В химии термин «субстрат» сильно зависит от контекста. [1] В широком смысле он может относиться либо к химическому веществу , наблюдаемому в химической реакции , либо к поверхности, на которой проводятся другие химические реакции или микроскопия .
В первом смысле реагент добавляется к субстрату для получения продукта посредством химической реакции. Термин используется в аналогичном смысле в синтетической и органической химии , где субстратом является интересующее химическое вещество, которое модифицируется. В биохимии субстрат фермента — это материал, на который действует фермент . При ссылке на принцип Ле Шателье субстрат — это реагент, концентрация которого изменяется.
В последнем смысле это может относиться к поверхности, на которой выполняются другие химические реакции или которая играет вспомогательную роль в различных спектроскопических и микроскопических методах, как обсуждается в первых нескольких подразделах ниже. [2]
В трех наиболее распространенных методах микроскопии в наномасштабе , атомно-силовой микроскопии (АСМ), сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), для монтажа образца требуется подложка. Подложки часто тонкие и относительно свободны от химических особенностей или дефектов. [3] Обычно используются серебряные, золотые или кремниевые пластины из-за простоты их изготовления и отсутствия помех в данных микроскопии. Образцы наносятся на подложку тонкими слоями, где она может выступать в качестве твердой опоры надежной толщины и пластичности. [2] [4] Гладкость подложки особенно важна для этих типов микроскопии, поскольку они чувствительны к очень небольшим изменениям высоты образца. [ необходима цитата ]
Различные другие подложки используются в особых случаях для размещения широкого спектра образцов. Например, для АСМ графитовых чешуек требуются теплоизолирующие подложки [5] , а для ТЭМ требуются проводящие подложки. В некоторых контекстах слово «подложка» может использоваться для обозначения самого образца, а не твердой подложки, на которой он размещен.
Различные спектроскопические методы также требуют установки образцов на подложки, например, порошковая дифракция . Этот тип дифракции, который включает направление мощных рентгеновских лучей на порошковые образцы для определения кристаллических структур, часто выполняется с аморфной подложкой, так что она не мешает получению данных. Кремниевые подложки также широко используются из-за их экономичной природы и относительно небольшого вмешательства в данные при сборе рентгеновских лучей. [6]
Монокристаллические подложки полезны в порошковой дифракции , поскольку их можно отличить от исследуемого образца по дифракционным картинам за счет дифференциации по фазе. [7]
При атомно-слоевом осаждении подложка действует как начальная поверхность, на которой реагенты могут объединяться для точного построения химических структур. [8] [9] В зависимости от интересующей реакции используется широкий спектр подложек, но они часто связывают реагенты с некоторым сродством, что позволяет им прилипать к подложке. [ необходима ссылка ]
Субстрат подвергается последовательному воздействию различных реагентов и промывается между ними для удаления излишков. Субстрат имеет решающее значение в этой технике, поскольку первому слою необходимо место для связывания, чтобы он не терялся при воздействии второго или третьего набора реагентов. [ необходима цитата ] [10]
В биохимии субстрат — это молекула , на которую действует фермент . Ферменты катализируют химические реакции с участием субстрата(ов). В случае одного субстрата субстрат связывается с активным центром фермента , и образуется комплекс фермент-субстрат . Субстрат преобразуется в один или несколько продуктов , которые затем высвобождаются из активного центра. Затем активный центр свободен для принятия другой молекулы субстрата. В случае более чем одного субстрата они могут связываться в определенном порядке с активным центром, прежде чем реагировать друг с другом, производя продукты. Субстрат называется «хромогенным», если он дает начало окрашенному продукту при воздействии на него фермента. В гистологических исследованиях локализации фермента окрашенный продукт действия фермента можно увидеть под микроскопом в тонких срезах биологических тканей. Аналогично, субстрат называется «флуорогенным», если он дает начало флуоресцентному продукту при воздействии на него фермента. [ необходима цитата ]
Например, образование творога ( сычужная коагуляция) — это реакция, которая происходит при добавлении фермента реннина к молоку. В этой реакции субстратом является молочный белок (например, казеин ), а ферментом — реннин. Продуктами являются два полипептида, которые были образованы путем расщепления более крупного пептидного субстрата. Другим примером является химическое разложение перекиси водорода , осуществляемое ферментом каталазой . Поскольку ферменты являются катализаторами , они не изменяются в результате реакций, которые они проводят. Однако субстрат(ы) преобразуются в продукт(ы). Здесь перекись водорода преобразуется в воду и кислород.
В то время как первый (связывание) и третий (разъединение) этапы, как правило, обратимы , средний этап может быть необратимым (как в только что упомянутых реакциях ренина и каталазы) или обратимым (например, многие реакции в метаболическом пути гликолиза ).
При увеличении концентрации субстрата скорость реакции будет увеличиваться из-за вероятности увеличения количества комплексов фермент-субстрат; это происходит до тех пор, пока концентрация фермента не станет ограничивающим фактором .
Хотя ферменты обычно высокоспецифичны, некоторые из них способны выполнять катализ на более чем одном субстрате, свойство, называемое ферментной промискуитетом . Фермент может иметь много собственных субстратов и широкую специфичность (например, окисление цитохромом p450s ) или он может иметь один собственный субстрат с набором похожих ненативных субстратов, которые он может катализировать с некоторой более низкой скоростью. Субстраты, с которыми данный фермент может реагировать in vitro , в лабораторных условиях, не обязательно отражают физиологические, эндогенные субстраты реакций фермента in vivo . То есть ферменты не обязательно выполняют все реакции в организме, которые могут быть возможны в лаборатории. Например, в то время как гидролаза амида жирных кислот (FAAH) может гидролизовать эндоканнабиноиды 2-арахидоноилглицерол (2-AG) и анандамид с сопоставимой скоростью in vitro , генетическое или фармакологическое нарушение FAAH повышает уровень анандамида, но не 2-AG, что позволяет предположить, что 2-AG не является эндогенным субстратом in vivo для FAAH. [11] В другом примере наблюдается резкое увеличение N -ацилтауринов (NAT) у животных с нарушенным FAAH, но на самом деле они являются плохими субстратами FAAH in vitro . [12]
Чувствительные субстраты, также известные как чувствительные индексные субстраты, представляют собой препараты, которые демонстрируют увеличение AUC в ≥5 раз с сильными индексными ингибиторами данного метаболического пути в клинических исследованиях лекарственного взаимодействия (ЛВ). [13]
Умеренно чувствительные субстраты — это препараты, которые демонстрируют увеличение AUC от ≥2 до <5 раз с сильными ингибиторами индекса данного метаболического пути в клинических исследованиях ЛВ. [13]
Метаболизм одного и того же изофермента цитохрома P450 может привести к нескольким клинически значимым лекарственным взаимодействиям. [14]