In der Biochemie ist das Substrat ein Molekül, auf das ein Enzym wirkt. Enzyme katalysieren chemische Reaktionen, an denen das oder die Substrate beteiligt sind. Im Falle eines einzelnen Substrats bindet das Substrat an die aktive Stelle des Enzyms, und es bildet sich ein Enzym-Substrat-Komplex. Das Substrat wird in ein oder mehrere Produkte umgewandelt, die dann von der aktiven Stelle freigesetzt werden. Die aktive Stelle ist dann frei für die Aufnahme eines weiteren Substratmoleküls. Im Falle von mehr als einem Substrat können diese in einer bestimmten Reihenfolge an das aktive Zentrum binden, bevor sie miteinander reagieren, um Produkte zu erzeugen. Ein Substrat wird als „chromogen“ bezeichnet, wenn es bei Einwirkung eines Enzyms ein farbiges Produkt erzeugt. In histologischen Studien zur Enzymlokalisierung kann das farbige Produkt der Enzymwirkung unter dem Mikroskop in Dünnschnitten von biologischem Gewebe betrachtet werden. In ähnlicher Weise wird ein Substrat als „fluorogen“ bezeichnet, wenn es bei Einwirkung eines Enzyms ein fluoreszierendes Produkt erzeugt.
Zum Beispiel ist die Quarkbildung (Labgerinnung) eine Reaktion, die bei Zugabe des Enzyms Lab zu Milch stattfindet. Bei dieser Reaktion ist das Substrat ein Milchprotein (z. B. Kasein) und das Enzym das Lab. Die Produkte sind zwei Polypeptide, die durch die Spaltung des größeren Peptidsubstrats entstanden sind. Ein weiteres Beispiel ist die chemische Zersetzung von Wasserstoffperoxid, die durch das Enzym Katalase durchgeführt wird. Da Enzyme Katalysatoren sind, werden sie durch die Reaktionen, die sie durchführen, nicht verändert. Das/die Substrat(e) wird/werden jedoch in Produkt(e) umgewandelt. Hier wird Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoffgas umgewandelt.
E + S ↽ – – ⇀ ES ⟶ EP ↽ – – ⇀ E + P {\displaystyle {\ce {{E}+ S <> ES -> EP <> {E}+ P}}
- Wobei E das Enzym, S das Substrat und P das Produkt ist
Während der erste (Bindung) und dritte (Entbindung) Schritt, im Allgemeinen reversibel sind, kann der mittlere Schritt irreversibel (wie bei den gerade erwähnten Reaktionen von Lab und Katalase) oder reversibel (z. B. viele Reaktionen bei der Glykolbildung) sein.z. B. viele Reaktionen im Glykolyse-Stoffwechselweg).
Mit zunehmender Substratkonzentration steigt die Reaktionsgeschwindigkeit, da die Anzahl der Enzym-Substrat-Komplexe zunimmt; dies geschieht so lange, bis die Enzymkonzentration zum limitierenden Faktor wird.
Substrat-PromiskuitätBearbeiten
Obwohl Enzyme typischerweise hochspezifisch sind, sind einige in der Lage, die Katalyse an mehr als einem Substrat durchzuführen, eine Eigenschaft, die als Enzym-Promiskuität bezeichnet wird. Ein Enzym kann viele native Substrate und eine breite Spezifität haben (z. B. Oxidation durch Cytochrom p450s) oder es kann ein einziges natives Substrat mit einer Reihe ähnlicher nicht-nativer Substrate haben, die es mit einer niedrigeren Rate katalysieren kann. Die Substrate, mit denen ein bestimmtes Enzym in vitro, in einer Laborumgebung, reagieren kann, spiegeln nicht unbedingt die physiologischen, endogenen Substrate der Reaktionen des Enzyms in vivo wider. Das heißt, dass Enzyme nicht unbedingt alle Reaktionen im Körper durchführen, die im Labor möglich sind. Zum Beispiel kann die Fettsäureamidhydrolase (FAAH) zwar die Endocannabinoide 2-Arachidonoylglycerol (2-AG) und Anandamid in vitro mit vergleichbaren Raten hydrolysieren, aber eine genetische oder pharmakologische Störung der FAAH erhöht Anandamid, aber nicht 2-AG, was darauf hindeutet, dass 2-AG kein endogenes In-vivo-Substrat für FAAH ist. In einem anderen Beispiel wird beobachtet, dass die N-Acyltaurine (NATs) in FAAH-gestörten Tieren dramatisch ansteigen, aber eigentlich schlechte in vitro FAAH-Substrate sind.
SensitivEdit
Sensitive Substrate, auch bekannt als sensitive Index-Substrate, sind Medikamente, die in klinischen Drug-Drug-Interaction (DDI)-Studien mit starken Index-Inhibitoren eines bestimmten Stoffwechselweges einen Anstieg der AUC um das ≥5-Fache zeigen.
Mäßig empfindliche Substrate sind Medikamente, die in klinischen DDI-Studien einen Anstieg der AUC von ≥2 bis <5-fach mit starken Index-Inhibitoren eines gegebenen Stoffwechselweges zeigen.
Wechselwirkung zwischen SubstratenBearbeiten
Der Stoffwechsel durch dasselbe Cytochrom P450-Isoenzym kann zu mehreren klinisch bedeutsamen Arzneimittel-Wechselwirkungen führen.