Substrate

In der Biochemie sind Substrate Moleküle, die von Enzymen angesteuert werden. Sie nehmen an Enzymreaktionen teil und werden in andere Moleküle umgewandelt oder abgebaut. Die Substrate binden an die Stelle der Enzymaktivität und bilden den Enzym-Substrat-Komplex. Nach der Umwandlung in Produkte werden die Substrate von den Enzymen freigesetzt.

Creative Enzymes bietet hochreine Substrate in variablen Mengen an, um all Ihren Bedürfnissen gerecht zu werden. Diese Substrate decken die meisten Bereiche der industriellen Produktion und Forschung ab. Unsere Substratprodukte umfassen kleine Molekülsubstrate, Peptid- & Protein-Substrate, Saccharid-Substrate sowie chromogene & fluorogene Substrate.

Definition von Substraten

Ein Substrat wird als das Molekül definiert, auf dem ein Enzym wirkt. Im Fall von Enzymen und Substraten bestimmt die molekulare Komplementarität die Interaktion: spezifische strukturelle Merkmale des Enzyms binden an komplementäre Merkmale des Substrats, oft durch die aktive Stelle des Enzyms. Wenn ein Substrat an ein Enzym bindet, bildet es einen Enzym-Substrat-Komplex, der eine katalytische Reaktion durchläuft, die das Substrat in Produkte umwandelt. Das Enzym selbst wird in der Reaktion nicht verändert, sodass es viele Substratmoleküle hintereinander katalysieren kann.

Die Spezifität der Enzym-Substrat-Interaktion ist bemerkenswert. Faktoren wie Form, Ladung und hydrophobe/hydrophile Eigenschaften spielen alle eine Rolle bei der Bestimmung dieser Passform. Die aktive Stelle des Enzyms ist fein abgestimmt, um spezifische Substrate zu erkennen und zu binden, was sicherstellt, dass jedes Enzym nur bestimmte Reaktionen katalysiert. Diese Spezifität ist entscheidend für das Funktionieren biologischer Prozesse.

Abb. 1: Wie Enzyme arbeiten. Jedes Enzym hat eine aktive Stelle, an die ein oder mehrere Substratmoleküle binden und einen Enzym-Substrat-Komplex bilden. An der aktiven Stelle erfolgt eine Reaktion, die einen Enzym-Produkt-Komplex erzeugt. Das Produkt wird dann freigesetzt, sodass das Enzym weitere Substratmoleküle binden kann (Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage).

Reaktionsmechanismen von Enzym-Substrat-Komplexen

Die Reaktionsmechanismen, durch die Enzyme die Umwandlung von Substraten katalysieren, sind komplex und beinhalten mehrere Schritte. Diese Mechanismen können grob basierend auf dem induzierten Anpassungsmodell und dem Schloss-und-Schlüssel-Modell kategorisiert werden.

Schloss-und-Schlüssel-Modell

In diesem Modell ist die aktive Stelle des Enzyms präzise geformt, um zu einem bestimmten Substrat zu passen, wie ein Schloss und ein Schlüssel. Der Enzym-Substrat-Komplex kann nur an Substrate der richtigen Form und chemischen Natur binden. Einmal gebunden, verläuft die Reaktion ohne wesentliche strukturelle Veränderungen am Enzym.

Induziertes Anpassungsmodell

Laut diesem Modell passt sich das Enzym an, wenn das Substrat bindet. Diese Flexibilität ermöglicht es dem Enzym, spezifische Kräfte auf das Substrat auszuüben, um den Übergangszustand aufrechtzuerhalten und die Aktivierungsenergie der Reaktion zu senken. Das induzierte Anpassungsmodell ist weit verbreitet akzeptiert, da es die dynamische Natur der Enzym-Substrat-Interaktionen und deren hohe Spezifität und Effizienz berücksichtigt.

Abb. 2: Schloss-und-Schlüssel-Modell und induziertes Anpassungsmodell.

Während einer enzymatischen Reaktion gibt es einen Übergangszustand - eine Zwischenkonfiguration, in der das Substrat auf die Umwandlung in das Produkt vorbereitet wird. Enzyme erreichen dies, indem sie den Übergangszustand durch verschiedene Mechanismen stabilisieren. Zum Beispiel bringen Enzyme Substratmoleküle näher zusammen (Nähe-Effekte) und richten sie perfekt für die Reaktion aus (Orientierungs-Effekte). Sie können auch Protonen spenden oder akzeptieren, um den Prozess zu unterstützen (Säure-Base-Katalyse), temporäre Bindungen mit Substraten bilden (kovalente Katalyse) oder geladene Bereiche innerhalb der aktiven Stelle stabilisieren (elektrostatische Katalyse). Durch die Kombination dieser Strategien senken Enzyme die Energiebarriere, die für Reaktionen erforderlich ist. Dies ermöglicht es ihnen, schnell und effizient zu arbeiten, selbst unter den milden Bedingungen, die in lebenden Organismen vorkommen.

Arten von Enzym-Substraten

Enzym-Substrate können basierend auf mehreren Faktoren kategorisiert werden, einschließlich chemischer Natur, Reaktivität und der Arten von Bindungen, die an der Enzymkatalyse beteiligt sind. Hier sind die Haupttypen:

Universelle vs. spezifische Substrate

• Universelle Substrate sind Moleküle, die von vielen Enzymen, sogar aus verschiedenen Arten oder Stoffwechselwegen, angesteuert werden können. Diese Substrate haben eine allgemeine Struktur oder funktionelle Gruppe, die die meisten Enzyme erkennen können, was es verschiedenen Enzymen ermöglicht, mit ihnen zu reagieren. Beispiele sind ATP und NADH.
• Spezifische Substrate sind Moleküle, die von einem bestimmten Enzym erkannt und bearbeitet werden können, oft mit hoher Spezifität. Diese Substrate haben eine einzigartige Struktur oder funktionelle Gruppe, die genau mit der aktiven Stelle des Enzyms übereinstimmt, und das Enzym ist hochselektiv für dieses Substrat allein. Spezifische Substrate sind Merkmale von Enzymen, die präzise Reaktionen in gut definierten biochemischen Wegen katalysieren, wo Spezifität eine enge Regulation ermöglicht.

Wettbewerbsfähige und nicht-wettbewerbsfähige Substrate

• Wettbewerbsfähige Substrate binden an die Stelle der Enzymaktivität und konkurrieren mit anderen Molekülen oder Inhibitoren um das Enzym. Forscher verwenden oft wettbewerbsfähige Substrate, um die Enzymhemmung zu untersuchen, bei der ein Inhibitor mit dem Substrat um die Bindung konkurriert und die Reaktionsrate verringert.
• Nicht-wettbewerbsfähige Substrate binden an Stellen, die nicht die aktive Stelle des Enzyms sind, und verändern die Konformation des Enzyms, hemmen jedoch nicht die aktive Stelle. Das Verhalten nicht-wettbewerbsfähiger Substrate tritt auf, wenn Enzyme mehrere Bindungsstellen haben oder Reaktionen mit mehreren Substraten gleichzeitig katalysieren können.

Primäre vs. sekundäre Substrate

• Primäre Substrate sind die Hauptmoleküle, die durch ein Enzym umgewandelt werden. Sie sind direkt an der Reaktion beteiligt und werden in Produkte umgewandelt.
• Sekundäre Substrate werden der Reaktion hinzugefügt, werden jedoch nicht in Produkte umgewandelt. Stattdessen können sie als Cofaktoren oder Co-Substrate dienen, die zusätzliche Moleküle oder Ionen bereitstellen, die für die enzymatische Aktivität erforderlich sind. Zum Beispiel kann ATP ein sekundäres Substrat für Kinasen sein, indem es ein Phosphoratome akzeptiert, das auf ein primäres Substrat übertragen wird.

Kovalente vs. nicht-kovalente Substrate

• Kovalente Substrate sind solche, die während der Reaktion vorübergehend kovalente Bindungen mit dem Enzym bilden. Diese kovalente Bindung erleichtert die Bildung von Übergangszuständen und den gesamten Reaktionsprozess.
• Nicht-kovalente Substrate binden an das Enzym durch schwache Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken, ionische Bindungen oder van-der-Waals-Kräfte, die umkehrbare Wechselwirkungen sind, die oft zu Produkten führen, ohne eine kovalente Bindung mit dem Enzym zu bilden.

Unsere vielfältige Produktpalette an Substraten

Creative Enzymes bietet hochreine Substrate in verschiedenen Mengen an, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Diese Substrate unterstützen eine breite Palette von Anwendungen, von der industriellen Produktion bis zur explorativen Forschung. Unser Produktangebot umfasst:

Kleine Molekülsubstrate

Es gibt Tausende von Enzym-Substraten in kleinen Molekülen. Sie nehmen an Reaktionen wie Dehydrierung, Decarboxylierung, Transaminierung und Isomerisierung teil. Unsere chemischen Substrate treiben die meisten biochemischen Reaktionen an. Wir liefern nicht nur Standardsubstrate wie Esterase-Substrate, HRP (Pferde-Rettich-Peroxidase-Substrate), Phosphatase-Substrate, Sulfatase-Substrate, sondern auch einige Spezialsubstrate. Die Vielfalt ist vorhanden, um all Ihren Bedürfnissen gerecht zu werden.

Peptid- & Protein-Substrate

Proteasen katalysieren die Hydrolyse von Peptidbindungen, ein Prozess, der Proteine in kleinere Polypeptidketten oder Aminosäuren abbaut. Diese Enzyme sind in verschiedenen biologischen und industriellen Prozessen unerlässlich, einschließlich der Proteinverdauung, Zellsignalübertragung und biotechnologischen Anwendungen. Um Ihre Forschung und Experimente zu unterstützen, bieten wir eine umfassende Auswahl an Substraten, einschließlich hochwertiger nativer Protein-Substrate und synthetischer Polypeptid-Substrate. Unsere Produkte sind darauf ausgelegt, zuverlässige und genaue Ergebnisse in einer Vielzahl von Anwendungen zu liefern.

Saccharid-Substrate

Saccharide (auch bekannt als Zucker oder Kohlenhydrate) sind gängige Substrate für die biochemische Industrie. Wir bieten Polysaccharide, Oligosaccharide und Monosaccharide für verschiedene Zwecke an. Zum Beispiel lösliches Stärke, Amylopektin (Amylopektin Azure) und Amylose-Substrate für Amylase-Assays sowie viele Monosaccharide und Disaccharide, die ideal für Isomerase-Assays sind.

Chromogene & fluorogene Substrate

Diese Substrate erzeugen sichtbares oder fluoreszierendes Licht, wenn sie mit bestimmten Enzymen interagieren. Sie werden häufig in ELISAs und anderen Aktivitätsassays verwendet, insbesondere bei der Arbeit mit niedrigen Enzymkonzentrationen - sie bieten eine hochsensible Detektion. Zum Beispiel wird p-Nitrophenylphosphat (pNPP) häufig als chromogenes Substrat für Phosphatasen (4-Nitrophenylphosphat-Dinatriumsalz-Hexahydrat) verwendet, während Fluorescein-Diphosphat (FDP) ideal für alkalische Phosphatase ist. Unsere chromogenen und fluorogenen Substrate sind darauf ausgelegt, zuverlässige und genaue Ergebnisse zu liefern, was sie zu einer ausgezeichneten Wahl für eine Vielzahl von Forschungsanwendungen macht.

Abb. 3: Beispiele für chromogene und fluorogene Substrate. A. p-Nitrophenylphosphat (PNPP) kann katalytisch in p-Nitrophenol (PNP) (leicht gelb) durch alkalische Phosphatase umgewandelt werden (Zhang et al., 2017). B. Schema der biokatalytischen Reaktion, die durch alkalische Phosphatase ausgelöst wird und zur Dephosphorylierung von Fluorescein-Diphosphat und anschließender Fluoresceinproduktion führt (Mertz et al., 2011).

Creative Enzymes ist auf die Enzymindustrie spezialisiert. Wir sind stolz darauf, alle Arten von Produkten und Dienstleistungen im Zusammenhang mit Enzymen, insbesondere Enzym-Substraten, anzubieten. Creative Enzymes garantiert hochreine Enzym-Substratprodukte, die unter Qualitätskontrolle hergestellt und durch HPLC oder andere feine analytische Methoden zertifiziert sind. Wir liefern auch Substrate in verschiedenen Reinheitsgraden und Spezifikationen, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Diese Substrate können in vielen Aspekten der Messung oder Produktion von Enzymaktivitäten verwendet werden. Kontaktieren Sie uns noch heute, um die perfekte Substratlösung für Ihre Bedürfnisse zu finden!