반응물

반응물(反應物) 또는 기질(基質, 영어: substrate)은 전형적으로 화학 반응에서 관찰되는 화학종이며, 화학 반응에 참여하여 생성물을 만드는 물질이다. 화학 합성 및 유기화학에서 기질은 변형되고 있는 관심이 있는 화학물질이다. 생화학에서 효소의 기질은 효소가 작용하는 물질로 효소의 반응물이다. 르 샤틀리에의 원리를 언급할 때, 기질은 농도가 변화되는 시약이다. 기질이라는 용어는 문맥에 상당히 의존적이다. 기질은 본질적으로 생성물의 전구물질인 분자의 부분을 의미한다. 생화학에서 기질은 효소가 작용하는 분자이다. 효소는 기질을 포함한 화학 반응을 촉매한다. 단일 기질인 경우, 기질은 효소의 활성 부위에 결합하고, 효소-기질 복합체를 형성한다. 기질은 한 개 이상의 생성물로 전환되어 효소의 활성 부위로부터 방출된다. 그러면 활성 부위는 다른 기질 분자를 자유롭게 받아들일 수 있게 된다. 두 개 이상의 기질인 경우, 기질들은 반응하여 생성물을 생성하기 전에 특정 순서로 활성 부위에 결합할 수 있다. 효소에 의한 작용으로 색이 있는 생성물을 만드는 기질을 색소생성성(chromogenic)이라고 부른다. 조직학에서 효소의 국부적인 연구에서 효소의 작용으로 착색된 생성물은 생물학적 조직의 얇은 부분을 현미경으로 관찰할 수 있게 한다. 마찬가지로 효소에 의한 작용으로 형광을 내는 생성물을 만드는 기질을 형광생성성(fluorogenic)이라고 부른다. 예를 들어, 커드 형성(레닛 응고)은 우유에 효소인 레닌을 첨가할 때 일어나는 반응이다. 이 반응에서 기질은 우유 단백질(예: 카세인)이고, 효소는 레닌이다. 생성물은 더 큰 폴리펩타이드 기질의 분해에 의해 생성된 두 개의 폴리펩타이드이다. 또 다른 예는 카탈레이스에 의해 수행되는 과산화 수소의 화학 분해이다. 효소는 촉매이기 때문에, 효소는 자신이 수행하는 화학 반응에 의해 변하지 않는다. 그러나 기질은 생성물로 전환된다. 여기서 과산화 수소(H2O2)는 물(H2O)과 산소 가스(O2)로 전환된다. E + S ↽ − − ⇀ ES ⟶ EP ↽ − − ⇀ E + P {\displaystyle {\ce {{E}+ S <=> ES -> EP <=> {E}+ P}}} 여기서 E는 효소이고, S는 기질이며, P는 생성물이다. 첫 번째(결합) 단계와 세 번째(비결합) 단계는 일반적으로 가역적이지만, 중간 단계는 비가역적(앞에서 언급한 레닌 및 카탈레이스에 의한 촉매 반응에서와 같이)일 수도 있고, 가역적(예: 해당과정의 많은 반응들)일 수도 있다. 기질의 농도를 증가시킴으로써 효소-기질 복합체의 수가 증가할 가능성이 높아지므로 반응 속도가 증가할 것이다. 이것은 효소의 농도가 제한 요인이 될 때까지 일어난다. 효소는 일반적으로 기질에 매우 특이적이지만, 일부 효소들은 효소 다중기능성이라고 불리는 특성인 한 개 이상의 기질에 대한 촉매 반응을 수행할 수 있다. 효소는 다수의 고유 기질들과 넓은 특이성(예: 사이토크롬 P450에 의한 산화)을 가질 수도 있고, 어느 정도 낮은 속도로 촉매 반응을 할 수 있는 유사한 비고유 기질들의 세트를 가진 단일 고유 기질을 가질 수도 있다. 실험실 환경의 시험관에서 주어진 효소에 의해 반응할 수 있는 기질은 효소의 생체 내 반응에 대한 생리적이고 내인성인 기질의 특성을 반영하지 못할 수도 있다. 즉, 효소가 실험실에서 가능할 수도 있는 신체의 모든 반응들을 반드시 수행하는 것은 아니라는 것이다. 예를 들어, 지방산 아마이드 가수분해효소(FAAH)는 엔도칸나비노이드인 2-아라키도노일글리세롤(2-AG)과 아난다마이드를 시험관 내에서 비슷한 속도로 가수분해할 수 있지만, 지방산 아마이드 가수분해효소의 유전적 또는 약리학적 결함은 2-아라키도노일글리세롤이 아닌 아난다마이드를 증가시키는 것으로 보아 2-아라키도노일글리세롤은 지방산 아마이드 가수분해효소의 생체 내 기질이 아닌 것으로 드러났다. 또 다른 예로 N-아실 타우린(NATs)은 지방산 아마이드 가수분해효소에 결함이 있는 동물에서 급격하게 증가하는 것이 관찰되지만, 시험관 내에서는 지방산 아마아드 가수분해효소의 기질로는 불충분해 보인다. 민감성 기질은 또한 민감성 지수 기질로도 알려져 있으며, 임상 약물-약물 상호작용 연구에서 특정 대사 경로의 강력한 저해제로 5배 이상의 곡선하면적(AUC)의 증가를 나타내는 약물이다. 중간 정도의 민감성 기질은 임상 약물-약물 상호작용 연구에서 특정 대사 경로의 강력한 저해제로 2배 이상~5배 미만의 곡선하면적(AUC)의 증가를 나타내는 약물이다. 동일한 사이토크롬 P450 동질효소에 의한 대사는 몇몇 임상적으로 중요한 약물-약물 상호작용을 일으킬 수 있다. 화학 반응 시약 촉매 효소 생성물 반응 진행 속도론 분석 용매 IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). 온라인 수정 버전: (2006–) "substrate". doi 10.1351/goldbook.S06082 Cravatt, B.F.; Demarest, K.; Patricelli, M.P.; Bracey, M.H.; Gaing, D.K.; Martin, B.R.; Lichtman, A.H. (2001). “Supersensitivity to anandamide and enhanced endogenous cannabinoid signaling in mice lacking fatty acid amide hydrolase”. 《Proc. Natl. Acad. Sci. USA》 98 (16): 9371–9376. Bibcode:2001PNAS...98.9371C. doi:10.1073/pnas.161191698. PMC 55427. PMID 11470906.  Saghatelian, A.; Trauger, S.A.; Want, E.J.; Hawkins, E.G.; Siuzdak, G.; Cravatt, B.F. (2004). “Assignment of Endogenous Substrates to Enzymes by Global Metabolite Profiling”. 《Biochemistry》 43 (45): 14322–14339. CiteSeerX 10.1.1.334.206. doi:10.1021/bi0480335. PMID 15533037.  “Drug Development and Drug Interactions: Table of Substrates, Inhibitors and Inducers”. U.S. Food and Drug Administration.  Ogu, CC; Maxa, JL (2000). “Drug interactions due to cytochrome P450”. 《Proceedings (Baylor University. Medical Center)》 13 (4): 421–423. doi:10.1080/08998280.2000.11927719. PMC 1312247. PMID 16389357.