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Sustrato (química)

En química , el término sustrato depende en gran medida del contexto. [ 1 ] En términos generales, puede referirse tanto a una especie química que se observa en una reacción quí...

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En química , el término sustrato depende en gran medida del contexto. [ 1 ] En términos generales, puede referirse tanto a una especie química que se observa en una reacción química como a una superficie sobre la que se realizan otras reacciones químicas o microscopía . En bioquímica , un sustrato enzimático es la molécula sobre la que actúa una enzima . En química sintética y orgánica , un sustrato es la sustancia química de interés que se está modificando. Se añade un reactivo al sustrato para generar un producto mediante una reacción química. Asimismo, el término sustrato puede referirse a una superficie sobre la que se realizan otras reacciones químicas o a una superficie que desempeña un papel de apoyo en diversas técnicas espectroscópicas y microscópicas. [ 2 ]

Microscopía

En tres de las técnicas de microscopía a nanoescala más comunes , la microscopía de fuerza atómica (AFM), la microscopía de efecto túnel (STM) y la microscopía electrónica de transmisión (TEM), se requiere un sustrato para el montaje de la muestra. Los sustratos suelen ser delgados y relativamente libres de características químicas o defectos. [ 3 ] Normalmente se utilizan obleas de plata, oro o silicio debido a su facilidad de fabricación y la falta de interferencia en los datos de microscopía. Las muestras se depositan sobre el sustrato en capas finas donde puede actuar como un soporte sólido de espesor y maleabilidad confiables. [ 2 ] [ 4 ] La suavidad del sustrato es especialmente importante para estos tipos de microscopía porque son sensibles a cambios muy pequeños en la altura de la muestra.

En casos específicos, se utilizan diversos sustratos para acomodar una amplia variedad de muestras. Por ejemplo, se requieren sustratos termoaislantes para la microscopía de fuerza atómica (AFM) de láminas de grafito [ 5 ] , y sustratos conductores para la microscopía electrónica de transmisión (TEM). En algunos contextos, el término «sustrato» puede referirse a la muestra en sí, en lugar del soporte sólido sobre el que se coloca.

Espectroscopia

Diversas técnicas espectroscópicas también requieren que las muestras se monten sobre sustratos, como la difracción de polvo . Este tipo de difracción, que consiste en dirigir rayos X de alta potencia hacia muestras de polvo para deducir estructuras cristalinas, se suele realizar con un sustrato amorfo para que no interfiera con la recolección de datos resultante. Los sustratos de silicio también se utilizan comúnmente debido a su bajo costo y a la escasa interferencia de datos en la recolección de rayos X. [ 6 ]

Los sustratos monocristalinos son útiles en la difracción de polvo porque se pueden distinguir de la muestra de interés en los patrones de difracción al diferenciarlos por fase. [ 7 ]

Deposición de capas atómicas

En la deposición de capas atómicas , el sustrato actúa como una superficie inicial sobre la cual los reactivos pueden combinarse para construir estructuras químicas con precisión. [ 8 ] [ 9 ] Se utiliza una amplia variedad de sustratos según la reacción de interés, pero con frecuencia estos unen los reactivos con cierta afinidad para permitir que se adhieran al sustrato.

El sustrato se expone a diferentes reactivos de forma secuencial y se lava entre cada paso para eliminar el exceso. El sustrato es fundamental en esta técnica porque la primera capa necesita un lugar al que adherirse para que no se pierda al exponerse al segundo o tercer conjunto de reactivos. [ 10 ]

Bioquímica

En bioquímica , el sustrato es una molécula sobre la cual actúa una enzima . Las enzimas catalizan reacciones químicas que involucran al o a los sustratos. En el caso de un solo sustrato, este se une al sitio activo de la enzima, formando un complejo enzima-sustrato . El sustrato se transforma en uno o más productos , que luego se liberan del sitio activo. El sitio activo queda entonces libre para aceptar otra molécula de sustrato. En el caso de más de un sustrato, estos pueden unirse al sitio activo en un orden específico antes de reaccionar entre sí para producir productos. Un sustrato se denomina "cromógeno" si produce un producto coloreado al ser sometido a la acción de una enzima. En estudios histológicos de localización enzimática, el producto coloreado de la acción enzimática puede observarse al microscopio en cortes finos de tejidos biológicos. De manera similar, un sustrato se denomina "fluorogénico" si produce un producto fluorescente al ser sometido a la acción de una enzima.

Por ejemplo, la formación de cuajada ( coagulación con cuajo ) es una reacción que ocurre al añadir la enzima renina a la leche. En esta reacción, el sustrato es una proteína de la leche (p. ej., caseína ) y la enzima es la renina. Los productos son dos polipéptidos que se han formado por la escisión del sustrato peptídico más grande. Otro ejemplo es la descomposición química del peróxido de hidrógeno llevada a cabo por la enzima catalasa . Como las enzimas son catalizadores , no se modifican por las reacciones que realizan. Sin embargo, el o los sustratos se convierten en productos. En este caso, el peróxido de hidrógeno se convierte en agua y oxígeno gaseoso.

E + S ⇌ ES → EP ⇌ E + P
  • Donde E es la enzima, S es el sustrato y P es el producto.

Si bien el primer paso (unión) y el tercer paso (disociación) son, en general, reversibles , el paso intermedio puede ser irreversible (como en las reacciones de la renina y la catalasa que acabamos de mencionar) o reversible (por ejemplo, muchas reacciones en la vía metabólica de la glucólisis ).

Al aumentar la concentración del sustrato, la velocidad de reacción aumentará debido a la probabilidad de que aumente el número de complejos enzima-sustrato; esto ocurre hasta que la concentración de la enzima se convierte en el factor limitante .

promiscuidad del sustrato

Aunque las enzimas suelen ser muy específicas, algunas pueden catalizar más de un sustrato, una propiedad denominada promiscuidad enzimática . Una enzima puede tener muchos sustratos naturales y una especificidad amplia (por ejemplo, la oxidación por citocromo P450 ) o bien un único sustrato natural junto con un conjunto de sustratos no naturales similares que puede catalizar a una velocidad menor. Los sustratos con los que una enzima determinada puede reaccionar in vitro , en un entorno de laboratorio, no necesariamente reflejan los sustratos fisiológicos endógenos de las reacciones de la enzima in vivo . Es decir, las enzimas no necesariamente realizan todas las reacciones en el organismo que podrían ser posibles en el laboratorio. Por ejemplo, mientras que la amida hidrolasa de ácidos grasos (FAAH) puede hidrolizar los endocannabinoides 2-araquidonilglicerol (2-AG) y anandamida a velocidades comparables in vitro , la alteración genética o farmacológica de la FAAH eleva la anandamida pero no el 2-AG, lo que sugiere que el 2-AG no es un sustrato endógeno in vivo para la FAAH. [ 11 ] En otro ejemplo, se observa que las N -acil taurinas (NAT) aumentan drásticamente en animales con FAAH alterada, pero en realidad son sustratos pobres de la FAAH in vitro . [ 12 ]

Sensibilidad

Los sustratos sensibles , también conocidos como sustratos índice sensibles , son fármacos que demuestran un aumento en el AUC de ≥5 veces con inhibidores índice fuertes de una vía metabólica determinada en estudios clínicos de interacción farmacológica (DDI). [ 13 ]

Los sustratos moderadamente sensibles son fármacos que demuestran un aumento en el AUC de ≥2 a <5 veces con inhibidores de índice fuerte de una vía metabólica determinada en estudios clínicos de interacciones farmacológicas. [ 13 ]

Interacción entre sustratos

El metabolismo por la misma isoenzima del citocromo P450 puede dar lugar a varias interacciones farmacológicas clínicamente significativas. [ 14 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ IUPAC , Compendio de Terminología Química , 5.ª ed. (el "Libro de Oro") (2025). Versión en línea: (2006 – ) " sustrato ". doi : 10.1351/goldbook.S06082
  2. 1 2 "Sustratos para AFM, STM" . www.emsdiasum.com . Archivado del original el 16 de agosto de 2022. Consultado el 1 de diciembre de 2019 .
  3. ↑ Hornyak, GL; Peschel, St.; Sawitowski, Th.; Schmid, G. (1998-04-01). "TEM, STM y AFM como herramientas para estudiar cúmulos y coloides". Micron . 29 (2): 183– 190. doi : 10.1016/S0968-4328(97)00058-9 . ISSN 0968-4328 . 
  4. ↑ "Obleas de silicio para AFM, STM" . Ciencias de la microscopía electrónica . Archivado del original el 18 de marzo de 2022. Consultado el 1 de diciembre de 2019 .
  5. ↑ Zhang, Hang; Huang, Junxiang; Wang, Yongwei; Liu, Rui; Huai, Xiulan; Jiang, Jingjing; Anfuso, Chantelle (2018-01-01). "Microscopía de fuerza atómica para materiales bidimensionales: una revisión tutorial". Optics Communications . Optoelectrónica y fotónica basadas en materiales bidimensionales. 406 : 3–17 . Bibcode : 2018OptCo.406....3Z . doi : 10.1016/j.optcom.2017.05.015 . ISSN 0030-4018 . 
  6. ↑ "Portamuestras - Difracción de rayos X" . Bruker.com . Consultado el 1 de diciembre de 2019 .
  7. ↑ Clark, Christine M.; Dutrow, Barbara L. "Difracción de rayos X de monocristal" . Instrumentación y análisis geoquímicos .
  8. ↑ Detavernier, Christophe; Dendooven, Jolien; Sree, Sreeprasanth Pulinthanathu; Ludwig, Karl F.; Martens, Johan A. (2011-10-17). "Diseño de materiales nanoporosos mediante deposición de capas atómicas". 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 (22-06-2012). "Pasivación de superficie de germanio y deposición de capa atómica de dieléctricos de alta k: una revisión tutorial sobre condensadores MOS basados ​​en Ge". Semiconductor Science and Technology . 27 (7) 074012. Bibcode : 2012SeScT..27g4012X . doi : 10.1088/0268-1242/27/7/074012 . ISSN 0268-1242 . 
  10. ↑ Sennepin, Alexis D.; Charpentier, Stéphane; Normand, Thierry; Sarré, Cédric; Legrand, Alain; Mollet, Lucile M. (2009-10-01). "Reanálisis múltiple de Western blots tras la inactivación de la actividad de la peroxidasa por su sustrato, el peróxido de hidrógeno" . Analytical Biochemistry . 393 (1): 129– 131. doi : 10.1016/j.ab.2009.06.004 . ISSN 0003-2697 . PMID 19523435 .  
  11. ↑ Cravatt, BF; Demarest, K.; Patricelli, MP; Bracey, MH; Gaing, DK; Martin, BR; Lichtman, AH (2001). "Hipersensibilidad a la anandamida y señalización cannabinoide endógena mejorada en ratones que carecen de hidrolasa de amida de ácidos grasos" . 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). "Asignación de sustratos endógenos a enzimas mediante perfilado global de metabolitos". Biochemistry . 43 (45): 14322– 14339. CiteSeerX 10.1.1.334.206 . doi : 10.1021/bi0480335 . PMID 15533037 .  
  13. 1 2 "Desarrollo de fármacos e interacciones farmacológicas: tabla de sustratos, inhibidores e inductores" . Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. 26 de mayo de 2021. Archivado del original el 9 de julio de 2009.
  14. ↑ Ogu, CC; Maxa, JL (2000). "Interacciones farmacológicas debidas al citocromo P450" . Actas (Centro Médico de la Universidad de Baylor) . 13 ( 4): 421– 423. doi : 10.1080/08998280.2000.11927719 . PMC 1312247. PMID 16389357 .