stringtranslate.com

Субстрат (химия)

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]

Микроскопия

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.

Спектроскопия

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]

Атомно-слоевое осаждение

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]

Биохимия

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.

Э + С ⇌ ЭС → ЭП ⇌ Э + П

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 .

Неразборчивость субстрата

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]

Чувствительность

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]

Взаимодействие между субстратами

Метаболизм одного и того же изофермента цитохрома P450 может привести к нескольким клинически значимым лекарственным взаимодействиям. [14]


Смотрите также

Ссылки

  1. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «субстрат». doi :10.1351/goldbook.S06082
  2. ^ ab "Подложки для АСМ, СТМ". www.emsdiasum.com . Получено 01.12.2019 .
  3. ^ Хорняк, Г.Л.; Пешель, Ст.; Савитовски, Т.; Шмид, Г. (1998-04-01). «ТЭМ, СТМ и АСМ как инструменты для изучения кластеров и коллоидов». Micron . 29 (2): 183–190. doi :10.1016/S0968-4328(97)00058-9. ISSN  0968-4328.
  4. ^ "Кремниевые пластины для АСМ, СТМ". Науки об электронной микроскопии . Получено 01.12.2019 .
  5. ^ Чжан, Ханг; Хуан, Цзюньсян; Ван, Юнвэй; Лю, Руй; Хуай, Сюлань; Цзян, Цзинцзин; Анфусо, Шантель (2018-01-01). «Атомно-силовая микроскопия для двумерных материалов: обзор учебного пособия». Optics Communications . Оптоэлектроника и фотоника на основе двумерных материалов. 406 : 3–17. doi :10.1016/j.optcom.2017.05.015. ISSN  0030-4018.
  6. ^ "Держатели образцов - Рентгеновская дифракция". Bruker.com . Получено 01.12.2019 .
  7. ^ Кларк, Кристин М.; Датроу, Барбара Л. «Дифракция рентгеновских лучей на монокристаллах». Геохимическое приборостроение и анализ .
  8. ^ Детавернье, Кристоф; Дендувен, Джолиен; Шри, Шрипрасант Пулинтанату; Людвиг, Карл Ф.; Мартенс, Йохан А. (2011-10-17). «Подгонка нанопористых материалов методом атомно-слоевого осаждения». Chemical Society Reviews . 40 (11): 5242–5253. doi :10.1039/C1CS15091J. ISSN  1460-4744. PMID  21695333.
  9. ^ Xie, Qi; Deng, Shaoren; Schaekers, Marc; Lin, Dennis; Caymax, Matty; Delabie, Annelies; Qu, Xin-Ping; Jiang, Yu-Long; Deduytsche, Davy; Detavernier, Christophe (2012-06-22). "Пассивация поверхности германия и осаждение атомного слоя на диэлектриках с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости — учебный обзор по конденсаторам МОП на основе германия". Semiconductor Science and Technology . 27 (7): 074012. doi :10.1088/0268-1242/27/7/074012. ISSN  0268-1242.
  10. ^ Сеннепин, Алексис Д.; Шарпантье, Стефан; Норман, Тьерри; Сарре, Седрик; Легран, Ален; Молле, Люсиль М. (2009-10-01). «Множественное повторное зондирование вестерн-блотов после инактивации активности пероксидазы ее субстратом, перекисью водорода». Аналитическая биохимия . 393 (1): 129–131. doi :10.1016/j.ab.2009.06.004. ISSN  0003-2697.
  11. ^ Cravatt, BF; Demarest, K.; Patricelli, MP; Bracey, MH; Gaing, DK; Martin, BR; Lichtman, AH (2001). «Сверхчувствительность к анандамиду и усиленная эндогенная сигнализация каннабиноидов у мышей с отсутствием гидролазы амида жирных кислот». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 98 (16): 9371–9376. Bibcode : 2001PNAS...98.9371C. doi : 10.1073 /pnas.161191698 . PMC 55427. PMID  11470906. 
  12. ^ Saghatelian, A.; Trauger, SA; Want, EJ; Hawkins, EG; Siuzdak, G .; Cravatt, BF (2004). «Назначение эндогенных субстратов ферментам с помощью глобального профилирования метаболитов». Biochemistry . 43 (45): 14322–14339. CiteSeerX 10.1.1.334.206 . doi :10.1021/bi0480335. PMID  15533037. 
  13. ^ ab «Разработка лекарств и лекарственные взаимодействия: таблица субстратов, ингибиторов и индукторов». Управление по контролю за продуктами и лекарствами США. 26 мая 2021 г.
  14. ^ Огу, CC; Макса, JL (2000). «Взаимодействие лекарственных средств, вызванное цитохромом P450». Труды (Университет Бейлора. Медицинский центр) . 13 (4): 421–423. doi :10.1080/08998280.2000.11927719. PMC 1312247. PMID  16389357 .