Субстрат (химия)
В химии термин «субстрат» сильно зависит от контекста. [ 1 ] В широком смысле это может относиться либо к химическому виду, наблюдаемому в химической реакции , либо к поверхности, на которой другие химические реакции или микроскопия проводятся .
В первом смысле реагент добавляется к субстрату 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 ]
микроскопия
[ редактировать ]В трех наиболее распространенных нано- микроскопии методах : 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 ссылка ]
В особых случаях используются различные другие подложки для размещения самых разных образцов. Теплоизоляционные подложки необходимы, например, для АСМ графитовых чешуек, [ 5 ] и для ТЭМ необходимы проводящие подложки. В некоторых контекстах слово «субстрат» может использоваться для обозначения самого образца, а не твердой основы, на которой он помещен.
Спектроскопия
[ редактировать ]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 ]
Нанесение атомного слоя
[ редактировать ]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 разные субстраты, но они часто связывают реагенты с некоторым сродством, позволяя прилипать к субстрату. [ нужна ссылка ]
Субстрат последовательно подвергается воздействию различных реагентов и промывается между ними для удаления излишков. Подложка 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 ссылка ]
Биохимия
[ редактировать ]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 фермент-субстратный комплекс образуется . Субстрат трансформируется в один или несколько продуктов , которые затем высвобождаются из активного центра. Активный центр затем может принять другую молекулу субстрата. В случае 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.
- Э + С ⇌ ES → ЭП ⇌ Е + П
- Где E — фермент, S — субстрат, а P — продукт.
В то время как 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 .
Субстратная распущенность
[ редактировать ]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, в то время как 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 N наблюдается резкое увеличение содержания in vitro . -ацилтауринов (NAT) у животных, пораженных FAAH, но на самом деле они являются плохими субстратами FAAH [ 11 ]
Чувствительность
[ редактировать ]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 с сильными ингибиторами индекса данного метаболического пути в клинических исследованиях DDI. [ 12 ]
Взаимодействие между субстратами
[ редактировать ]Метаболизм с помощью одного и того же изофермента цитохрома P450 может привести к нескольким клинически значимым взаимодействиям между лекарствами. [ 13 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Субстрат ». дои : 10.1351/goldbook.S06082
- ^ Перейти обратно: а б «Подложки для АСМ, СТМ» . www.emsdiasum.com . Проверено 1 декабря 2019 г.
- ^ Хорняк, Г.Л.; Пешель, ул.; Савитовский, Т.; Шмид, Г. (1 апреля 1998 г.). «ТЕМ, СТМ и АСМ как инструменты изучения кластеров и коллоидов». Микрон . 29 (2): 183–190. дои : 10.1016/S0968-4328(97)00058-9 . ISSN 0968-4328 .
- ^ «Кремниевые пластины для АСМ, СТМ» . Электронно-микроскопические науки . Проверено 1 декабря 2019 г.
- ^ Чжан, Ханг; Хуан, Цзюньсян; Ван, Юнвэй; Лю, Руй; Хуай, Сюлань; Цзян, Цзинцзин; Анфузо, Шантель (01 января 2018 г.). «Атомно-силовая микроскопия двумерных материалов: обзор учебного пособия». Оптические коммуникации . Оптоэлектроника и фотоника на основе двумерных материалов. 406 : 3–17. дои : 10.1016/j.optcom.2017.05.015 . ISSN 0030-4018 .
- ^ «Держатели образцов – дифракция рентгеновских лучей» . Bruker.com . Проверено 1 декабря 2019 г.
- ^ Кларк, Кристин М.; Датроу, Барбара Л. «Монокристаллическая дифракция рентгеновских лучей» . Геохимические приборы и анализ .
- ^ Детавернье, Кристоф; Дендувен, Джолиен; Шри, Шрипрасант Пулинтанату; Людвиг, Карл Ф.; Мартенс, Йохан А. (17 октября 2011 г.). «Пошив нанопористых материалов методом атомно-слоевого осаждения». Обзоры химического общества . 40 (11): 5242–5253. дои : 10.1039/C1CS15091J . ISSN 1460-4744 . ПМИД 21695333 .
- ^ Се, Ци; Дэн, Шаорен; Шакерс, Марк; Лин, Деннис; Каймакс, Мэтти; Делаби, Аннелис; Цюй, Синь-Пин; Цзян, Ю-Лонг; Дедуйче, Дэви; Детавернье, Кристоф (22 июня 2012 г.). «Пассивация поверхности германия и осаждение атомного слоя диэлектриков с высоким k - учебный обзор МОП-конденсаторов на основе Ge». Полупроводниковая наука и технология . 27 (7): 074012. doi : 10.1088/0268-1242/27/7/074012 . ISSN 0268-1242 .
- ^ Краватт, Б.Ф.; Демарест, К.; Патриселли, член парламента; Брейси, Миннесота; Гаинг, ДК; Мартин, БР; Лихтман, А.Х. (2001). «Сверхчувствительность к анандамиду и усиление эндогенной передачи сигналов каннабиноидов у мышей, у которых отсутствует гидролаза амидов жирных кислот» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 98 (16): 9371–9376. Бибкод : 2001PNAS...98.9371C . дои : 10.1073/pnas.161191698 . ПМЦ 55427 . ПМИД 11470906 .
- ^ Сагателян А.; Траугер, SA; Хочу, Э.Дж.; Хокинс, Э.Г.; Сюздак, Г. ; Краватт, Б.Ф. (2004). «Отнесение эндогенных субстратов к ферментам с помощью глобального профилирования метаболитов». Биохимия . 43 (45): 14322–14339. CiteSeerX 10.1.1.334.206 . дои : 10.1021/bi0480335 . ПМИД 15533037 .
- ^ Перейти обратно: а б «Разработка лекарств и лекарственное взаимодействие: таблица субстратов, ингибиторов и индукторов» . Управление по контролю за продуктами и лекарствами США. 26 мая 2021 г.
- ^ Огу, CC; Макса, Дж.Л. (2000). «Лекарственное взаимодействие, обусловленное цитохромом Р450» . Труды (Университет Бэйлора. Медицинский центр) . 13 (4): 421–423. дои : 10.1080/08998280.2000.11927719 . ПМЦ 1312247 . ПМИД 16389357 .