В химии термин «субстрат» сильно зависит от контекста. [1] В широком смысле это может относиться либо к химическому веществу , наблюдаемому в химической реакции , либо к поверхности, на которой проводятся другие химические реакции или микроскопия .
В первом смысле к субстрату добавляется реагент для получения продукта в результате химической реакции. Этот термин используется в аналогичном смысле в синтетической и органической химии , где субстратом является интересующее химическое вещество, которое модифицируется. В биохимии ферментный субстрат — это материал, на который действует фермент . Говоря о принципе Ле Шателье , субстратом является реагент, концентрация которого изменяется.
В последнем смысле это может относиться к поверхности, на которой проводятся другие химические реакции, или играть вспомогательную роль в различных спектроскопических и микроскопических методах, как обсуждается в первых нескольких подразделах ниже. [2]
В трех наиболее распространенных методах нано- микроскопии : атомно-силовой микроскопии (АСМ), сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) для установки образца требуется подложка. Подложки часто тонкие и относительно свободны от химических свойств или дефектов. [3] Обычно используются серебряные, золотые или кремниевые пластины из-за простоты их изготовления и отсутствия влияния на данные микроскопии. Образцы наносятся на подложку тонкими слоями, где она может выступать в качестве прочной основы надежной толщины и пластичности. [2] [4] Гладкость подложки особенно важна для этих типов микроскопии, поскольку они чувствительны к очень небольшим изменениям высоты образца. [ нужна цитата ]
В особых случаях используются различные другие подложки для размещения самых разных образцов. Например, для АСМ чешуек графита необходимы теплоизоляционные подложки [5] , а для ТЭМ — проводящие подложки. В некоторых контекстах слово «субстрат» может использоваться для обозначения самого образца, а не твердой основы, на которой он помещен.
Различные спектроскопические методы также требуют установки образцов на подложки, например порошковая дифракция . Этот тип дифракции, который включает в себя направление мощных рентгеновских лучей на образцы порошка для выявления кристаллических структур, часто выполняется с аморфной подложкой, так что она не мешает сбору полученных данных. Кремниевые подложки также широко используются из-за их экономичности и относительно небольшого влияния на данные при сборе рентгеновских лучей. [6]
Монокристаллические подложки полезны при порошковой дифракции , поскольку их можно отличить от интересующего образца на дифракционных картинах путем дифференциации по фазам. [7]
При атомно-слоевом осаждении подложка действует как исходная поверхность, на которой реагенты могут объединяться для точного создания химических структур. [8] [9] В зависимости от интересующей реакции используются самые разнообразные субстраты, но они часто связывают реагенты с некоторым сродством, позволяя прилипать к субстрату. [ нужна цитата ]
Субстрат последовательно подвергается воздействию различных реагентов и промывается между ними для удаления излишков. Субстрат имеет решающее значение в этом методе, поскольку первому слою необходимо место для связывания, чтобы он не терялся при воздействии второго или третьего набора реагентов. [ нужна цитата ]
В биохимии субстратом называют молекулу , на которую действует фермент . Ферменты катализируют химические реакции с участием субстрата(ов). В случае одного субстрата субстрат связывается с активным центром фермента и образуется фермент-субстратный комплекс . Субстрат трансформируется в один или несколько продуктов , которые затем высвобождаются из активного центра. Активный центр затем может принять другую молекулу субстрата. В случае наличия более чем одного субстрата они могут связываться с активным центром в определенном порядке, прежде чем вступить в реакцию вместе с образованием продуктов. Субстрат называется хромогенным, если под действием фермента он дает окрашенный продукт. При гистологических исследованиях локализации ферментов окрашенный продукт действия фермента можно увидеть под микроскопом в тонких срезах биологических тканей. Точно так же субстрат называется «флуорогенным», если он дает флуоресцентный продукт под действием фермента.
Например, образование творога ( сычужная коагуляция) — это реакция, возникающая при добавлении фермента реннина в молоко. В этой реакции субстратом является молочный белок (например, казеин ), а ферментом — ренин. Продукты представляют собой два полипептида, образовавшиеся в результате расщепления более крупного пептидного субстрата. Другой пример — 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 газообразный кислород.
Хотя первая (связывание) и третья (несвязывание) стадии, как правило, обратимы , средняя стадия может быть необратимой (как в только что упомянутых реакциях ренина и каталазы) или обратимой (например, многие реакции метаболического пути гликолиза ).
При увеличении концентрации субстрата скорость реакции увеличится из-за вероятности увеличения количества фермент-субстратных комплексов; это происходит до тех пор, пока концентрация фермента не станет ограничивающим фактором .
Хотя ферменты обычно очень специфичны, некоторые из них способны осуществлять катализ более чем на одном субстрате — это свойство называется беспорядочностью ферментов . Фермент может иметь множество нативных субстратов и широкую специфичность (например, окисление цитохромом p450s ) или может иметь один нативный субстрат с набором аналогичных ненативных субстратов, которые он может катализировать с несколько меньшей скоростью. Субстраты, с которыми данный фермент может реагировать in vitro , в лабораторных условиях, не обязательно могут отражать физиологические, эндогенные субстраты реакций фермента in vivo . То есть ферменты не обязательно выполняют все реакции в организме, которые могут быть возможны в лаборатории. Например, хотя гидролаза амидов жирных кислот (FAAH) может гидролизовать эндоканнабиноиды 2-арахидоноилглицерин (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. [10] В другом примере наблюдается резкое увеличение содержания N -ацилтауринов (NAT) у животных, пораженных FAAH, но на самом деле они являются плохими субстратами FAAH in vitro . [11]
Чувствительные субстраты, также известные как субстраты чувствительного индекса, представляют собой лекарства, которые демонстрируют увеличение AUC в ≥5 раз с сильными ингибиторами индекса данного метаболического пути в клинических исследованиях взаимодействия лекарств (DDI). [12]
Субстратами с умеренной чувствительностью являются препараты, которые демонстрируют увеличение AUC от ≥2 до <5 раз при использовании сильных ингибиторов индекса данного метаболического пути в клинических исследованиях DDI. [12]
Метаболизм с помощью одного и того же изофермента цитохрома P450 может привести к нескольким клинически значимым взаимодействиям между лекарствами. [13]