[科普中国]-量子药理学

量子药理学(Quantum Pharmacology)是用分子量子力学方法研究药理学问题的一门新兴边缘科学，以分子量作为基本功能单位，在分子量子水平上说明具有生物活性的化合物的药理作用，进一步阐明并解释化学结构与生物活性之间的关系。

一、简介量子药理学是用分子量子力学方法研究药理学问题的一门新兴边缘科学。量子药理学以分子量作为基本功能单位，在分子量子水平上说明具有生物活性的化合物的药理作用，目的在于进一步阐明并解释化学结构与生物活性之间的关系。

根据分析，作为药物的化学物质与生物系统是由分子量子构成，分子量子系由原子构成，而原子量终由基本粒子构成。把量子力学应用到药理学问题上似乎有许多优点。量子力学之所以特别合适，是因为它能从相当直接的方式告诉我们分子内的电子密度。当一个小分子接近一个受体分子的活性部位时，这两个物种的电荷密度将发生变化而相互作用。药理学家希望知道“一种活性分子在它起主要作用的一瞬间所呈现的精确的三维电子密度到底为何种形式”，分子量子力学可能是提供这一答案的最好手段1。

二、发展史量子药理学的研究起始于60年代初,第一本量子药理学专著于1977年问世[。我国起步较晚,始于70年代末,起初出现了一些综述。多从药物分子本身结构出发进行探讨,缺少药物与受体或酶等生物大分子相互作用的了解。近年来,则多从药物与生物大分子两方面进行研究及采用动态结构研究方法以确定优势构象及其能量计算2。

三、理论基础量子药理学的理论基础是从求解生物活性分子的定态薛定谔方程ΗΨ=EΨ开始的。式中H是哈密顿算符,Ψ是生物活性分子的波函数,它是在多维空间中的坐标和自旋变量的函数,包括该分子的所有稳定态信息。一旦求得波函数Ψ,原则上就可以求出各种可观测量G的期望值:。

为避免从头计算法的复杂计算,常使用近似性更大的计算方法。主要是在求解分子轨道时省去某些积分或经验参数代替一些积分。统称为半经验分子轨道法。计算量显著减少,较为实用。半经验分子轨道法可分为处理π价电子和处理全部价电子两大类。每一类中又分为单电子法和双电子法两种。前者忽略了电子间的相互作用,后者则考察了电子间的排斥能3。

四、计算方法用量子药理学方法研究药物分子的电子结构或药物作用体系的机制,就是要在非相对论近似、Born-Oppenheimer近似和单电子近似这三个基本假定下，求解特定体系电子运动的定态方程,ΗΨ=EΨ得到体系的波函数和量。由于具体的解法不同,出现了种类繁多的计算方案，根据所采用计算模型的不同,将这些方法分为以下三大类：

**1.**从头算方法

直接求解分子轨道理论的HFR方程，除了几个最基本物理量之外不再引入任何实验数据，严格计算各种积分,不作任何近似，这种方法理论上严谨，但它计算量很大，加之对计算机条件要求较高,因而对于解决药理学中的实际问题十分有限。

**2.**半从头算方法

半从头算方法也是一种非经验的量子化学方法。它同样不依赖于任何经验参数,而是在理论模型中引入一些依赖于某个参量的数学近似。这些参数可以预先由其它的计算来确定,而不是用经验参数确定。

**3.**半经验计算

该方法最初是为克服从头算方法计算量大的困难而引入的,这种途径是对HFR方程引入进一步的近似,用一些经验参数代替积分,并忽略另外的一些积分以简化计算.由于所采用的近似程度不同,就产生了各种各样的半经验计算方法,如EHMO、CNDD、INDD、MINDO和AMI等等。

五、应用量子药理学从原子和分子的电子行为出发去探索药理学的本质问题。通过量子化学计算所得分子结构信息,能够在电子水平从多个方面研究药物与受体相互作用的构效关系及其作用机制,为合理药物设计开辟了新的宽阔领域。由于量子药理学对药效基团─药物分子发挥特定生物活性所需要的结构特征和官能团的排列方式的研究,结合对药物靶分子(受体)的深入研究,使人工设计药物的方法更趋合理,使计算机辅助药物设计得以长足进步2。