ChemOffice在药理学教学中的应用实践*

段长飞，吴伟林，张素霞，王少林，吴聪明，沈建忠，王战辉

(中国农业大学动物医学院，北京 100193)

药理学是医学重要的专业基础课程，是研究药物与机体之间相互作用规律的学科，是一门为临床合理用药防治疾病提供基本理论的基础学科。在药理学教学中，让学生更好的理解和掌握药物分子结构、理化性质及药理作用是非常重要的。传统的教学方法是在课堂上进行板书设计，通过PPT展示药物分子结构帮助学生学习和理解。但是对于结构复杂的药物分子，在课堂时间有限的情况下难以保障学生快速理解，并且由于板书色彩单调，只能粗略展示药物分子的二维结构，学生很难正确理解药效基团的结构和空间构象，从而影响学习效果[1]。

随着计算机技术的快速发展，各种绘制药物分子结构的软件也相继产生。ChemOffice是应用最广泛的专业化学结构及分子图形绘制软件，将其与PowerPoint联合应用于药理学理论课程教学中，不仅可以绘制分子的二维和三维结构图，得到药物的各项理化参数，而且还可以预测紫外、红外图谱等，一系列强大的功能方便了教师教学，也让学生能够更加直观地掌握药理学相关的课程内容[2]。更为重要的是熟练绘制出药物分子的结构对于药学、医学、化学和生物学等专业的学生是一项必备技能，ChemOffice已经是国外大学相关专业的学生熟知并熟练掌握的应用软件。相比之下，在国内各版本科药理学教材及教学工作中并未注意到ChemOffice的应用价值，也并未将其列入重点教学内容，所以导致大部分学生几乎不具备利用ChemOffice辅助学习药理学的能力，从而极大地影响了对药物结构的认知和理解[3]。因此将ChemOffice软件引入到药理学课程教学中进行实践和应用，让学生熟悉ChemOffice的功能并熟练掌握作图技巧，将其运用到药物分子结构和性质的理解上，对于提高课程教学质量和提高学生的专业水平具有重要意义。下面结合实例就ChemOffice在药理学理论教学中的应用实践加以简单介绍。

1 ChemOffice简介

ChemOffice是由Cambridge Soft研发的一款综合性应用软件包，目前已被PerkinElmer收购，是世界上公认的最优秀的化学结构绘图软件。ChemOffice主要由三部分组成：ChemDraw(基本化学结构绘图)、Chem3D(分子模拟及仿真)和ChemFinder(化学信息搜索与整合)[4]。ChemDraw是一款可以绘制、编辑高质量化合物二维结构图的绘图软件，制作的图像文件能方便地插入Word、PPT等常用文档中。Chem3D则是一个用于设计化学模型的应用软件，它可以将二维的分子结构图形快速地转化成三维的空间结构，在分子和原子水平上模拟分子的立体构象。此外，Chem3D还提供了一些辅助的计算工具，如计算分子的最低能量构象、各种理化参数、静电势能面等。

2 ChemOffice在药理学教学中的应用实践

2.1 ChemDraw的应用

2.1.1 ChemDraw页面简介

ChemDraw目前是化学界出版物领域绘制结构图的标准软件。ChemDraw绘制页面共分为6部分，即：菜单栏、工具栏、主工具图标板、滚动栏、状态/信息栏和编辑区(图1)。所有绘制的结果均显示在编辑区中，绘图工具以图表的形式显示在主工具图标板左侧，分别是：选择工具、各种化学键绘制工具以及各种分子结构模板，绘制化学结构时直接鼠标单击调取即可。

图1 ChemDraw组件主窗口简介

2.1.2 ChemDraw绘制药物分子二维结构式

药物化学结构是药理学课程的重点讲授内容，辅助学生熟悉其结构对于理解药物性质具有很大帮助。下面以抗生素类药物青霉素G为例，简要介绍用ChemDraw绘制其二维结构式，引导学生参与绘制过程，帮助其加深印象。由于ChemDraw有大量内置分子结构图形，因此部分化合物直接输入名称即可获得对应的结构，步骤如下：选择Structure菜单下的Convert name to structure，在弹出窗口中输入青霉素G的英文名Benzylpenicillin，单击OK即可在绘图区域出现青霉素G的结构(图2)。然而，有些化合物在软件的化合物库中并没有收录，对于这样的化合物，可利用主工具图标板中的苯环、单键、双键等逐步绘制其相应的结构。

图2 ChemDraw绘制青霉素G二维结构式

药物分子完成绘制后，可以通过ChemDraw软件得到分子的各项理化参数。首先选中分子，点击鼠标右键，选择Analysis选项，展开后可以选择是否显示分子名称、化学式、分子质量、元素分析等信息。另外，选中分子后，点击菜单栏的View选项，下滑选中“Show Chemical Properties Window”，可以得到反应药物分子化学特性的各项参数，包括沸点(Boiling Point)、熔点(Melting Point)、临界温度(Critical Temp)、吉布斯能量(Gibbs Energy)、疏水常数(Log P)、平衡常数(pKa)等(图3)。这些分子参数能够帮助学生更全面地理解药物分子的各项性质。

图3 ChemDraw软件获得青霉素G分子的各项化学参数

2.1.3 推测药物分子1H NMR和13C NMR谱图

如果要充分了解药物性质，只认识药物分子的结构是远远不够的。核磁共振谱图最能反映药物的基团信息，在科学研究中发挥极大的作用。目前可以借助软件来预测化合物结构的碳氢谱数据，有研究对比了ChemDraw预测的NMR结果与文献报道NMR实测值之间的吻合度，发现利用软件来预测碳、氢谱数据主要受取代基的诱导叠加效应影响，而实际测试时核磁共振结果还受屏蔽效应和空间构型等因素影响，所以软件预测结果与实际测定值之间存在一定差异，但依然能够依据取代基的位移规律大致判定各信号所在的区域，为核磁共振谱图的解析提供相应的思路[5]。以青霉素G为模式分子，利用ChemDraw组件解析其结构操作步骤如下：选中已绘制的青霉素G分子，单击Structure下拉菜单中的Predict1H-NMR-shifts，在编辑区中即显示该分子的氢谱谱图，同样单击Predict13C-NMR-shifts即出现碳谱谱图，图4中分别给出了青霉素G的1H NMR和13C NMR数据，依据此数据可对该药物的特征基团进行进一步的分析，从而能够帮助学生更深入地理解药物分子的结构特性。

图4 ChemDraw预测青霉素G 1H NMR(a)和13C NMR(b)

2.2 Chem3D组件的应用

2.2.1 Chem3D页面简介

Chem3D组件是ChemOffice的另一个主要模块。3D可视化技术除能显示药物的空间结构外，还能计算药物分子最低能量构象，有助于加深学生对该药物空间构象的理解。Chem3D组件主要包括菜单栏、工具栏、模型窗、隐藏窗口、信息窗、状态栏等6部分(图5)，所有绘制结果均显示在模型窗中。

图5 Chem3D组件主窗口简介

2.2.2 Chem3D创建药物分子的三维立体模型

药物分子中各基团的三维空间排布和分子的立体结构对其物理、化学性质有极大影响。传统教学中只展示分子的二维结构，学生很难理解分子中各基团在空间的排布情况。因此，在教学中引入Chem3D，可方便、直观地创建药物分子的三维模型并能以不同的展示方式显示。绘制方法主要介绍两种：(1)直接绘制3D立体模型：如果对化合物结构比较熟悉，可直接绘制3D模型；该方法适合绘制简单的分子，对于大型、复杂分子的绘制往往并不推荐。(2)ChemDraw面板绘制：选中Chem3D窗口调取ChemDraw窗口，在ChemDraw中逐步绘制二维结构，三维模型将同步显示在Chem3D模型窗中。此法绘制过程比较清晰并且绘制者可以同时观察平面和立体构型。以下采取选第二种方法绘制青霉素G分子三维模型，其操作如下：Chem3D窗口中view下拉菜单选中ChemDraw Panel，调出ChemDraw窗口，在窗口中单击鼠标，即可出现ChemDraw工具条，然后依次选中苯环、单键、双键等来绘制，主体框架绘制完毕后最后添加O、N、和S原子。青霉素G三维构象以棍棒模型和球棍模型分别显示(图6)，Chem3D具有空间旋转功能，通过旋转药物分子，能够使学生对其结构有更清晰全面的认识。

图6 青霉素G分子的棍棒模型(a)和球棍模型(b)

2.2.3 Chem3D进行药物最低能量构象计算

化合物分子有多种空间构象，但一般处在最低能量状态下的结构最稳定。在教学过程中，要想让学生充分理解药物的最低能量构象，仅仅依靠学生的空间想象力是完全难以实现的，而Chem3D软件可以帮助实现这一目标。目前主要利用分子力学方法计算分子的构象和能量，Chem3D组件中的MM2是分子力学计算的一种常用计算程序。以青霉素G为模型分子，用Chem3D的MM2模块对其进行能量最小化计算。操作如下：单击Calculations菜单下的MM2，选中Minimize Energy，下拉菜单中参数均用默认值，单击Run，运算结束后即得到青霉素G分子的最低能量构象(图7)，在进行科学研究时该构象可应用于分子对接模型中。

图7 Chem3D能量最小化后的青霉素G分子构象

2.3 ChemFinder组件简介

ChemFinder数据管理系统是一个智能化的化合物快速搜索引擎，能够全面系统检索现存化学数据库的化合物结构、立体化学特征、物理性质等特征文本，具有非常强的模糊识别及纠错能力，学生可以组建自己的药物成分数据库，便于以后进行快速查询并获取感兴趣的药物分子。

2.4 将绘图结果导入文档的方法

在进行数据汇报或者撰写毕业论文过程中，通常需要将绘图结果导入各种文档中。导入方法主要有两种：(1)保存为图片：单击File下的Save as，在保存类型中选择jpg格式，系统会根据所画分子的大小截取合适的画面，使用时直接插入图片即可。但用此方法保存图片后，后期不可对分子结构进行修改。(2)直接复制粘贴：选中整个分子，单击鼠标右键选择Copy，打开文档直接粘贴。推荐使用此种可编辑导出方式，后期需要对分子结构进行调整时可直接双击药物分子，系统会自动链接到ChemDraw或Chem3D界面，不需要再重新绘制分子，节省时间、提高效率。

3 结 语

ChemOffice是一款功能非常强大的化学分子结构绘制软件，在药理学教学中引入ChemOffice软件，打破了传统灌输式教学方式，通过引导学生亲自绘制药物结构式，帮助学生对结构认识更加深刻，也为以后撰写毕业论文等绘制出清晰、完整、规范的化学结构式奠定坚实基础。教师利用ChemOffice可丰富多媒体教学课件，通过详细讲解药物结构绘制和构象转变过程，使课本上抽象的结构变得具体、形象、容易理解；同时，能够充分调动学生的好奇心，启发学生的创造性思维，提高学生的空间想象能力和研究性学习能力，极大提高药理学的教学质量。利用软件预测药物分子的碳氢谱图，使学生了解更深层次的药物信息，为今后药物分析、药物化学等相关学科的继续深造开辟道路。此外，引导学生较早的接触专业科研工具，可以培养其对科学研究的热情与自信，为培养医学领域的高素质人才奠定良好基础。