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模拟和仿真软件在药学中的实用性

 论文栏目:药学理论学论文     更新时间:2013-8-23 9:35:56   

1Chembiooffiee软件在药物化学课程教学中的应用

药学院的教学体系中主要专业课分为药物化学,药理学,药物分析,药剂学和制药工艺学五大主干基础课程。首先来看一下在第一门课程药物化学教学中的应用,药物化学在本质上是一门以药物先导化合物合成为主要内容的课程,其教学中应用最多的就是化学结构式的书写和合成路线分析。因此Chembiooffiee中的。hemdraw模块的化学结构绘图功能就发挥了重要的作用,同时可以完成大量的结构图和合成路线示意图,完成基本元素化学键及其相关的教学视图,可以对合成路线进行合理的化学场能数据分析,验证合成路线的合理性。其次还可以完成新合成化学物的核磁光谱的分析预测,例如对改造基本药物结构的H一NMR和C一NMR的核磁数据进行仪器前分析,利于新合成先导化合物的结构确定,同时完成新合成先导化合物的三维空间构图的转换。模拟新合成化合物的3D立体分子模型,并进行优势构象的计算。最重要的是,通过该软件,能够搭建立体分子模型,并最终制作成动画展示在多媒体课件中,使药物化学教学中抽象的分子结构变得更加直观生动,易被本科学生理解和记忆,提高教学效果。

2Chembiooffiee软件在药物有机化学基础课程教学中的应用

有机化学基础课程是药学专业教学中最为重要的公共基础课程,在全国各医药类高校中普遍具有开课广泛,适用性强等特点,可以对药学专业后续的课程例如药学生物化学、生理学、药理学、病理学及药物毒理学等课程的学习具有非常重要的辅助作用。有机化学基础课程是药学相关专业同学进行高等化学教育的开始,一般学生刚从高中填鸭式化学教学接触大学高等化学会有很多不适应。因其具有内容晦涩、符号较多、课堂内容量较大、逻辑思考快速等特点,使药学相关本科学生普遍感到该门课程是学习难度系数较大的基础课程之一。Chemhiooffice软件的各种强大功能恰好帮助了有机化学基础课程的学习。首先,我们在课堂教学中可以引人Chem3D一级模块功能,通过其三维转换功能展示各种有机化学基本化合物的三维立体结构,使习惯于使用现代电脑的90后学生从立体图形空间上理解复杂的有机分子结构。例如:药学院有机化学基础的教学中,多酚类物质的结构是较为复杂的,特别是多酚类结构大分子量物质,通常会结合葡萄糖醋、没食子酸和黄烷醇,如何结合才会属于多酚类化合物单从二维的平面结构来观察构象,学生理解相当困难。这时Chembiooffice软件来通过三维立体结构来展示空间构象就完全可以帮助学生理解多酚类物质的命名及其衍生物的空间构象结构及其意义;其次,有机化学基础课程中,学生们感觉最难掌握的知识点就是计算分子的电荷分布。Chemhiooffice软件可以帮助学生们计算分子的电荷分布,进而理解课堂上比较晦涩难懂的理论观点。例如:在学习苯环上取代基的定位效应时,当取代基为卤素时,为邻、对位定位效应,但又是钝化基团,教材上的一些理论解释不太清晰明确,这时就可以使Chembiooffice软件软件计算分子的电荷分布来说明[2];此外,Chemhiooffice软件还可以完成教学中的判断烯烃加成反应的取向,从而优于马氏规则的经验理论。对过渡态能量进行优化也是这款Chembiooffice软件可以做到的,进而帮助学生加深对有机化学反应机理的解释I3]。因此,chembiooffice软件对药学专业的有机化学基础课程教学具有多方位的辅助作用,并且在很多高校的化学公共教研室中被广泛在教学中开展和使用。

3Chembiooffiee软件在药物设计课程教学中的应用

药物设计课程是全国各大药学院最为重要的专业课程,特别是在医科大学的药学院及其相关专业。药物设计教学通常与科研实验紧密相连,并且通常在药学专业科学研究的前沿。药物设计课程是药学专业最为前沿和融合计算机课程,药物化学课程,生化药理课程及数学计算课程的综合性应用课程。说其前沿,主要是药物设计课程颠覆了传统药理学活性实验筛选先导化合物的传统药物研发模式,而是开创了新的获得先导化合物方法,在科研角度等于新建了一个学科方向。药物设计课程在本科教学中主要是完成药物的从头设计和合理的药物设计两个主要重点教学内容,其中合理的药物设计是药物设计课程教学的重点和难点。合理的药物设计主要是根据与药物作用的靶点例如比较常用的靶点如酶,受体,离子通道,膜,抗原,病毒,核酸,多糖等,进而寻找和设计合理的药物分子结构。设计的主要目的是通过对药物和受体的结构在分子水平及电子水平上全面准确地了解,进行基于结构的药物设计和通过对靶点的结构,功能,与药物作用方式及产生生理活性的机理的认识进行基于机理的药物设计。而在这些药物设计中,Chembiooffioe软件可以完成众多的教学任务,非常适合本科教学使用。首先,Chembiooffice软件可以参与完成抑制剂类药物设计实验教学。例如在肿瘤坏死因子抑制剂的药物设计教学中,可以采用Chembiooffiee软件中的ehemDraw模块绘制分子化学结构,即通过数据查找,从文献资料中找到多个存在于不同种类样品中的活性化合物,利用ChemDraw绘制这些化合物的二维结构,同时记录下其属名、来源、参考文献等相关数据。ChemFinder模块构建配体数据库,寻找肿瘤坏死因子的受体的三维结构活性部位,对配体小分子进行3D衍生,然后对接打分,筛选最理想的药物新分子[’]。其次,新版本的Chembiooffiee软件Chem3n模块还可以完成药物设计中的量化学计算,对化合物进行能量计算、结构优化、电荷布局分析、振动频率分析等,Chem3D还可以通过接口调用其他量子化学计算软件对分子的属性进行更为精确的计算[5l。具体还包括MMZ计算(主要进行分子动力学计算)、GAMESS计算、MMZ计算、Gaussian计算、J卿ar计算、MMFF94计算(最小能和势能计算)和MOPAC计算。通过计算辅助完成药物设计的基本运算。例如:苯环己胺类药物设计的QSAR研究中,可以利用Chembiooffice软件计算的基于距离的拓扑参数,用逐步多元线性回归法建立了其结构参数与药物活性之间的定量结构活性关系,为快速地筛选高效的药物分子以及为将来设计、合成新的更有效的药物分子提供了的参考依据16一71。此外,药物设计中很多时候药物的受体或靶点为DNARNA结构时,chembiooffice软件还可以模拟完成药受体DNA和RNA的绘制及结构计算,为药物分子药理学机制研究打下基础。

4Chembi。。ffice软件在药物波谱分析课程教学中的应用

药物波谱分析是药学教学中需要学生进行逻辑思维最多的一门课程,是一门理论性与实用性兼备的课程,大多数本课程教师都在不断探索和调整课程教学形式和内容,因为许多同学对该门课程学习的成绩普遍不高,不易理解,特别是对核磁氢谱和碳谱的波谱数据不熟悉,再有就是对化学结构和核磁谱图的影响因素不清楚等原因造成。Chembiooffice软件可以在教学中,通过它的核磁图谱模拟功能,给学生演示大量图谱,以直观的方式增强学生的理解能力,即使对于结构更加复杂的结构,Chembiooffice软件也能给出与实测值近似的图谱[8]。因此,在药物波谱分析教学课堂中引人Chembiooffice软件,通过其对有机化合物核磁共振谱图的模拟,可提供模拟仿真信息,同时将模拟数据与实验值相比较,判断出Chembiooffice软件模拟谱图的准确度,利用Chemhiooffice软件辅助解析图谱,能够开阔学生的视野,激发学生的学习热情,使学生更容易掌握波谱解析的技术和要领[9一10]。此外,红外光谱的波谱分析也可以通过chemhiooffice软件的gamess来预测傅立叶红外光谱分析和拉曼光谱分析,经过软件对红外光谱的预测分析可以帮助学生进行相关红外光谱的解谱分析。这些使用有利于学生进行天然产物药物研发的波谱解析能力的快速提升,克服在教学中老师经验谱图数据教学的缺点,更加具有准确快速,容易记忆,便于课后练习等诸多优点。如下:(l)可以制作新颖、个性化立体三维的电子教案和课堂视频图像。(2)通过软件教学可以提高学生对药学专业结构绘图,分子模拟和数据整合的理解。(3)培养学生对药学相关互联网数据资源的检索和筛选比对能力。(4)可以不断更新、优化药学教学老式的思维模式,促进信息和计算科学和药学教学的融合。可以预测,随着我国经济和技术的不断发展,全国普通高校引人专业软件创新式的教学模式改进,将日益广泛应用于各学科的专业教学,并出现更加先进的形式,在教学中发挥更重要的作用。总之,药学院教师可利用先进的信息和计算技术和丰富的网络数据库资源,使用Chembi。office软件的Chem3D、ChemDraw和ChemFinde得模块,利用它们的分子模拟和计算仿真、建模等实用功能,进而增强药学专业教学的质量,改善教学环境和提高教学模式的更新。

作者:王宝庆 曲中原 金哲雄 阎力君 张德连 单位:哈尔滨商业大学药学院


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