基質（化学）

化学において、基質という用語は文脈に大きく依存します。^{[1]広義では、}化学反応で観察される化学種、または他の化学反応や顕微鏡検査が行われる表面を指します。

前者の意味では、試薬が基質に加えられ、化学反応によって生成物が生成されます。この用語は合成化学や有機化学でも同様の意味で使用され、基質は変更される対象となる化学物質です。生化学では、酵素基質は酵素が作用する物質です。ルシャトリエの原理について言及する場合、基質は濃度が変化する試薬です。

後者の意味では、他の化学反応が行われる表面、または以下の最初のいくつかのサブセクションで説明するように、さまざまな分光法や顕微鏡法で補助的な役割を果たす表面を指す場合があります。^[2]

最も一般的なナノスケール顕微鏡法の 3 つである原子間力顕微鏡法(AFM)、走査トンネル顕微鏡法(STM)、透過型電子顕微鏡法(TEM) では、サンプルをマウントするために基板が必要です。基板は薄く、化学的特徴や欠陥が比較的少ないことがよくあります。^[3]通常は、製造が容易で顕微鏡データに干渉がないため、銀、金、またはシリコン ウェーハが使用されます。サンプルは薄い層で基板上に堆積され、基板は信頼性の高い厚さと可鍛性を備えた固体支持体として機能します。^{[2] [4]}これらのタイプの顕微鏡では、サンプルの高さの非常に小さな変化に敏感であるため、基板の滑らかさが特に重要です。^[要出典]

さまざまなサンプルに対応するために、特定のケースではさまざまな他の基板が使用されます。たとえば、グラファイト片のAFMには断熱基板が必要であり、^[5] TEMには導電性基板が必要です。文脈によっては、基板という言葉は、サンプルが置かれている固体支持体ではなく、サンプル自体を指すために使用されることがあります。

粉末回折などのさまざまな分光技術でも、サンプルを基板上にマウントする必要があります。粉末サンプルに高出力X線を照射して結晶構造を推測するこのタイプの回折は、結果として得られるデータ収集を妨げないように非晶質基板を使用して実行されることがよくあります。シリコン基板も、コスト効率が良く、X線収集におけるデータ干渉が比較的少ないため、一般的に使用されています。^[6]

単結晶基板は、粉末回折において、位相によって区別することで回折パターンにおいて目的のサンプルと区別できるため有用である。 ^[7]

原子層堆積法では、基板は試薬が結合して化学構造を正確に構築できる最初の表面として機能します。^{[8] [9]}対象となる反応に応じてさまざまな基板が使用されますが、多くの場合、試薬はある程度の親和性で結合し、基板に付着することができます。^[要出典]

基質は、異なる試薬に順番にさらし、その間に余分な試薬を除去するために洗浄されます。この技術では、第 1 層が結合する場所が必要であり、第 2 または第 3 の試薬セットにさらされたときに失われないために、基質が重要です。^{[引用が必要] [10]}

生化学において、基質とは酵素が作用する分子のことである。酵素は基質を含む化学反応を触媒する。基質が 1 つの場合、基質は酵素の活性部位と結合し、酵素基質複合体が形成される。基質は 1 つ以上の生成物に変換され、活性部位から放出される。活性部位はその後、別の基質分子を自由に受け入れることができる。基質が 2 つ以上ある場合、これらは特定の順序で活性部位に結合し、その後反応して生成物を生成する。酵素の作用を受けて有色の生成物を生成する基質は「発色性」と呼ばれる。組織学的酵素局在研究では、酵素作用による有色の生成物は、生物組織の薄片で顕微鏡下で観察することができる。同様に、酵素の作用を受けて蛍光生成物を生成する基質は「蛍光性」と呼ばれる。^[要出典]

たとえば、カード形成（レンネット凝固）は、レンニン酵素を牛乳に加えると起こる反応です。この反応では、基質は牛乳タンパク質（カゼインなど）で、酵素はレンニンです。生成物は、より大きなペプチド基質の切断によって形成された 2 つのポリペプチドです。別の例としては、カタラーゼ酵素によって行われる過酸化水素の化学分解があります。酵素は触媒であるため、酵素が行う反応によって変化することはありません。ただし、基質は生成物に変換されます。ここでは、過酸化水素が水と酸素ガスに変換されます。

E + S ⇌ ES → EP ⇌ E + P

• ここでEは酵素、Sは基質、Pは生成物である。

最初のステップ（結合）と 3 番目のステップ（解離）は一般に可逆的ですが、中間のステップは不可逆的（先ほど述べたレンニンとカタラーゼの反応など）または可逆的（例えば、解糖代謝経路の多くの反応）である場合があります。

基質濃度を増加させると、酵素-基質複合体の数が増える可能性が高くなるため、反応速度が増加します。これは、酵素濃度が制限要因になるまで発生します。

酵素は一般に非常に特異性が高いが、いくつかの酵素は複数の基質に対して触媒作用を及ぼすことが可能であり、この特性は酵素乱交性と呼ばれる。酵素は多くの天然基質と幅広い特異性（シトクロム p450による酸化など）を持つこともあれば、1 つの天然基質と、それより低い速度で触媒できる一連の類似の非天然基質を持つこともある。ある酵素が実験室環境でin vitroで反応する基質は、必ずしもin vivo での酵素反応の生理学的、内因性基質を反映しているわけではない。つまり、酵素は必ずしも実験室で起こり得る体内の反応をすべて行うわけではない。例えば、脂肪酸アミド加水分解酵素（FAAH）は、エンドカンナビノイドの2-アラキドノイルグリセロール（2-AG）とアナンダミドをin vitroで同程度の割合で加水分解することができますが、FAAHの遺伝的または薬理学的破壊はアナンダミドを増加させますが、2-AGは増加しません。これは、2-AGがFAAHの内因性のin vivo基質ではないことを示唆しています。^[11]別の例では、N-アシルタウリン（NAT）はFAAHが破壊された動物で劇的に増加することが観察されていますが、実際にはin vitro FAAHの基質としては貧弱です。^[12]

感受性基質（感受性指標基質とも呼ばれる）とは、臨床薬物相互作用（DDI）研究において、特定の代謝経路の強力な指標阻害剤に対してAUCが5倍以上増加することを示す薬物である。 ^[13]

中等度の感受性基質とは、臨床DDI試験において、特定の代謝経路の強力な指標阻害剤によるAUCの2倍以上5倍未満の増加を示す薬剤である。^[13]

同じシトクロムP450アイソザイムによる代謝は、いくつかの臨床的に重要な薬物間相互作用を引き起こす可能性がある。^[14]

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