Sustrato (química)

En química , el término sustrato depende en gran medida del contexto. ^[1] En términos generales, puede referirse a una especie química que se observa en una reacción química o a una superficie en la que se realizan otras reacciones químicas o microscopía .

En el primer sentido, se añade un reactivo al sustrato para generar un producto a través de una reacción química. El término se utiliza en un sentido similar en la química sintética y orgánica , donde el sustrato es la sustancia química de interés que se está modificando. En bioquímica , un sustrato enzimático es el material sobre el que actúa una enzima . Cuando se hace referencia al principio de Le Chatelier , el sustrato es el reactivo cuya concentración se modifica.

En este último sentido, puede referirse a una superficie sobre la que se realizan otras reacciones químicas o desempeña un papel de apoyo en una variedad de técnicas espectroscópicas y microscópicas, como se analiza en las primeras subsecciones a continuación. ^[2]

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] Por lo general, se utilizan obleas de plata, oro o silicio debido a su facilidad de fabricación y la falta de interferencias en los datos microscópicos. 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. ^{[ cita requerida ]}

En casos específicos se utilizan otros sustratos para dar cabida a una amplia variedad de muestras. Por ejemplo, se requieren sustratos con aislamiento térmico para la AFM de láminas de grafito ^[5] , y sustratos conductores para la 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.

Varias técnicas espectroscópicas también requieren que las muestras se monten sobre 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 interfiera con la recopilación de datos resultante. Los sustratos de silicio también se utilizan comúnmente debido a su naturaleza rentable y a la relativamente poca interferencia de datos en la recopilación 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 diferenciarse por fase. ^[7]

En la deposición de capas atómicas , el sustrato actúa como una superficie inicial sobre la que los reactivos pueden combinarse para construir con precisión estructuras químicas. ^{[8] [9]} 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. ^{[ cita requerida ]}

El sustrato se expone a diferentes reactivos de forma secuencial y se lava entre cada uno de ellos para eliminar el exceso. El sustrato es fundamental en esta técnica porque la primera capa necesita un lugar al que unirse de modo que no se pierda cuando se exponga al segundo o tercer conjunto de reactivos. ^{[ cita requerida ] [10]}

En bioquímica , el sustrato es una molécula sobre la que actúa una enzima . Las enzimas catalizan reacciones químicas que involucran al sustrato o sustratos. En el caso de un solo sustrato, el sustrato se une al 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 actúa sobre él una enzima. En 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. De manera similar, un sustrato se llama "fluorogénico" si da lugar a un producto fluorescente cuando actúa sobre él una enzima. ^{[ cita requerida ]}

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 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 llevan a cabo. Sin embargo, el sustrato o los sustratos se convierten en producto(s). Aquí, el peróxido de hidrógeno se convierte en agua y gas oxígeno.

E + S ⇌ ES → EP ⇌ E + P

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

Aunque el primer paso (unión) y el tercer paso (desunión) son, en general, reversibles , el paso intermedio puede ser irreversible (como en las reacciones de renina y catalasa recién mencionadas) 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 enzima se convierte en el factor limitante .

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 (por ejemplo, oxidación por citocromo p450 ) o puede tener un único sustrato nativo con un conjunto de sustratos no nativos 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, pueden no reflejar necesariamente los sustratos fisiológicos endógenos 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 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 endógeno in vivo para la FAAH. ^[11] En otro ejemplo, se observa que las N -acil taurinas (NAT) aumentan drásticamente en animales con la FAAH alterada, pero en realidad son sustratos deficientes para la FAAH in vitro . ^[12]

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

Los sustratos de sensibilidad moderada son fármacos que demuestran un aumento del AUC de ≥2 a <5 veces con inhibidores de índice potentes de una vía metabólica determinada en estudios clínicos de interacción farmacológica. ^[13]

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

• Reactivo limitante
• Análisis cinético del progreso de la reacción
• Solvente