量子藥理學(Quantum Pharmacology)是用分子量子力學方法研究藥理學問題的一門新興邊緣科學，以分子量作為基本功能單位，在分子量子水平上說明具有生物活性的化合物的藥理作用，進一步闡明並解釋化學結構與生物活性之間的關係。
基本介紹
- 中文名：量子藥理學
- 外文名：Quantum Pharmacology
- 方法：分子量子力學
- 問題：藥理學
- 學科：物理
一、簡介,二、發展史,三、理論基礎,四、計算方法,五、套用,
一、簡介
量子藥理學是用分子量子力學方法研究藥理學問題的一門新興邊緣科學。量子藥理學以分子量作為基本功能單位，在分子量子水平上說明具有生物活性的化合物的藥理作用，目的在於進一步闡明並解釋化學結構與生物活性之間的關係。
根據分析，作為藥物的化學物質與生物系統是由分子量子構成，分子量子系由原子構成，而原子量終由基本粒子構成。把量子力學套用到藥理學問題上似乎有許多優點。量子力學之所以特別合適，是因為它能從相當直接的方式告訴我們分子內的電子密度。當一個小分子接近一個受體分子的活性部位時，這兩個物種的電荷密度將發生變化而相互作用。藥理學家希望知道“一種活性分子在它起主要作用的一瞬間所呈現的精確的三維電子密度到底為何種形式”，分子量子力學可能是提供這一答案的最好手段。
二、發展史
量子藥理學的研究起始於60年代初,第一本量子藥理學專著於1977年問世[。我國起步較晚,始於70年代末,起初出現了一些綜述。多從藥物分子本身結構出發進行探討,缺少藥物與受體或酶等生物大分子相互作用的了解。近年來,則多從藥物與生物大分子兩方面進行研究及採用動態結構研究方法以確定優勢構象及其能量計算。
三、理論基礎
量子藥理學的理論基礎是從求解生物活性分子的定態薛丁格方程ΗΨ=EΨ開始的。式中H是哈密頓算符,Ψ是生物活性分子的波函式,它是在多維空間中的坐標和自旋變數的函式,包括該分子的所有穩定態信息。一旦求得波函式Ψ,原則上就可以求出各種可觀測量G的期望值:<Ψ│G│Ψ>。
為避免從頭計算法的複雜計算,常使用近似性更大的計算方法。主要是在求解分子軌道時省去某些積分或經驗參數代替一些積分。統稱為半經驗分子軌道法。計算量顯著減少,較為實用。半經驗分子軌道法可分為處理π價電子和處理全部價電子兩大類。每一類中又分為單電子法和雙電子法兩種。前者忽略了電子間的相互作用,後者則考察了電子間的排斥能。
四、計算方法
用量子藥理學方法研究藥物分子的電子結構或藥物作用體系的機制,就是要在非相對論近似、Born-Oppenheimer近似和單電子近似這三個基本假定下，求解特定體系電子運動的定態方程,ΗΨ=EΨ得到體系的波函式和量。由於具體的解法不同,出現了種類繁多的計算方案，根據所採用計算模型的不同,將這些方法分為以下三大類：
1.從頭算方法
直接求解分子軌道理論的HFR方程，除了幾個最基本物理量之外不再引入任何實驗數據，嚴格計算各種積分,不作任何近似，這種方法理論上嚴謹，但它計算量很大，加之對計算機條件要求較高,因而對於解決藥理學中的實際問題十分有限。
2.半從頭算方法
半從頭算方法也是一種非經驗的量子化學方法。它同樣不依賴於任何經驗參數,而是在理論模型中引入一些依賴於某個參量的數學近似。這些參數可以預先由其它的計算來確定,而不是用經驗參數確定。
3.半經驗計算
該方法最初是為克服從頭算方法計算量大的困難而引入的,這種途徑是對HFR方程引入進一步的近似,用一些經驗參數代替積分,並忽略另外的一些積分以簡化計算.由於所採用的近似程度不同,就產生了各種各樣的半經驗計算方法,如EHMO、CNDD、INDD、MINDO和AMI等等。
五、套用
量子藥理學從原子和分子的電子行為出發去探索藥理學的本質問題。通過量子化學計算所得分子結構信息,能夠在電子水平從多個方面研究藥物與受體相互作用的構效關係及其作用機制,為合理藥物設計開闢了新的寬闊領域。由於量子藥理學對藥效基團─藥物分子發揮特定生物活性所需要的結構特徵和官能團的排列方式的研究,結合對藥物靶分子(受體)的深入研究,使人工設計藥物的方法更趨合理,使計算機輔助藥物設計得以長足進步。
