المساحة السطحية القطبية (Polar Surface Area)

أساسيات المساحة السطحية القطبية

تعتمد حسابات المساحة السطحية القطبية على عدة عوامل رئيسية. أولاً، تحديد الذرات القطبية في الجزيء. الذرات القطبية هي الذرات التي تساهم في قطبية الجزيء بسبب اختلاف السالبية الكهربية بينها وبين الذرات الأخرى المرتبطة بها. تشمل هذه الذرات الأكسجين (O)، والنيتروجين (N)، والكبريت (S)، والفوسفور (P)، بالإضافة إلى ذرات الهيدروجين المرتبطة بها. تحدد هذه الذرات ومساحاتها السطحية بناءً على نماذج حسابية.

ثانيًا، يتم حساب المساحة السطحية لكل ذرة قطبية. تعتمد هذه الحسابات على عدة طرق، بما في ذلك استخدام نصف قطر فان دير فالس (Van der Waals radii) لكل ذرة. نصف قطر فان دير فالس يمثل نصف قطر افتراضي للذرة، ويستخدم لتقدير حجمها. تساهم كل ذرة قطبية بمساحة سطحية خاصة بها في إجمالي المساحة السطحية القطبية للجزيء.

أخيرًا، يتم جمع المساحات السطحية لجميع الذرات القطبية في الجزيء. هذا المجموع هو قيمة الـ PSA، والتي يتم التعبير عنها بوحدة الأنجستروم مربع (Ų) أو وحدة أخرى مناسبة.

أهمية المساحة السطحية القطبية في علوم الأدوية

تلعب المساحة السطحية القطبية دورًا حاسمًا في تحديد خصائص الدواء وفعاليته. لها تأثير كبير على عملية ADME.

• الامتصاص: تساهم الـ PSA في تحديد قدرة الدواء على اختراق الأغشية الخلوية. الأغشية الخلوية مكونة بشكل أساسي من الدهون، لذا فإن الأدوية ذات الـ PSA المنخفضة (عادة أقل من 60-70 Ų) تميل إلى أن تكون أكثر قدرة على اختراق هذه الأغشية، وبالتالي يتم امتصاصها بشكل أفضل عبر الجهاز الهضمي.
• التوزيع: تؤثر الـ PSA على توزيع الدواء في جميع أنحاء الجسم. يمكن أن تؤثر الـ PSA العالية على قدرة الدواء على عبور الحاجز الدموي الدماغي (BBB)، مما يؤثر على وصوله إلى الدماغ.
• الاستقلاب: يمكن أن تؤثر الـ PSA على معدل استقلاب الدواء. الجزيئات ذات الـ PSA العالية قد تكون أكثر عرضة للاستقلاب بواسطة الإنزيمات.
• الإفراز: تؤثر الـ PSA على كيفية إفراز الدواء من الجسم. يمكن أن تؤثر على إفرازه في البول أو الصفراء.

لذلك، غالبًا ما يتم استخدام الـ PSA كأداة لفحص واختيار المركبات المرشحة للأدوية. من خلال تحليل الـ PSA، يمكن للباحثين التنبؤ بخصائص الدواء في الجسم، وتحسين تصميم الأدوية لزيادة فعاليتها وتقليل الآثار الجانبية.

حساب المساحة السطحية القطبية: الأساليب والبرامج

هناك العديد من الطرق والبرامج المتاحة لحساب المساحة السطحية القطبية. هذه الأساليب تتراوح من الحسابات اليدوية البسيطة إلى البرامج المعقدة التي تستخدم نماذج رياضية متقدمة.

• الحساب اليدوي: يمكن تقدير الـ PSA يدويًا باستخدام جداول البيانات والبيانات التجريبية. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة تستغرق وقتًا طويلاً وعرضة للأخطاء.
• البرامج الحسابية: تتوفر العديد من البرامج المتخصصة لحساب الـ PSA بسرعة ودقة. تشمل هذه البرامج:
• Open Babel: برنامج مفتوح المصدر لتحويل تنسيقات الملفات الكيميائية وتحليل البيانات.
• ChemDraw: برنامج شائع لرسم الجزيئات الكيميائية وحساب الخصائص الفيزيائية والكيميائية، بما في ذلك الـ PSA.
• Discovery Studio: برنامج متخصص في تصميم الأدوية، يوفر أدوات متقدمة لتحليل الجزيئات وحساب الـ PSA.
• SwissADME: واجهة ويب مجانية لتحسين امتصاص الأدوية وتوزيعها واستقلابها وإفرازها وسميتها (ADMET)

تستخدم هذه البرامج خوارزميات مختلفة لحساب الـ PSA، مثل طريقة Eisenberg و طريقة Weininger. تعتمد هذه الخوارزميات على بيانات تجريبية وأبعاد ذرية لتقدير مساحة السطح القطبية لكل ذرة. يتم تحديد الـ PSA للجزيء بأكمله عن طريق جمع مساحات السطح القطبية للذرات الفردية.

العوامل المؤثرة على المساحة السطحية القطبية

تتأثر المساحة السطحية القطبية بعدة عوامل، بما في ذلك:

• البنية الجزيئية: يساهم عدد ونوع الذرات القطبية في الجزيء بشكل كبير في قيمة الـ PSA.
• الروابط الكيميائية: نوع الروابط الكيميائية (مثل الروابط الأحادية، الثنائية، والثلاثية) يؤثر على توزيع الشحنات وقطبية الجزيء.
• التركيب الفراغي: يؤثر ترتيب الذرات في الفراغ (التركيب ثلاثي الأبعاد) على قيمة الـ PSA.
• البيئة: يمكن أن يؤثر المذيب المستخدم في التجارب على الـ PSA، خاصةً في حالة الجزيئات القابلة للتأين.

تطبيقات المساحة السطحية القطبية

تستخدم الـ PSA في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك:

• تصميم الأدوية: تستخدم الـ PSA في تصميم الأدوية لتحسين امتصاص الدواء وتوزيعه وفعاليته.
• تطوير المستحضرات الصيدلانية: تساعد الـ PSA في اختيار المواد الخام المناسبة لتصنيع الأدوية.
• علم السموم: تستخدم الـ PSA لتقييم سمية المركبات الكيميائية وتقدير قدرتها على اختراق الأغشية الخلوية.
• الكيمياء البيئية: تستخدم الـ PSA لتقييم سلوك الملوثات في البيئة.

المساحة السطحية القطبية مقابل لوغاريتم معامل التجزئة (log P)

غالبًا ما يتم استخدام الـ PSA جنبًا إلى جنب مع لوغاريتم معامل التجزئة (log P) في تصميم الأدوية. يمثل log P قياسًا لقابلية ذوبان الجزيء في الدهون، بينما تمثل الـ PSA قياسًا لقطبيته. كلاهما يوفر معلومات قيمة حول سلوك الدواء في الجسم.

بشكل عام، الأدوية ذات الـ PSA المنخفضة و log P المعتدل تميل إلى أن تكون لديها أفضل خصائص الامتصاص والتوزيع. ومع ذلك، يجب مراعاة عوامل أخرى مثل الاستقرار الكيميائي والسمية عند تصميم الأدوية.

قيود المساحة السطحية القطبية

على الرغم من أهميتها، هناك بعض القيود على استخدام الـ PSA:

• التبسيط: الـ PSA هو تبسيط لعملية معقدة. لا تأخذ في الاعتبار جميع العوامل التي تؤثر على سلوك الدواء في الجسم.
• الدقة: قد تختلف قيم الـ PSA المحسوبة اعتمادًا على البرنامج المستخدم.
• التعميم: قد لا تكون الـ PSA مفيدة لجميع أنواع الأدوية أو في جميع الحالات.

التوجهات المستقبلية

يشهد مجال المساحة السطحية القطبية تطورات مستمرة. يعمل الباحثون على تحسين دقة حسابات الـ PSA وتطوير نماذج أكثر تعقيدًا تأخذ في الاعتبار عوامل إضافية مثل تفاعلات الدواء مع البروتينات والأغشية الخلوية. بالإضافة إلى ذلك، يتم استكشاف استخدام الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة لتصميم الأدوية، مما يسمح بتنبؤات أكثر دقة لسلوك الأدوية في الجسم.

خاتمة

المساحة السطحية القطبية هي أداة قيمة في الكيمياء الطبية وعلوم الأدوية، حيث تساعد في فهم خصائص الدواء وتوقع سلوكه في الجسم. من خلال تحديد الذرات القطبية وحساب مساحاتها السطحية، يمكن للباحثين تقدير قدرة الدواء على اختراق الأغشية الخلوية وتحديد مدى تأثيره على عمليات ADME. على الرغم من بعض القيود، لا تزال الـ PSA أداة أساسية في تصميم الأدوية وتطويرها، وتساهم في تحسين فعالية الأدوية وسلامتها.

المراجع

• Lipinski CA, Lombardo F, Dominy BW, Feeney PJ. Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings. Adv Drug Deliv Rev. 2001;46:3–26.
• Ertl, P.; Rohde, B.; Selzer, P. Fast Calculation of Molecular Polar Surface Area as a Sum of Fragment-Based Contributions and Its Application to the Prediction of Drug Transport Properties. J. Med. Chem. 2000, 43, 3714–3720.
• Veber, D.F.; Johnson, S.R.; Cheng, H.-Y.; Smith, B.R.; Prato, P.; Corbett, T.H.; Kaplan, B.A. Molecular Properties That Influence the Oral Bioavailability of Drug Candidates. J. Med. Chem. 2002, 45, 2615–2623.
• Pires, D. E. V.; Blundell, T. L.; Ascher, D. B. pkCSM: Predicting Small-Molecule Pharmacokinetic Properties Using Graph-Based Signatures. J. Med. Chem. 2015, 58, 4066–4074.