Sustrato

En química, un sustrato es típicamente la especie química que se observa en una reacción química, que reacciona con un reactivo para generar un producto. También puede referirse a una superficie en la que se realizan otras reacciones químicas o desempeñar un papel de apoyo en una variedad de técnicas espectroscópicas y microscópicas. En química orgánica y sintética, el sustrato es la sustancia química de interés que se modifica. En bioquímica, un sustrato enzimático es el material sobre el que actúa una enzima. Al referirse al principio de Le Chatelier, el sustrato es el reactivo cuya concentración se cambia. El término sustrato depende en gran medida del contexto.

Microscopía

En tres de las técnicas de microscopía a nanoescala más comunes, la microscopía de fuerza atómica (AFM), la microscopía de túnel de barrido (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 o defectos químicos. Por lo general, se utilizan obleas de plata, oro o silicio debido a su facilidad de fabricación y la falta de interferencia en los datos microscópicos. Las muestras se depositan sobre el sustrato en finas capas donde puede actuar como un soporte sólido de espesor y maleabilidad confiables. La suavidad del sustrato es especialmente importante para este tipo de microscopía porque son sensibles a cambios muy pequeños en la altura de la muestra.

Varios otros sustratos se utilizan en casos específicos para adaptarse a una amplia variedad de muestras. Se requieren sustratos de aislamiento térmico para AFM de escamas de grafito, por ejemplo, y se requieren sustratos conductores para TEM. En algunos contextos, la palabra sustrato se puede utilizar para referirse a la muestra en sí, en lugar del soporte sólido sobre el que se coloca.

Espectroscopia

Varias técnicas espectroscópicas también requieren que las muestras se monten en sustratos como la difracción de polvo. Este tipo de difracción, que implica dirigir rayos X de alta potencia a muestras de polvo para deducir estructuras cristalinas, a menudo se realiza con un sustrato amorfo de modo que no interfiere con la recopilación de datos resultante. Los sustratos de silicio también se usan comúnmente debido a su naturaleza rentable y su relativamente poca interferencia de datos en la recolección de rayos X.

Los sustratos monocristalinos son útiles en la difracción de polvo porque se distinguen de la muestra de interés en los patrones de difracción al diferenciarse por fase.

Deposición de capa atómica

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. Se utiliza una amplia variedad de sustratos según la reacción de interés, pero con frecuencia se unen a los reactivos con cierta afinidad para permitir que se adhieran al sustrato.

El sustrato se expone secuencialmente a diferentes reactivos y se lava entre ellos para eliminar el exceso. Un sustrato es fundamental en esta técnica porque la primera capa necesita un lugar para unirse de modo que no se pierda cuando se expone al segundo o tercer conjunto de reactivos.

Bioquímica

En bioquímica, el sustrato es una molécula sobre la que actúa una enzima. Las enzimas catalizan reacciones químicas en las que intervienen los sustratos. En el caso de un solo sustrato, el sustrato se une con el sitio activo de la enzima y se forma 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 en un orden particular al sitio activo, antes de reaccionar juntos para producir productos. Un sustrato se llama 'cromogénico' si da lugar a un producto coloreado cuando una enzima actúa sobre él. En los estudios histológicos de localización de enzimas, el producto coloreado de la acción de la enzima se puede ver bajo un microscopio, en secciones delgadas de tejidos biológicos. Similarmente,

Por ejemplo, la formación de cuajada (coagulación del cuajo) es una reacción que ocurre al agregar la enzima renina a la leche. En esta reacción, el sustrato es una proteína de leche (p. ej., caseína) y la enzima es 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 llevan a cabo. Sin embargo, el (los) sustrato (s) se convierte (n) en producto (s). Aquí, el peróxido de hidrógeno se convierte en agua y oxígeno gaseoso.E + S ⇌ ES → EP ⇌ E + P

• Donde E es enzima, S es sustrato y P es producto

Mientras que el primer paso (unión) y el tercero (desunión) son, en general, reversibles, el paso intermedio puede ser irreversible (como en las reacciones de renina y catalasa que se acaban de mencionar) o reversible (p. ej., muchas reacciones en la vía metabólica de la glucólisis).

Al aumentar la concentración de 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 enzima se convierte en el factor limitante.

Promiscuidad de sustrato

Aunque las enzimas suelen ser muy específicas, algunas pueden realizar catálisis en más de un sustrato, una propiedad denominada promiscuidad enzimática. Una enzima puede tener muchos sustratos nativos y una amplia especificidad (p. ej., oxidación por el citocromo p450s) o puede tener un solo sustrato nativo con un conjunto de sustratos no nativos similares que puede catalizar a una velocidad menor. Los sustratos con los que una determinada enzima puede reaccionar in vitro, en un entorno de laboratorio, pueden no reflejar necesariamente los sustratos endógenos fisiológicos de las reacciones de la enzima in vivo.. Es decir, las enzimas no necesariamente realizan todas las reacciones en el cuerpo que pueden ser posibles en el laboratorio. Por ejemplo, mientras que la amida hidrolasa de ácidos grasos (FAAH) puede hidrolizar los endocannabinoides 2-araquidonoilglicerol (2-AG) y la anandamida a tasas 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 in vivo endógeno para FAAH. En otro ejemplo, se observa que las N -acil taurinas (NAT) aumentan drásticamente en animales con alteraciones de FAAH, pero en realidad son sustratos pobres de FAAH in vitro.

Sensibilidad

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

Los sustratos de sensibilidad moderada son fármacos que demuestran un aumento en el AUC de ≥2 a <5 veces con inhibidores de índice potentes de una vía metabólica determinada en estudios clínicos de DDI.

Interacción entre sustratos

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