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 sobre la cual se realizan otras reacciones químicas o microscopía .
En el primer sentido, se añade un reactivo al sustrato para generar un producto mediante una reacción química. El término se utiliza en sentido similar en 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 cambia.
En el último sentido, puede referirse a una superficie sobre la cual 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 o defectos químicos. [3] Normalmente se utilizan obleas de plata, oro o silicio debido a su facilidad de fabricación y a la falta de interferencia en los datos microscópicos. Las muestras se depositan sobre el sustrato en capas finas donde pueden 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 necesaria ]
En casos específicos se utilizan otros sustratos para acomodar una amplia variedad de muestras. Se requieren sustratos térmicamente aislantes para AFM de escamas de grafito, por ejemplo, [5] y sustratos conductores para TEM. En algunos contextos, la palabra sustrato puede usarse para referirse a la muestra misma, 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 su relativamente poca interferencia de datos en la recolección de rayos X. [6]
Los sustratos monocristalinos son útiles en la difracción de polvos porque se distinguen de la muestra de interés en los patrones de difracción al diferenciarlos por fase. [7]
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 dependiendo de la reacción de interés, pero con frecuencia se unen a los reactivos con cierta afinidad para permitir que se adhieran al sustrato. [ cita necesaria ]
El sustrato se expone a diferentes reactivos secuencialmente y se lava entremedio para eliminar el exceso. Un sustrato es fundamental en esta técnica porque la primera capa necesita un lugar al que unirse de modo que no se pierda cuando se expone al segundo o tercer conjunto de reactivos. [ cita necesaria ]
En bioquímica , el sustrato es una molécula sobre la que actúa una enzima . Las enzimas catalizan reacciones químicas que involucran al sustrato. 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 denomina "cromógeno" si da lugar a un producto coloreado cuando actúa una enzima. En los estudios histológicos de localización de enzimas, el producto coloreado de la acción de la enzima se puede observar bajo un microscopio, en secciones delgadas de tejidos biológicos. De manera similar, un sustrato se denomina "fluorogénico" si da lugar a un producto fluorescente cuando actúa sobre él una enzima.
Por ejemplo, la formación de cuajada ( coagulación del cuajo ) es una reacción que se produce al agregar la enzima renino a la leche. En esta reacción, el sustrato es una proteína de la leche (p. ej., caseína ) y la enzima es el renino. Los productos son dos polipéptidos que se han formado mediante 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.
Si bien 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 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 .
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 el 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 determinada enzima puede reaccionar in vitro , en un entorno de laboratorio, pueden no reflejar necesariamente los sustratos endógenos y fisiológicos de las reacciones de la enzima in vivo . Es decir que 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 ácido graso (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 la 2-AG, lo que sugiere que la 2-AG no es un sustrato endógeno in vivo para FAAH. [10] En otro ejemplo, se observa que las N -acil taurinas (NAT) aumentan dramáticamente en animales alterados por FAAH, pero en realidad son sustratos pobres de FAAH in vitro . [11]
Los sustratos sensibles, también conocidos como sustratos índice sensibles , son fármacos que demuestran un aumento del AUC de ≥5 veces con inhibidores índice potentes de una vía metabólica determinada en estudios clínicos de interacción farmacológica (DDI). [12]
Los sustratos sensibles moderadamente son fármacos que demuestran un aumento del AUC de ≥2 a <5 veces con inhibidores potentes del índice de una vía metabólica determinada en estudios clínicos de DDI. [12]
El metabolismo por la misma isoenzima del citocromo P450 puede dar lugar a varias interacciones farmacológicas clínicamente significativas. [13]