Субстрат — понятие в биологии и химии¶

Субстрат — термин, используемый в нескольких областях науки и техники для обозначения основы, подложки или вещества, на котором происходит процесс. В биологии и биохимии субстратом называют вещество, на котором действует фермент или на котором растут микроорганизмы и клетки; в геологии и почвоведении — горную породу или материал, подвергающийся выветриванию или заселению организмами; в электронике — подложку, на которую наносят тонкие плёнки.

¶Биохимия

В биохимии субстрат — это молекула, с которой фермент катализирует химическую реакцию. Активный центр фермента связывается со субстратом, понижая энергию активации и ускоряя реакцию в тысячи и миллионы раз. После превращения продукт покидает активный центр, а фермент возвращается в исходное состояние и готов к новому циклу.

Классический пример — расщепление сахарозы ферментом инвертазой на глюкозу и фруктозу. Другой пример — лактаза, расщепляющая лактозу (молочный сахар). При недостатке этой лактазы у человека развивается непереносимость лактозы.

Для многих ферментов характерна специфичность: один фермент работает только с определённым классом субстратов. Кинетика ферментативных реакций описывается уравнением Михаэлиса — Ментен, в котором ключевой параметр — константа Михаэлиса Km, характеризующая сродство фермента к субстрату: чем меньше Km, тем прочнее фермент связывается со субстратом.

¶Микробиология и клеточная биология

В микробиологии субстратом называют среду или материал, на котором растут микроорганизмы. Для бактерий и грибов субстратом может служить питательная среда (мясо-пептонный бульон, агар), а в промышленном выращивании — органические остатки: зерно, отруби, жом, солома. Грибницу (мицелий), растущую на субстрате, называют субстратной культурой, в отличие от жидкостных культур в биореакторах.

В клеточной биологии и тканевой инженерии субстратом выступает поверхность, на которой прикрепляются и растут эукариотические клетки. Клетки прикрепляются к субстрату с помощью интегринов — белков, связывающих клетку с внеклеточным матриксом. Свойства субстрата — химический состав, шероховатость, жёсткость — влияют на выживание, пролиферацию и дифференцировку клеток. В лабораторной практике в качестве субстрата используют чашки Петри с покрытием из коллагена, фибронектина или полилизина.

¶Почвоведение и геология

В почвоведении субстрат — исходная горная порода, из которой формируется почва. Химический и минералогический состав субстрата определяет набор почвенных минералов, гранулометрический состав и плодородие. Так, на базальтовом субстрате формируются более плодородные почвы, чем на кварцевом песчанике.

В геологии субстратом называют породу, на которой осаждались осадки, или основу, на которой вырос кристалл. В палеонтологии субстрат — дно водоёма или грунт, в котором обитали и захоронялись организмы; тип субстрата (песчаный, илистый, скалистый) определяет состав фауны.

¶Ботаника и экология

В ботанике субстрат — среда, в которой закрепляется растение или водоросль. Эпифиты растут на субстрате в виде коры других растений; лишайники селятся на камне, коре, почве. В аквариумистике и растениеводстве субстратом называют грунт для выращивания растений: почвосмесь, гравий, керамзит, специализированные наполнители.

В экологии понятие субстрата связано с классификацией биотопов: разные виды беспозвоночных, например, предпочитают песчаный, илистый или каменистый грунт, что учитывается при биоиндикации состояния водоёмов.

¶Техника и материалы

В электронике субстрат (подложка) — пластина из кремния, сапфира, диэлектрика, на которую наносят тонкие плёнки при производстве интегральных схем и полупроводниковых приборов. Субстрат задаёт механическую основу, теплоотвод и электрическую изоляцию.

В полиграфии, керамике и нанесении покрытий субстрат — материал, на поверхность которого наносится краска, эмаль или плёнка. Свойства поверхности субстрата — смачиваемость, шероховатость, адгезия — определяют качество сцепления покрытия.

¶Этимология

Слово происходит от латинского substratum — «подстилка, основание», причастия прошедшего времени от substrare — «подстилать, подкладывать». В русский язык термин вошёл в XIX веке вместе с развитием ботаники, почвоведения и химии.

Источники:

• Львов Д. К. Биохимия: учебник
• Опарин А. И. Жизнь и её возникновение
• Родин Б. А., Родина З. А. Основы почвоведения
• Мензбир М. В. Общая морфология животных
• Краткий химический словарь / Под ред. И. Л. Кнунянца