热力学在生命科学中的应用

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热力学在生命科学中的应用范文第1篇

关键词:配位化学;无机化学;配位化合物;研究方向

一、配位化学的起源与研究范围

配位化学是在无机化学基础上发展起来的一门边沿学科。它所研究的主要对象为配位化合物(CoordinationCompounds,简称配合物)。早期的配位化学集中在研究以金属阳离子受体为中心(作为酸)和以含N、O、S、P等给体原子的配体(作为碱)而形成的所谓“Werner配合物”。第二次世界大战期间,无机化学家在围绕耕耘周期表中某些元素化合物的合成中得到发展,在工业上,美国实行原子核裂变曼哈顿(Manhattan)工程基础上所发展的铀和超铀元素溶液配合物的研究。以及在学科上,195l年Panson和Miler对二茂铁的合成打破了传统无机和有机化合物的界限。从而开始了无机化学的复兴。

当代的配位化学沿着广度、深度和应用三个方向发展。在深度上表现在有众多与配位化学有关的学者获得了诺贝尔奖,如Werner创建了配位化学,Ziegler和Natta的金属烯烃催化剂,Eigen的快速反应。Lipscomb的硼烷理论,Wnkinson和Fischer发展的有机金属化学,Hoffmann的等瓣理论Taube研究配合物和固氮反应机理,Cram,Lehn和Pedersen在超分子化学方面的贡献,Marcus的电子传递过程。在以他们为代表的开创性成就的基础上,配位化学在其合成、结构、性质和理论的研究方面取得了一系列进展。在广度上表现在自Werner创立配位化学以来,配位化学处于无机化学趼究的主流,配位化合物还以其花样繁多的价键形式和空间结构在化学理论发展中。及其与其它学科的相互渗透中。而成为众多学科的交叉点。在应用方面,结合生产实践。配合物的传统应用继续得到发展。例如金属簇合物作为均相催化剂,在能源开发中C1化学和烯烃等小分子的活化,螯合物稳定性差异在湿法冶金和元素分析、分离中的应用等。随着高新技术的日益发展。具有特殊物理、化学和生物化学功能的所谓功能配合物在国际上得到蓬勃的发展。

自从Werner创建配位化学至今100年以来,以Lehn为代表的学者所倡导的超分子化学将成为今后配位化学发展的另一个主要领域。人们熟知的化学主要是研究以共价键相结合的分子的合成、结构、性质和变换规律。超分于化学可定义为分子间弱相互作用和分子组装的化学。分子间的相互作用形成各种化学、物理和生物中高选怿性的识别、反应、传递和调制过程。而这些过程就导致超分子的光电功能和分子器件的发展。

二、我国配位化学的研究现状

我国配位化学的研究在前几乎属于空白。1949年后随着国家经济建设的发展,仅在个别重点高等院校及科研单位开展了这方面的教学和科研工作,60年代中期以前。主要工作集中在简单配合物的合成、性质、结构及其应用方面的研究。特别是在溶液配合物的平衡理论、混合和多核配合物的稳定性、取代动力学、过渡金属配位催化以及稀土和W、Mo等我国丰产元素的分离提纯以及配位场理论的研究。除了个别方面的研究外,总体来说与国际水平差距还较大。

80年代后。在改革开放政策指引下,我国的配位化学取得了突飞猛进的发展。我国配位化学研究已步入国际先进行列,研究水平大为提高。特别在下列几个方面取得了重要进展:

(1)新型配合物、簇合物、有机金属化合物和生物无机配合物,特别是配位超分子化合物的基础无机合成及其结构研究取得丰硕成果,丰富了配合物的内涵。

(2)开展了热力学、动力学和反应机理方面的研究,特别在溶液中离子萃取分离和均向催化等应用方面取得了成果。

(3)现代溶液结构的谱学研究及其分析方法以及配合物的结构和性质的基础研究水平大为提高。

(4)随着高新技术的发展,具有光、电、热、磁特性和生物功能配合物的研究正在取得进展。它的很多成果还包含在其他不同学科的研究和化学教学中。

我国配位化学的进展具有一系列特点。作为化学的重要分支领域之一的配位化学。在其学科本身发展的同时创造出更为奇妙的新材料,揭示出更多生命科学的奥妙。在研究对象上日益重视与材 料科学和生命科学相结合。在从分子进到材料合成的研究中更加重视功能体系的分子设计。金属离子在生物体系中的成键。除维生素B12中的Co-C键以外,几乎都是以配位键形式结合。其功能体系组装是一个更为复杂的问题。这时要求将正确的物种放在正确的位置(在与动力学有关的问题中,还要按着正确的时间)才能发挥应有的功能。高效、经济和微量的组合化学的应用,将有助于分子合成和设计的实践。

从超分子之类的新观点研究分子的合成和组装,在我国日益受到重视。化学模板有助于提供组装的物种和创造有序的组装,但是其最大的困难在于克服热力学第二定律所要求的无序。这时配位化学家的任务之一就是和热力学进行妥协。尽管目前我们了解一些局部的组装规律和方法。但比起自然界长期进化而得到的完满而言。还有很大差距。正如有了一群能分别演奏各种乐器的音乐家。若没有很好的指挥。还不能演奏出一场满意的交响乐。其原因就是缺乏有意识地进行组装。对于组装的本质和规律。有很多基础性研究有待深入进行。

三、配位化学的研究方向

作为边沿学科的配位化学日益和其他相关学科相互渗透和交叉。正如Lehn所指出。超分子化学可以看作是广义的配位化学。另一方面,配位化学又是包含在超分子化学概念之中。配位化学的原理和规律,无疑将在分子水平上对未来复杂的分子层次以上聚集态体系的研究起着重要作用。其概念及方法也将超越传统学科的界限。我国配位化学家在进一步促进它和化学内有杌化学、物理化学、分析化学、高分子化学、环境化学、材料化学、生物化学、以及凝聚态物理、分子电子学等学科的结合方面有了很好的开端。进一步的发展必将给配位化学带来新的发展前景。

中医是我国传统、独创的治疗方式,但是,中药制药的制药手段和方式正在突破传统工艺,如中药配位化学研究就是一个极有发展前途的新的研究方向。

我国幅员辽阔,资源丰富。经济建设中有备方面的要求。还存在一些无人问津的薄弱领域,例如配位光化学、界面配位化学、纳米配位化学、新型和功能配合物以及配位超分子化合物的研究。金属配合物的研究有明显的应用背景,具有开发成重大经济效益的潜力。它的基础和理论性研究也处在现代化学发展的前沿领域。对下一世纪我国化学学科的发展。必将产生深远影响。

【参考文献】

[1]翟慕衡.配位化学[M].北京:安徽人民出版社,2007-09

[2]李英华,吕秀阳,刘霄,柳叶.中药配位化学研究进展[J].中国中药杂志,2006年8月 31卷第16期

热力学在生命科学中的应用范文第2篇

【关键词】：渗透 物理 化学 同位素示踪法 光学知识

自然界是一个相互联系的、统一的有机整体，生物学与物理、化学、数学等各门学科之间也是相互联系、纵横贯通的。因此必须加强学科间的横向联系，这样有利于打破因单学科教学而造成的知识、思想的禁锢，解决多学科之间交叉渗透的一些问题.现代生物学研究需要大量运用物理、化学等学科的知识和方法。因此，教师在生物教学中，要加强学生生物学科与其他学科，特别是理化学科之间的联系。培养学生的综合能力，有利于高素质人才的培养。

一、生物与化学的渗透

高中生物内容与化学有着高度的双向渗透性（在大学中甚至就有一门生化学科）。在教材中，几乎每一章都渗透着化学知识，一些生物学的实验现象、实验原理都是建立在一定的化学知识上。这些知识是理解生命现象的基础。但是由于高中生物教材与化学教材知识点存在脱节。对于高一学生而言，高中生物最初一段时间所学的知识如：蛋白质、多肽、氨基酸及肽键的分子结构等知识都难以理解及记忆。因此我上高一课的时候，对一些化学知识进行适当的解释、补充。并且安慰学生生物学在开始时较难理解与记忆，万事开头难吧。以后的知识点好学多了，以防止学生一开始就失去学生物的信心和兴趣。与化学知识的联系渗透的例子主要有：

1.生物组织中的还原糖、蛋白质和脂肪的鉴定原理与化学知识。

在化学学科中学过、做过许多物质的鉴定实验，其原理大多是利用被鉴定的物质与所用的化学试剂发生颜色反应，或者产生沉淀。我们生物学上物质鉴定也利用此原理：如某些化学试剂能够使生物组织（如花生的子叶）的某些有机化合物产生特定的颜色反应。

例如：①可溶性还原糖+ 斐林试剂（水浴加热）砖红色沉淀。

②脂肪 + 苏丹Ⅲ染液（显微镜观察）橘黄色。

③蛋白质 + 双缩脲试剂（要先加NaOH 溶液创造碱性环境再加CuSO4 溶液）紫色反应。

高一学生对什么是还原糖、蛋白质和脂肪还不是很了解，因此先通过直观的实验培养他们学习生物的兴趣。了解生物学是一门实验的科学。

2.蛋白质、核酸、糖类和脂质的结构、性质与化学知识。

还是由于高中生物教材与化学教材知识存在脱节，高一学生有机化学还没有学习。因此许多学生对氨基酸、核苷酸和多肽等结构难以理解。教师除要把有关知识讲透，还是要让学生了解教材知识的脱节问题，以提振学生的信心。

3.同位素示踪法在生物科学中的应用与渗透。

高一学生对放射性同位素的概念还不了解，应适当加以介绍：同位素示踪剂对研究对象进行标记， 可以利用放射性探测技术来跟踪，判断放射性原子通过什么路径，运动到哪里去，以及分布情况等。用于示踪技术的同位素一般是构成细胞化合物的重要元素。例如3H、15N、18O、32P和35S等。在生物科学的许多实验中广泛使用。如：

①分泌蛋白在细胞中合成部位及运输方向。科学家用3H标记的亮氨酸注射豚鼠的胰脏腺泡细胞中，观察放射性同位素的转移情况。从而得到是按照：内质网高尔基体细胞膜的方向运输的。

②光合作用中氧气的来源。1939年，鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。他们用氧的同位素18O标记H218O和C18O2，做两组光合作用的实验，最终证明了光合作用中释放的氧全部来自水。

③ 噬菌体侵染细菌的实验。1952年赫尔希和蔡斯用被35S（只标记蛋白质）和32P（只标记DNA）标记的噬菌体分别去侵染未标记的细菌，然后测定子代噬菌体中含放射性同位素的情况，而得到DNA是遗传物质。

此外，在研究光合作用的暗反应（卡尔文循环）、DNA分子半保留复制的确认及胚胎发育的过程等方面也运用到此化学知识。

二、与物理学的渗透

高中生物内容与物理也有着高度的双向渗透性，在《普通高中生物课程标准》所列的具体内容标准中，许多都涉及物理学知识。例如，“使用显微镜观察有丝分裂的细胞”应用了光学知识；在 “叶绿体色素的提取和分离”实验中也涉及光谱的知识；而“神经冲动的产生和传导”则要物理学上的关于电势差的内容。当然，在各个版本教材中，还可能涉及其他的物理学知识。这些物理学的知识对于学生学习生物有着重要的促进作用。下面对涉及到的主要物理学知识做一简介。

1.与光学的联系：

①光学知识和显微镜

显微镜是生物实验常用的仪器之一。在初中阶段，学生已经使用过显微镜，并在生物和物理教材中，对显微镜的结构和原理做了简单的描述。在高中阶段，进一步要求学生使用高倍显微镜来观察各种细胞及结构。（如：花生子叶中脂肪的检测和观察、观察有丝分裂的细胞等实验）。 而显微镜的工作原理就涉及到物理学知识。可以给有兴趣的同学提供有关材料或进行讲座。

②光学知识和色素

必修第一册课本P100的例题：海洋中的藻类植物习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻（如：海带）和红藻（如：紫菜），它们在海水中的垂直分布依次是浅、中、深，这与光能的捕获有什么关系？要解释好本题就得让学生先了解有关光学的知识。

在光合作用“叶绿体色素的提取和分离”中也涉及到光谱的知识；在光合作用的研究史上，美国科学家恩吉尔曼的实验就是利用光通过棱镜时的色散，得到叶绿素主要吸收红光和蓝紫光。

③ X射线衍射图和DNA双螺旋结构的提出

必修二在介绍DNA双螺旋结构模型的提出时，出示一张富兰克林使用X射线拍的DNA分子的衍射图，但对这张照片是如何获得、什么意思则没有做说明。如果要了解这张图，就需要物理学上，关于光的衍射的知识。其实从1951年开始，富兰克林、威尔金斯就研究DNA对X射线的衍射，获得了一系列DNA的X射线衍射图谱，沃森和克里克则是根据这些图谱、数据提出了DNA的双螺旋结构模型。从而奠定了现代分子生物学发展的基础，开辟了生命科学的新纪元。

当然在生物教材中还有许多与物理学的渗透点。利用物理因素（X射线、紫外线）提高了基因的突变率；有氧呼吸、无氧呼吸的能量转换效率要联系的热力学第二定律等等。

正因为生物科学与物理、化学等多学科知识的高度双向渗透，高中生物教材中，几乎每一章都渗透着物理、化学的知识，这些知识又是理解生命现象的基础。因此要让学生形成各学科间融会贯通的知识体系；培养和提高学生综合运用知识的能力和创造力，从而造就高素质的人才。

参考文献

热力学在生命科学中的应用范文第3篇

[关键词] 中医药基础理论；经络脏腑；脏象；中药药性；超分子；化学；物质基础；方证关联；中药；中药复方；气析；中医药现代化

[收稿日期] 2013-06-09

[基金项目] 国家自然科学基金项目（81073142，81173558，81270055）；国家博士点基金项目（20124323110002）；湖南省自然基金重点项目（11JJ2055）；湖南省教育厅十二五药学重点学科项目

[通信作者] 贺福元，教授，博士生导师，主要从事中药药理学、中药药剂学、中医药超分子机制及数理特征化研究工作，Tel：（0731）5381372，E-mail：

超分子化学（supramolecular chemistry）根源于配位化学，有人称之为广义配位化学（generalized coordination chemistry），是30多年来迅猛发展起来的一门交叉学科，它与材料科学、信息科学、生命科学等学科紧密相关，是当代最前沿的化学研究领域之一。这个领域起源于碱金属阳离子被天然和人工合成的大环和多环配体，即冠醚和穴醚的选择性结合。1967年C J Pederson报道了冠醚配位性能的发现，揭开了超分子化学发展的序幕。1973年，D J Cram基于在大环配体与金属或有机分子络合化学方面的研究，提出了以配体（受体）为主体，以络合物（底物）为客体的主客体化学。超分子化学概念和术语是1978年J M lehn模拟蛋白质螺旋结构自组装体的研究内容而引进的，在一定程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子工程”领域，即在分子水平上制造有一定结构的分子聚集体而起到一定的特殊性质的工程，并进一步提出了超分子化学即“超越分子的化学”的概念。“基于共价键存在着分子化学领域，基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化学”是对分子与超分子化学的中肯诠释。自从1987年Pederson，Cram和Lehn因为对超分子化学领域的杰出贡献而获得该年度的诺贝尔化学奖以来，超分子化学便蜚声世界，受到了科学界和大众的广泛关注[1]。

分子化学是原子之间通过化学键作用形成分子，是以分子为研究对象的化学，可称为特征化学；而超分子化学是以多种弱相互作用力而非化学键为基础，是由多个分子通过这种弱的分子间非共价键的相互作用为研究对象的化学，和原子间由化学键作用而形成分子的化学不同，超分子化学是研究分子间相互作用的科学，也可以称为表观化学[2-3]。

超分子化合物是由主体分子和一个或多个客体分子之间通过非共价键作用而形成的复杂而有组织的化学体系。主体通常是富电子的分子，可以作为电子给体，如碱、阴离子、亲核体等；客体是缺电子的分子，可作为电子受体，如酸、阳离子、亲电体等。超分子体系中主体和客体之间不是经典的配位键，而是分子间的弱相互作用，即氢键、主客体作用、静电作用、π-π堆积作用等，其键能大约为共价键的5%～10%，且具有累加性，但形成的基础是相同的，都是分子间的协同和空间的互补，因此可以认为，超分子化学是配位化学概念的扩展。

中医药基础理论是中华民族几千年同疾病临床斗争的结晶，其正确性与科学性不容置疑。众所周知，中医药理论是建立在对人体有序的多分子群作用基础上的宏观规律表征，长期以来大家多是从宏观方面寻找解决问题的线索，对于能否从微观物质基础层面找到诠释物质基础多持否认的态度，并且认为这是中医药理论区别于西医的固有特点，这些观点容易强化“中医药不存在微观物质属性”的观点。这主要有2个原因，一是中医药长期的宏观思维阻碍了以体现中医药理论为核心的微观物质的寻找，从思想上固执地认为找不到，也不想怎么找到，这多体现在中医药院校的人才思维之中；二是长期寻找无果，由于对现代非医学科学缺乏系统而精心的学习，没有找准现代非医学科学理论，只牵强附会地将中医药理论与现代科学凑合，多借助现代科学仪器设备从“静态”的角度进行人体观察，却试图找到能反映宏观“动态”中医药理论的微观物质基础，其结果注定要失败，这多体现在非中医药院校的人才思维之中。由于中医药理论的微观物质运行规律长期不明，累遭非中医人士的诟病，因此能否从微观层面找到中医药理论化学作用的本质规律是能否诠释中医药理论并为现代社会所接受（所谓的中医药现代化）的关键，长期萦绕在作者心头。近年作者在研究网络药理学的成分群与网络靶点的作用规律、在研究中药“穴药”法归经理论、在研究单成分的构效关系时，首次接触到了超分子化学，发现两者有天然渊源关系，这种大小分子群间作用的印迹模板（钥匙）关系理论正是整合人体“海洋般”分子群相互作用而表现出的宏观规律，阐述中医药理论的“不二法门”理论。因此，本文先从超分子化学的研究现状入手，然后与中医的经络脏腑理论与中药药性理论结合，剖析人体大小分子群作用的超分子运行规律，证明能从微观物质作用规律层面上勾画出中医药基础理论，据此可提出中医药基础理论微观与宏观现代化的途径与框架图。

1 超分子化学的研究现状

1.1 超分子化学研究的3个阶段

超分子化学研究经过了主客体化学、分子识别化学和自组装化学3个发展阶段。主客体化学是以主体洞穴包裹客体小分子而形成超分子，为超分子研究的起初阶段，只追求特异的非化学键组成的超分子特异性结构；分子识别化学与医学有历史渊源，早源于免疫学的抗体与抗原识别化学，抗体依抗原表面决定簇识别而合成抗体，两者结合可形成巨大的超分子；自组装化学是基于既有氢键供体又有氢键受体的易形成氢键的分子，或基于既有电子供体又有电子受体的易形成传荷络合物分子，当这种分子以特定的结构存在时会自组装成高分子聚合物。当然，这3个过程不是严格的顺承关系，而是相互渗透和相互关联的。例如，在模拟细胞膜的研究中，超分子化学家就同时运用了主客体化学和超分子自组装化学的知识和手段。荷兰的Reinhoudt率先提出了分子印刷板（molecular-printboard）的新概念[4]，即将修饰有主体分子（自组装单分子层）的表面作为分子印刷板。这种富集了大量主体分子的表面像自然界的细胞膜一样具有表面识别位点，在这种表面上，客体分子通过超分子相互作用可以有效定位。由超分子化学研究的3个阶段可知，其理论将对中医药基础理论的解释将会产生重大而深远的影响。

1.2 超分子中的主要主体化合物

超分子的主体化合物是指构成超分子印迹孔穴（通道）的化合物，其中潜在特异的可结合的模板分子，两者为钥锁关系。在超分子化学的发展过程中，越来越多的主体分子被发现或者合成，目前经典的超分子化学中的主体化合物如下。

1.2.1 冠醚配合物 这是最早发现和研究的化学超分子物质。冠醚一般是具有（CH2CH2X）重复结构单元的大环化合物，其中X代表杂原子。从环上所含杂原子来看，冠醚化学己从最初的全氧冠醚发展到硫、硒、氮、磷、砷、硅、锗和锡等杂冠醚。冠醚化合物都具有确定的大环结构，不像一般非环配体那样，只是在形成金属配合物时才形成环[5]。

1.2.2 环糊精和环糊精包合物 环糊精（cyclodextrin，CD）也称作环聚葡萄糖，是由若干D-吡喃葡萄糖单元环状排列而成的一组低聚糖的总称。它具有圆筒状疏水性内腔和亲水性外沿，与柔性的开链类似物相比具有特别的物理和化学性质。Villiers于1891年通过用酶降解淀粉发现了环糊精并分离出来，1904年Scharidinerge表征它们为环状低聚糖，1938年Freudenberg等把它们描述成吡喃葡萄糖单元通过α-1，4-糖苷键连接构成的大环化合物。迄今为止，己有不少专著与若干长篇综述、多于1 400个以上的专利和数以千计的文章描述环糊精及其包合物的结构、性质和应用。在药剂学上已有广泛的应用，多采用β-环糊精。含有环糊精结构的自组装体己经被应用到分子识别[6]、药物输运[7]、超分子凝胶[8]和微反应器等领域。我国著名化学家徐光宪院士曾经特别指出环糊精超分子科学是21世纪化学领域11个突破口之一[9]。

1.2.3 杯芳烃 杯芳烃是一类对位烷基苯酚通过亚甲基在酚羟基邻位连接而构成的一类大环化合物，是酚醛树脂缩合的环状化合物。最有代表性的是20世纪40年代Zinke等用对叔丁基苯酚和甲醛在氢氧化钠存在下加热得到的由对叔丁基苯酚结构单元和亚甲基交替连接的四聚体。该化合物的分子模型表明它的形状像一个杯子或花瓶，故称之为杯芳烃。在杯芳烃p-tert-butylcalix（n）-arene的杯状结构底部紧密而有规律地排列着n个酚羟基，而杯状结构的上部具有疏水性的空穴。前者鳌合和输送阳离子，后者则能与中性分子形成配合物。由于杯芳烃的这种独特的结构，离子和中性分子均可作为其形成配合物的客体。

1.2.4 瓜环 瓜环是一类由n个甘脲单元和 2n个亚甲基桥联起来的大环化合物，具有刚性疏水性穴腔及亲水性端口的特殊结构，与客体作用后有可能改变客体物质的理化性质，使得瓜环成为超分子化学的重要主体之一。瓜环作为一种潜在的药物运转、缓释或控释载体，药物与瓜环作用后，可显著地改变药物性质。瓜环是继冠醚、环糊精和杯芳烃等大环化合物之后的一类新型大环化合物[10-11]。

1.2.5 其他类型的大环化合物 ①葫芦脲：由尿素、乙二醛和甲醛之间的简单反应获得的大环化合物[12]。葫芦脲与环糊精或其他大环化合物相比，其另一特征是具有更加刚性的结构；②卟啉和酞菁：卟啉是在卟吩环上拥有取代基的一类大环化合物的总称。卟吩是由4个吡咯环和4个次甲基桥联起来的大π共轭体系；卟吩分子中4个吡咯环的8个β位和4个中位的氢原子均可被其他基团所取代，生成各种各样的卟吩衍生物，即卟啉。酞菁是与卟啉结构相近的大环化合物。卟吩环“中位”上的碳原子被氮原子取代即为酞菁。环上未曾和氢结合的氮原子可以接受2个质子，形成正二价离子；已和氢结合的氮原子又能给出2个质子，形成负二价的离子，而同正价的金属离子形成配合物。卟啉和酞菁阴离子对过渡金属离子有很强的配位能力[13]；③环肽：环肽是以多个氨基酸的肽键构成的环状化合物，广泛存在于自然界中，已报道的环肽大多来自于海棉状和海洋中的节肢动物等低等生物中，实际上环肽和类环肽也广泛存在于微生物、真菌、藻类和高等植物，并在生物体的生命活动中扮演着重要的角色。除此，还有杂多酸类、多胺类、树状、液晶类等超分子化合物[14]。

1.2.6 人体巨复超分子体 首先人体内的单分子、超分子通过自组织、自组装、自识别与自复制组成一定功能的超分子，在众多小分子模板基础上进行超分子主体结构的合成，如参与的各种生化代谢反应酶合成、基于氨基酸的蛋白质合成、基于葡萄糖的肝糖元合成，基于核苷酸的DNA，RNA合成等。这此合成的超分子主体又以亚单位合成巨大功能性超分子主体，众多功能性巨大超分子主体组成细胞器，众多细胞器构成细胞，然后通过自我复制分化成各种功能类型的细胞，再联接形成器官组织，最终构成整个人体。在这个多级的超分子主体生成过程，母体超分子保留了子体超分子的印迹模板，因此人体就是一个拥有各种层次印迹模板，按一定的空间孔穴通道结构进行联接所形成的巨复超分子体。

1.3 超分子的结构与作用的主要特征

1.3.1 超分子结构的主要特征 由上述的主体化合物可知超分子结构特征有：①超分子是主体与客体两部分分子组成的非成键化合物，可以结合也可以脱离，主客体分子存在一定的分子构象关系，两者结合程度由构象决定；②主体分子中存在一定形状的孔穴，容纳与孔穴模板相同或相似小分子，不相同或不相似的小分子难能进入孔穴或结合不紧，两者存在钥锁关系；③超分子主体之间可结合形成更大的超分子主体化合物； ④主体分子可以环合生成封闭孔穴，也可非环合聚合成开放孔穴，以螺旋状、片状、胶束、纳米囊、聚合亚单、细胞器及细胞等各种形式，由小分子到大分子形成各种超分子聚集主体；细胞是庞大超分子聚集主体体系，人体更是巨复超分子聚集主体体系，包含了从单分子到各种超分子聚集体的通道结构与印迹模板；⑤各种层次的超分子主体化合物以特定的孔穴模板相连，形成经络脏腑，组织器管，能与相一致的模板小分子进行作用；⑥超分子的主体与客体结合后形成的超分子，会改变主客体分子的性质，宏观上会表现出小分子在主体分子中的迁移、理化性质的各向异性，同时主体分子的理化性质也会发生变化。

1.3.2 超分子作用的主要特征 具有分子间的自组织、自组装、自识别和自复制。

自组织：分子自组织通常指许多相同的分子，由于分子间力的协同作用而自动组织起来，形成有一定结构但数目可以多少不等的多分子聚集体，有以下特点：①包括在空间上或时间上都表现出自发的有序性体系；②包括空间结构和平衡结构和非平衡的结构两者的瞬间动力学的有序性，结构的有序性，结合的非线性化学过程的有序性及能量流动和时间方向上的有序性；③仅仅限于非共价键的超分子层次；④多组分在分子组分间由分子识别或在动力学过程中产生特殊相互作用，表现出超分子的自组织和长程有序性，从而形成多分子有序体。简而言之，就是越有序，组织性越好。如分子层、分子晶、体膜、液晶、胶束、胶体、细胞器、细胞等都是自组织的有序体，人体更是自组织的有序体。

自组装：自然界中存在众多的自组装作用，在生物过程中，基质和蛋白质受体的结合，酶反应中的锁钥关系，蛋白质-蛋白质络合物的组装，免疫抗体抗原的结合，分子间遗传密码的读码翻译和转录，神经递素诱发信号等。自组装体包含了①分子识别：主体有选择性地识别客体并以某种方式与客体配位形成化合物。②分子催化：自组装的超分子配合物具有反应性和催化作用，体现高效能、高选择性。生物体内的氧化、还原、酰基转移、β-消除、C-C键形成及断裂等可在特定的酶中进行[15]。③分子转移：组装后的超分子常能促进光子、电子或离子的传递。

自识别：分子在自组装过程会产生自识别。这是在主客体体系中，主体有选择性地识别客体并以适宜的形式形成主客体化合物，亦超分子体系，与没有相互作用的主体和客体的混合物相比，这种超分子体系体现出不同的特性。主体识别各种客体的主要方式有与主体空穴的大小形状匹配、配位点特性及数目、配体种类与数目、电荷强弱等。

自复制：超分子的自复制作用就相当于DNA 的自复制。对于后者，首先是DNA 双螺旋的两辫拆开，两根母辫即形成模板，它们的复制原理是一样的。

1.4 超分子的研究与检测手段

现阶段超分子化学的目标主要集中于超分子形成中的机制及应用研究，如确定分子间作用力的协同；研究分子识别与位点识别的机制与过程；研究不同结构层次的组装体、组装过程及组装方法，尤其是生物活性体系及低维体系的组装，自然界的自组装，以及超分子体系中结构与功能的关系等等。

由于主客体分子间包合作用力的主要来源是分子间存在的范德华力、疏水作用力及氢键作用力等，超分子体系分子间弱相互作用力的理论研究目前常用的方法有量子化学和统计热力学2种。量子化学方法主要在电子结构水平上准确地研究分子间弱相互作用力，可望在深层次的理论水平上揭示生命现象的本质[16]，用于超分子体系弱相互作用力研究的量子化学方法有abinitio，HF，SCF，MP，DFT等方法。热力学方法主要是研究超分子中的主客体作用的形成随着温度变化的重要的热力学参数。主要主体分子、客体分子与超分子的自由能变（ΔGsup）和平衡常数Ksup，可用热力学的方法研究过程的状态函数变量[17]。用 Schneid提出的成对作用的自由能线性估算方法进行超分子自由能变（ΔGsup）的研究，可得到较满意的结果。

实验方法有多种形式，用谱学方法研究分子间弱相互作用已成为实验研究的主要手段。红外光谱法：形成了超分子体系时，相互作用部位或基团伸缩振动受到影响，从而吸收峰频率发生一系列的位移，根据位移可对超分子体系间选择性作用力作半定量研究；核磁共振法：形成超分子体系时，选择性部位原子的化学环境发生变化，根据化学位移发生变化的值可研究超分子体系的弱相互作用。分子散射法：对于简单超分子体系给出精确的分子间相互作用势函数，根据散射数据可以确定超分子体系的弱相互作用，但对复杂超分子体系无能为力；X 射线单晶衍射法：则可通过键长及键角直观地确定超分子体系的弱相互作用力，另外还有色谱法和生成热测定法。其余研究超分子化学的手段也很多，例如可见光谱和荧光光谱、圆二色光谱、电位法和色谱法等[18-21]。

1.5 超分子药物与应用

1.5.1 超分子药物研究 在药物制备、合成与发现中超分子化学得到了广泛的应用。①超分子动态组合化学用于药物发现：以酶、受体型蛋白等作为模板加入到动态组合库中，库中与之最有亲和力的成分就被放大，而与之无作用的成分将减少。这些放大的成分是该库中最有可能成为先导化合物的成分。②超分子载体用于药物合成：在多相合成药物时，可采用金属超分子载体形式将金属催化剂由水相转移到有机相而促进药物的合成。③包合型超分子药物制备：将主体分子包合客体药物分子制成超分子包合物，形成分子胶囊可改良药物的水溶性与稳定性。目前，多采用环糊精作为主体分子包合亲脂性药物以增加其生物利用度。如采用β-环糊精包合物包合大蒜素[22]、苯佐卡因[23]。利用环糊精制备结肠、脑、特殊细胞靶向给药系统[24]。还可用来掩盖药物的不良气味，降低药物的刺激性与毒副作用等[25]。④印迹模板技术用于药物分离：先将被分离的物质作为模板分子与高分子材料进行聚合，然后水解释放模板药物分子。

超分子化学药物可能改变药物的稳定性和在人体的传送机制，即改进药物在体内的膜运输，使药物达到特定的作用靶点，提高和特异靶点结合的能力，提高药物的有效利用度，降低药物的毒副作用。因此可能开发出具有新的结构、药理、药效和剂型的药物。

1.5.2 超分子药物 对超分子药物进行了概括，主要包括以下几类①抗癌超分子药物：基于卟啉及唑类化合物的结构特点及抗癌活性[26]，如替加氟和硝基咪唑类卟啉[27]。替加氟修饰的卟啉化合物对肝癌细胞 SMCC-7721、结肠癌Volo细胞的体外抑瘤有较好活性。②抗炎镇痛类超分子药物：如将阿司匹林、 烟酰胺与锌离子形成的络合物超分子佛立沙后，不仅改善了阿司匹林的胃肠道刺激性，还有效地提高了其镇痛抗炎作用[28]。锌（II）-巴氯芬络合物超分子的止痛活性也强于其母体药物[29]。③抗疟类超分子药物：将青蒿素与环糊精制成络合物超分子，水溶性得到了很大改善，其口服生物利用度得到了提高。还有二茂铁喹是含二茂铁结构的抗疟类络合物，可以长期稳定的在生物体内表现出抗疟活性，已成为抗疟类候选药物[30]。 ④抗菌类超分子药物：将过渡金属与抗生素或其他潜在抗菌化合物形成的络合物大部分具有比配体本身更好的抗菌活性，如将喹诺酮类、磺胺类、席夫碱类、缩氨硫脲类和大环类与过渡金属Au（I），Ag（Ⅰ），Pd（Ⅱ）等生成超分子，从这些络合物超分子中筛选出了良好抗菌活性的药物分子。⑤抗结核类超分子药物：异烟肼是一个良好的金属离子螯合剂，能与锰（Ⅱ），钴（Ⅱ），镍（Ⅱ），铜（Ⅱ），锌（Ⅱ），镉（Ⅱ），铅（Ⅱ）及稀土等金属离子形成稳定的络合物，研究发现将异烟肼及其衍生物制成络合物超分子可提高其脂溶性[31-32]，增强其抗结核作用。⑥心血管系统的超分子药物：将硝苯地平、尼群地平、卡托普利、尼卡地平和尼莫地平制成β-CD或HP-β-CD包结络合物，可有效提高该类药物的稳定性、生物利用度和溶解性等。将硝苯地平分别用2-HP-β-CD和羟丙基纤维素制成双层片剂，可通过调节二者比例来满足不同释药速率要求[33]。

由上可知，目前的超分子药物多为过渡态金属络合物和β-CD的包合物两大类，多以化学药物的形式研究报批，总体研究层次不高，作为中药及复方制剂的化学成分存在天然的超分子形式，并且中药本身就是生物体的模板分子产物，具有与人体共模板的生物相容性，因此作为超分子的中药药物的研究更有广阔的空间。

2 生物体内、中药超分子存在形式及超分子现象

超分子化学的起源在一定程度上来自生物体系，如植物进行光合作用的叶绿素是卟啉环的镁络合物超分子；血红蛋白吸收和运载氧的血红素是卟啉环的铁络合物超分子等。在生物体内，超分子的主体是各种酶、受体、基因、免疫系统的抗体和离子载体的接受位点等，客体是底物、抑制剂、抗原或者药物等。主客分子的共同协作用是产生生命现象的基础，因此可以说生命体系是一个巨复的生物超分子体系[34-35]。

2.1 糖类

可以分为单糖类、低聚糖和多聚糖类及其衍生物，有均多糖与杂多糖之分。高聚糖类的螺旋结构是开环的主体分子，可与小分子形成超分子，如淀粉与碘呈蓝色；环糊精是由5～7个葡萄糖而成的闭环聚合主体分子，可与很多分子量较小的药物形成超分子，改善药物的不良水溶性与稳定性；氨基糖类也是很好的细胞间质连接物，与脂肪、蛋白质构成细胞间孔穴通道，是构成中医经络脏腑的重要物质基础；同时糖类又是很好的氢供体与受体，分子间可相互作用、结合及自组装形成超分子体系；单糖也可作为客体分子与其他的主体分子结合形成超分子体系；而多糖则可以作为主体分子包合其他中药成分构成超分子体系。由于糖类的普遍存性，研究糖类的超分子形式对解释人体的经络脏腑现象有重大作用。

2.2 氨基酸、蛋白质类

自然界中各种形式的氨基酸300左右，但能以肽键形成蛋白质的为20种，均为α-氨基酸。蛋白质是超分子主体最好的表现形式。常现的酶类及催化作用，抗体抗原反应，受体、转运体及各种离子通道均能发现超分子物质及能寻找到超分子作用踪影。蛋白质的螺旋、β-片层及四级结构形式是形成天然超分子体最杰出的代表。与糖类一样，蛋白质普遍存在，因此蛋白质的超分子形式对解释人体内经络脏腑现象具有更加重大意义。

2.3 核苷酸及DNA类

生物体的遗传信息靠核苷酸顺序结构产物DNA贮存，构成DNA的核苷酸双螺旋结构本身就是超分子物质。在DNA，RNA的合成及基于RNA信息合成蛋白质均是以超分子形式而发生作用。

2.4 苷类

苷类是糖或糖的衍生物与非糖物质（称为苷元或配基）通过糖的端基碳原子连接而成的化合物，也是在自然界广泛存在的天然产物。根据其结构中苷元、糖或糖的衍生物的存在形式，可自身结合形成各种形式的超分子，如甾醇类与甾体皂苷形成的分子复合物，金属离子与苷元的酚羟基、羧基形成的络合物，多电子苷与缺电子苷形成的传荷络合物等；同时也可与体内的大分子主体形成超分子化合物。

2.4.1 醌及苷类 这是一类分子中具有醌式结构的化合物，分子中多具有酚羟基，有一定的酸性。醌类为缺电子基团，可与供电子基团，如酚、苯胺形成传荷络合物，如氢醌复合物；也可与β-环糊精（β-CD）衍生物形成包合物，同样可被多糖螺旋形成包合物；也可与空轨道的金属离子形成络合物；也易与酰胺键形成氢健络合物；也可与蛋白质形成氢键络合物等超分子。

2.4.2 香豆素及苷类 其基本骨架可视为由邻羟基桂皮酸形成的内酯，在稀碱溶液中内酯环可水解开环，生成能溶于水的顺邻羟桂皮酸的盐，加酸后可环合成为原来的内酯。主要与多糖、蛋白质等主体分子形成超分子。

2.4.3 木脂素及苷类 这为苯丙素的二聚体，本类化合物可作为客体分子与多糖、蛋白质主体分子结合形成超分子。

2.4.4 黄酮类 泛指具有2个苯环通过中间三碳链相互联结而成的一类化学成分。为多电子供体，可与空轨道的金属离子、氢键受体、电子受体等形成超分子；也可作为客体分子与多糖、蛋白质主体分子结合形成超分子体系。

2.5 萜类和挥发油

萜类和挥发油由异戊二烯单位构成，分单萜、倍半萜、二萜等。根据其结构不同形成超分子能力相差很大。大多可作客体分子与β-环糊精孔穴分子形成包合分子；也可自身聚合成树脂，也可形成分子复合物；也可形成低共熔物；也可与吐温等表面活性剂形成氢键复合物与传荷络合物，也可作为客体分子与多糖、蛋白质主体分子结合形成超分子体系。

2.6 生物碱

生物碱是一类存在于生物体内的含氮有机化合物，结构复杂而多样。可作为客体小分子被包合成超分子；在酸性条件下可与重金属、有机酸、多电子基团形成复合物；与鞣质结合形成超分子；环肽类大分子可作为主体分子包合其它成分形成超分子，因此在不同条件下，不同结构的生物碱可能形成不同形式的超分子，因此生物碱应是形成各种超分子物质较为丰富的一类化合物，加上它富有强大的生物活性，因此研究生物碱各种形式的超分子对阐明中医药理论具有重大意义。

2.7 甾体类

甾体类是一类结构中具有环戊烷骈多氢菲甾核的化合物。可作为客分子进行包合，另外最重要的是β-甾醇类形成有机分子复合物超分子。

2.8 三萜类

三萜类是一类基本骨架由30个碳原子组成的萜类化合物。可作为客分子、氢或电子供受体形成超分子复合物，也可作为客体分子与多糖、蛋白质主体分子结合形成超分子体系。与糖结合形成皂苷具有表面活性作用，自已可以聚合成胶束形成超分子。

2.9 鞣质

鞣质是一类复杂的多元酚类化合物的总称，可与蛋白质结合形成致密、柔韧、不易腐败又难透水的超分子化合物；也可与生物碱复合生成超分子；同时自身聚合生成鞣红超分子；还可与重金属盐如醋酸铅、醋酸铜等产生超分子沉淀。因此鞣质是中药成分中最易生成超分子的一类物质。

由上可知生命体及中药中各种成分均可以以主体或客体形成超分子，是研究超分子化学，阐明生命现象的最好载体材料。

3 具有超分子载体特性的生物体决定了超分子化学对阐明中医药理论科学内涵的特殊影响

诚如前述作为生物体的人体与中药可以看成是一个由单分子、超分子、聚合超分子及巨复超分子构成的复杂体系。在由小分子构成整个人体有序超分子过程中，其超分子主体保留了客体小分子的印迹模板，形成孔穴通道结构与外界发生化学反应，进行物质能量联系，否则生命现象难以为继。当人体的各类小分子在心脏搏血功能的推动下，人体各组织器官的主体分子对客体小分子表现出机体结构的各向异性作用，亦“气析”现象。水为洗脱剂，溶于水的各类客体分子与组织器官主体分子的孔穴通道产生印迹作用，包括“分子筛、离子交换、吸附、分配与亲合色谱”的各种形式，体现出“印迹模板”特征的“气析”（由于这种作用是产生中医气的本源，并且各组织器官能能象色谱学那样区别客体分子，故定义为“气析”）现象，亦经络脏腑现象。其结果是与组织器官“印迹模板”相吻合的分子产生作用，而不吻合的分子就难产生作用。因此，中医经络脏腑理论正是对人体众多大小分子群在血液流动下所表现出各种 “印迹模板”形式的超分子印迹作用规律高度总结：具有相同或相似的“印迹模板”分子通道结构便构成了经络脏腑；通过通道结构与外界机体子体小分子作用就形成了脏象；具有与之相同或相似的“印迹模板”中药分子便构成了中药有效成分；中药有效成分与经络脏腑的印迹作用便形成了中药药性理论和功效[36]；中药复方配伍又能显著性地改变这一超分子印迹作用规律，由此便形成了中医药的“理、法、方、药”基础理论的微观物质基石。

诚如上述分析，人体各个脏器与血液中的各类成分作用的选择性或偏向性，用现在的化学语言表述为分子间作用的结构因素的各向异性，亦超分子钥锁关系；而宏观上就是几千年来中医药总结出来的临床用药的药性理论。其实这种类似的作用在单分子药物与靶点的构效关系研究中已有表述，也很容易用超分子的自组织、自组装、自识别与自复制解释，但由于中医药研究者没有将其归纳总结上升到分子群间的超分子印迹作用规律，以超分子化学解释罢了。

由于与生物体具有自然渊源的中药及复方成分必然是这个巨大的超分子体系中的一部分，中医药基础理论正是这种形形的各种形式的超分子共同作用的宏观现象。因此超分子化学在阐明中医药基础理论中所蕴藏的巨大作用是其他现代科学理论所无与伦比的。据目前仅有的超分子化学知识，对中医基础理论可作初步解释如下。

3.1 经络及现象

经络的宏观属性已为大量的针灸临床治病实践所证实，但微观属性却没有完全阐明。据目前研究结果，对经络认识有：①神经系统观；②广义的经络观；③生化物质观，代表性观点有P物质的观点，细胞外基质的观点，钙离子（Ca2+）富集观点；④经络的生物物理学特性研究，表明声传播的高振声、低频声和声信号循经性，电传导的低电阻、高电容、良导络性[37]，体表红外线热辐射轨迹的循经性，体表发光强度与对称的循经性，磁振动线的循经性，图象扫描（用正电子发射断层扫描仪的透射扫描图象和发射扫描图象的融合技术显示出示踪迹循经迁移线在体内的三维断层图像及立体透视图像[38]）。古人采用内视的方法观察经络的走向。据上述研究结果可知，经络的组织形态学位置至今仍在肉眼观察能力之外，没有一种公认的学说进行解释，但大量的临床与科学实验表明，人体经络及现象是客观存在的。

如果将目前的经络研究结果与人体超分子化学结合，由超分子的自组织、自组装、自识别与自复制的性质可以推断人体特定模板分子孔穴通道结构，亦经络的必然存在。因此人体经络的微观物质基础是：基于细胞内外巨型超分子主体物质的一定“印迹模板”分子孔穴空间有序排列通道结构；而经络现象是：基于这一通道的体内“印迹模板”分子在心脏搏血作用下，按“气析”所表现出的印迹宏观作用现象，体现出各组织器官“印迹模板”通道的各向异性。根据主体通道结构与客体“印迹模板”分子的钥锁对应关系，具特定通道结构的经络必然体现与客体“印迹模板”分子相一致的光、电、磁、热等效应。由此推知，与十四经络一致，人体的主体“印迹模板”孔穴通道大体上为14种模式，而这种微观的“印迹模板”分子孔穴通道相互混杂重叠，你中有我，我中有你，散布于各个实体脏器之中，因此相互干扰大，同时经络中的客体小分子受当时的身体状态、饮食习惯不同而变化，因此采用目前的“静态”的观察方法是很难发现其踪迹的，但如果采用“静态”与“动态”相结合的超分子化学研究方法，定能找到“蛛丝马迹”，本团队现已展开了各脏器的体外印迹吸附动力学实验研究工作，结果初步验证上述假说。

3.2 脏腑理论

如果经络的微观物质基础及现象得以阐明，则中医的脏腑理论自出。心、肝、肺、脾、肾脏象系统为与心、肝、肺、脾、肾经络相似的超分子主体“印迹模板”孔穴通道结构，但可能更规则，更集中。同样六腑也与相应的经络有相似超分子主体“印迹模板”孔穴通道结构。脏腑所体现的脏象与功能也与超分子主体孔穴通道印迹作用相关，是血液中客体分子物质与组织器官主体分子“气析”作用的结果。由于五脏、六腑有各自的超分子主体物质孔穴通道，且相互混存重叠，只是在各脏器中的比例大小不同而已，所以不能用简单的西医形态学的研究来发现经络脏象，按目前西医的实体解剖器官来阐明中医药理论是行不通的。因此，对于中医药基础理论研究，只能基于超分子化学，以经络脏腑与各分子所表现出的“共“印迹模板”气析”规律的研究为核心，建立人体内超分子孔穴通道、“印迹模板”、迁移规律、微观物质与宏观现象关联的新分析方法才能揭示中医药作用规律。其中小分子对经络脏腑孔穴通道的“印迹模板”规律，也就是各经络的标准“印迹模板分子”的研究尤为重要，也最为困难。

3.3 气的物质特征

中医所述气抽象而不好解释，但根据经络的微观物质基础及产生脏象的超分子印迹作用原理则变得容易解释。中医所述的气是指运行于经络脏腑主体之中的客体分子及作用关系。根据经络脏腑主体与客体的特点，可分为①元气：泛指所有经络脏腑主体之中的客体分子及作用关系，包括先天、后天所产生主、客体分子及相互作用关系。②宗气：与呼吸相关的经络脏腑主体及客体小分子及作用关系。③营气：运行于经络脏腑主体的食物客体分子及作用关系。④卫气：与免疫功能相关的经络脏腑主体的客体小分子及作用关系。⑤经络脏腑之气：运行于具体经络脏腑主体的客体小分子及作用关系。因此中医气的共同特点是所观察经络脏腑主体与客体分子的“印迹模板”特征及“超分子印迹”作用关系。根据主体与客体的作用及表现形式不同而分类，关系错综复杂，仅用中医抽象的概念难以解释和理解，若用超分子化学则变得非常清楚明了，而且还可以测定。

3.4 中药药性理论

同样中药药性理论也就不难研究了。基于与经络脏腑“印迹模板”是中药有效成分的物质基础理论，可建立超分子“印迹模板”通道法：根据各经络脏腑孔穴通道特征，建立最佳的模板分子模型，然后采用分子相似度方法，分析各分子与各经络脏腑的相似程度，再经多元统计学可以得出所含成分群的中药对哪个经络脏腑的选择性最强，效应最好，首先解决中药归经问题；再根据各经络的分布走向，分析中药成分群的升降沉浮；再研究味蕾的超分子孔穴分子模板特征并将其与药物归经结果联系，则解决中药的五味问题；再结合中药毒性效应，阐明中药有毒无毒问题；最后将中药作用规律与生物热效应关系，解决中药四性问题。因此中药与经络脏腑的超分子印迹作用规律，亦中药的归经理论既是研究中药药性突破口，也是阐明中医经络脏腑理论的突破口，而中药四性问题研究表面容易，实际最难，只有等到中医药研究方法的全部建立后才能研究，在掌握中药作用前后主、客成分的变化规律后，可建立热力学方程解决。

3.5 中医药理、法、方、药理论

当经络、脏象、气与中药药性基础问题解决，则可阐明中医基础理论、中医的诊断、方剂学等基础性学科问题；构建中医药的理、法、方、药基础理论。

中医基础理论：构建起以经络、脏象、气为核心的印迹作用规律研究方法及理论体系，包括微观的经络脏腑超分子作用机制，宏观的超分子作用现象测定方法及状态函数表征体系。

中医诊断学：构建主、客体分子的“印迹模板”超分子化学作用规律的中医诊断系统，包括微观与宏观、体内与体外、宏观现象测定与状态函数表征、测算与预测等相统一的理论体系。创立适用于中医药基础理论“气析”的现代诊断仪器系统。

方剂学：构建基于中药群体配伍超分子群对经络脏腑“印迹模板”作用规律的预测及验证科学体系，阐明中医方剂的配伍理论。

其他临床学科：将中医药理论与临床诸科的特点结合，构建中医临床诸科的疾病的病因分析、治则、治法及遣方用药的科学体系。

因此，就目前的已知超分子化学知识来看，超分子化学对诠释中医药基础理论将会产生重大的作用，应引起中医药现代化工作者的高度重视。

4 当前中医药基础理论现代应注意的问题

自从1997年全国第一次召开中医药现代化战略研讨会至今，中医药理论现代化历程快20年了，虽取得了一些成绩，但突破性的进展甚微，究其原因，主要存在以下应注意的问题。①强调中医的整体观念，但研究时却难能推行：众所周知，中医藏象证候、中药复方作用机制、经络研究为实现中医药现代化的三大基础关键枢纽问题，目前一般都将三者分开单列研究，尽管单独研究可取得一时成果，但要获得突破性进展困难。这种研究方法容易割裂中医治病“理、法、方、药”的整体关系，与中医药的整体观相悖。由于中医的理、法需中药干预则明；方、药需对证治疗才灵；理、法、方、药需整体贯通方活。因此在中医药现代化过程中，应将其作整体融为一炉进行研究才能收到事半功倍的效果。②中医药基础理论自成体系，不需要现代化。目前中医药现代化进展不大，研究处于低潮，有一部分对现代科学知识还不了解的中医药工作者认为中医药难能、也不需要现代化，持这种观点的人最终会损害中医。③过分强调整体，忽视微观。整体观念是中医特色，但不能认为中医只有整体而没有微观，应重视整体与微观的辨证关系。众所周知，物理学既研究宏观物质的运行规律，如力学、电磁学；也研究微观物质的运行规律，如原子结构理论，统计物理学；也研究宏观与微观的关系，如热力学、动力学方程。因此宏观与微观物质运行规律是相互联系的，中医药也是如此。有中医药经络脏腑理论的临床存在，必然有其微观的物质基础进行支撑。④区分宏观与微观的测定与表征方法。目前尽管中医药理论强调宏观特征，但研究思路与方法却是微观成分；因此应区别宏观与微观的研究与表征方法不同，宏观采用状态函数表征，多测定光、电、磁、色等宏观变化，微观采用化学物质结构表征，多测定物质的量变及化学性质等。⑤中医与西医结合。中西医来源于不同体系的医学理论，尽管目前还难能从科学的本源上实现结合，但随着中医药理论作用物质基础的揭示，中西医药会从微观化学本源基础进行结合：基于单分子化学成就西医理论；基于超分子化学则辉煌中医理论。⑥中医药的发展方向。由上述中医药超分子化学分析可以预知本世纪将是中医药理论现代的世纪。代表了未来化学发展方向的超分子化学也同样代表以此为基础的中医药理论是未来生命学科的发展方向。⑦药物研究方向。同样基于生物体超分子理论，药物将由目前单一“化学型”药物向基于“印迹模板“超分子客体群的宏观“数理型”药物方向发展。

由上可知，随着中医药超分子化学研究的不断深入，随着以上问题的不断廓清与解决，中医药与西医将在化学与超分子化学间消融，以超分子理论表征的现代化的中医药理论将会成为21世纪医药发展的主流方向。

5 中医药基础理论现代化路线图

经过上述分析可知，中医药现代化的过程已非常清晰，中医药现代化实际上是用超分子化学重新整合中医药理论并进行表述的过程。对于超分子化学研究中所采用的方法在一定程度上适用于人体的超分子作用规律研究，但由于人体是更为复杂的超分子体系，体内各种主、客体分子混杂，相互干扰。因此创立适用于人体的超分子物质、性质与现象的研究技术与现代仪器将会更加重要与艰苦。下面就中医药现代化的框架图进行说明。

5.1 首次创立中医药体内超分子化学与技术研究方法

在超分子化学与技术（主要是体外）的研究基础上，结合中医药物质基础的特殊情况，创建以研究生物体（主要为人体）为主的超分子化学与技术方法研究平台。

5.2 展开经络超分子印迹孔穴通道的物质基础研究，阐明经络实质

采用超分子化学手段，展开经络超分子印迹孔穴通道的基本属性、特异性与各向异性研究，阐明经络的科学内涵，主要难点在于寻找标准的经络“印迹模板”分子，作为探针分子研究经络，通过光、电、磁、色等组织性质的各向异性变化，显现经络的实体。

5.3 展开脏腑超分子印迹孔穴通道的物质基础研究，阐明脏腑实质

采用超分子化学手段，展开脏腑超分子印迹孔穴通道的基本属性、特异性与各向异性研究，阐明脏腑的科学内涵，主要难点是怎样克服各实体脏器孔穴相互混杂干扰测定的难题，建立各经络脏腑孔穴印迹模板专属性高的检测方法。

5.4 展开经络脏腑实质（超分子印迹孔穴通道）与功能关系研究，阐明脏象与气的实质

采用超分子化学手段，展开经络脏腑实质的特性与其功能属性关联性的研究，阐明微观超分子物质基础与宏观脏象、气的内在联系的本质规律，解决气的物质属性。主要难点是怎样测定各孔穴通道与模板分子的印迹效应，建立中医经络脏腑、气血的测定方法与仪器。

5.5 展开经络脏腑的宏观状态函数的表征方法研究，建立脏象表征方法

采用生物数学、物理学、化学动力学原理，展开经络脏腑宏观状态函数的表征方法，建立相应的数学模型，阐明微观超分子作用规律与宏观脏象表征规律，主要难点是建立微观分子与宏观统计学的数学模型及参数体系。这一过程叫中医药数理特征化（而非中医药数字化），也就是用数学、物理学、物理化学方法表征基于巨复超分子体系的宏观综合性质。

整合上述5个方面，结合现在的中医基础理论，将创立起以超分子化学为基石的中医经络脏腑理论与数理特征化现代学科体系。完成这一过程，可实现中医基础理论、针灸及中医诊断学科现代化。

5.6 展开中药微观物质基础及宏观状态函数的表征方法研究，阐明中药微观物质基础的实质

采用超分子化学、免疫学与现代仪器科学建立基于印迹孔穴为基础的免疫芯片中药成分高通量分析方法；结合生物数学、化学动力学、化学计量学和计算化学原理，展开中药微观物质基础的宏观状态函数的表征方法，建立相应的数学模型，阐明中药微观超分子结构与宏观脏象作用的印迹表征规律，主要难点为中药全成分群快速高通量测绘分析方法的建立。

5.7 建立中药药性与功效研究方法，实现中药学现代化

如前述，采用超分子化学、生物数学、化学动力学、化学计量学和计算化学原理展开中药归经、升降沉浮、五味、毒性及四性及功效研究，构建以经络脏腑的超分子作用规律为核心的中药药性及功效理论。实现中药学学科现代化，主要难点是构建中药药性定量表征体系。

5.8 建立中药复方配伍研究方法，实现方剂学现代化

采用超分子化学、生物数学、化学动力学、化学计量学和计算化学原理展开中药复方配伍及方证关联研究，构建以经络脏腑的超分子作用规律为核心的中药复方配伍理论，实现方剂学现代化。

5.9 中医临床诸学科的现代化

以已现代化的中医药学科的研究方法为基础，展开中医临床诸科病因与病机、治则与治法、遣方用药规律研究，实现诸学科现代化。

5.10 中药学诸学科的现代化

以已现代化的中医药学科的研究方法为基础，展开中药学诸学科，如中药药剂学、中药鉴定学、中药炮制学与中药药理学规律研究，实现诸学科现代化。

这样就可以创立以中医药经络脏腑为基础，以中药复方多成分群用药为特点，以超分子化学印迹作用规律为表达内容的“理、法、方、药”现代化的中医药理论体系。至此，作为以单物质属性研究擅长的西医将与中医药理论融合成新的医学体系：既体现单分子特征化学属性，又体现多分子的超分子表观化学属性的医学理论体系，宏观与微观实现高度的统一。

值得一提的是目前超分子化学研究方法多为体外建立的方法，对于像人体这样包含了极其复杂的超分子复合体，上述方法能否适用还需验证，但创建适用于人体的超分子分析方法及仪器设备将对阐述中医药基础理论至关重要，是实现中医药现代化的瓶颈问题，充满着挑战。

综上所述，本文首次阐明了超分子化学理论可以重构中医药基础理论的科学内涵，这为实现中医药现代化与国际化奠定了基础。

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Special impact of supramolecular chemistry on Chinese medicine theories

HE Fu-yuan， ZHOU Yi-qun， DENG Kai-wen， DENG Jun-lin， SHI Ji-lian，

LIU Wen-long， YANG Yan-tao， TANG Yu， LIU Zhi-gang

（1. Department of Pharmaceutics， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha 410208， China；

2. Property and Pharmacodaynamic Key Laboratory of Chinese Material Medica， State Administration of

Chinese Medicine， Changsha 410208， China；

3. Pharmaceutical Preparation Technology and Evaluation Laboratory of Chinese Medicine， Hunan University of

Chinese Medicine， Changsha 410208， China；

4. The First Affinity Hospital， Hunan University of Chinese Medicine， Changsha 410007， China；

5. Supramolecular Mechanism and Mathematic-Physics Chracterization for Chinese Materia Medica，

Hunan University of Chinese Medicine， Changsha 410208， China）

[Abstract] The paper aimed to elucidate the specific impact of supramolecular chemistry on the Chinese medicine theories（CMT）in their modernization， after had summarized up the research status of supramolecular chemistry and analyzed the possible supramolecular forms of Chinese medicine（CM）， as well as considered the problems in modernization of CM theories. On comparison of the classical chemistry that delt with chemical bonds among atoms，the supramolecular chemistry was rather concerned with varietes of weak noncovalent bonds intermolecules， and reflected the macro-apparent chemical properties of each molecules， and was the most appropriate chemical theories to explain the CMT and microcosmic materials. The molecules in the human body and Chinese material medica（CMM）formed supramolecules by way of self-assembly， self-organization， self-recognition and self-replication， with themselves or with complexation， composition， chelation， inclusion， neutralization etc. Meridian and Zang-fu viscera in CMT might be a space channel structure continuously consisted of unique molecules cavity that was imprinted with the supramolecularly template inside and outside of cells， through which the molecules in CMM interacted with the meridian and Zang-fu viscera. When small molecules in human body imprinted with macromolecules in meridian and Zang-fu viscera， in other words， they migrated along within imprinting channels of meridian and Zang-fu viscera on behavior of "Qi chromatography" impulsed by the heart beat， finally showed up on macroscopic the anisotropy of tissue and organ， as described namely as visceral manifestation in Chinese medical science. When small molecules in CMM interacted with imprinting channel on meridian and Zang-fu viscera， the natural properties and efficacy regularities of CMM was reflected on macroscopic. Therefore， the special representation forms of basic CMT is based on the macroscopic expression of "Qi chromatography" abided by imprinting effect regularities， and on whether the imprinted template of small molecules matched with cavity template of macromolecules in meridian and Zang-fu viscera， only is the adequate representation of supramolecular chemistry for them. The CMM materials is the mixture including single molecules and supramolecules. The compatibility for CM prescriptions can significantly change the function rules. Therefore in the study of basic CMT， we should pay special attention to the laws of supramolecular chemistry. It is the most essential differences of the CMT from the modern medicine which established by the laws of single molecular theories.