 运用PROLOG语言表示和处理分子结构[J]. 计算机与应用化学, 1994(2).

[7] 罗时玮, 姚建华. 化学结构的计算机处理(V)几类重要歧义化学结构的解决方案[J]. 计算机与应用化学, 1999, 16(3): 81～345.

[8] 蒋灵, 何小荣. BP神经网络的置信度分析[J]. 计算机与应用化学, 1999(3):213～218.

[9] 严新建, 周家驹, 温浩 等.英国剑桥晶体结构数据系统及中国区中心[J]. 化学通报, 1998(7): 48～50.

[10] 衣晓青, 赵渝渝, 洪源渤.信息时代课堂教学改革不可或缺的手段[J]. 中国高教研究, 2004(5): 89.