Substratespesifisyyden

Substratespesifisyyden käsite kuvaa sitä, miten tarkasti entsyymi, proteiini tai muu katalyyttinen molekyyli sitoo ja muokkaa tiettyjä substraatteja. Spesifisyys määrittelee, minkä molekyylien suhteen katalyysi on tehokasta ja millaisia substraatteja reaktiossa voidaan käyttää. Substraattien tarkka rakenne, funktionaaliset ryhmät ja sähköinen ympäristö määräävät, millainen kemiallinen vuorovaikutus voi syntyä entsyymin kanssa.

Spesifisyys määräytyy ensisijaisesti entsyymin aktiivisen kohdan kolmiulotteisen tilan ja siihen sitoutuvien substraattien ominaisuuksien yhteensopivuuden perusteella. Vuorovaikutukset, kuten hyvä mitta- ja sähköinen complementariteetti, sekä mahdollinen muokkaus entsyymin rakenteessa, vaikuttavat katalyyttiseen tehokkuuteen. Mallit kuten lock-and-key ja induced fit kuvaavat, miten substraatti voi muuttaa entsyymin muotoa tilanteen mukaan.

Spesifisyyden ilmenemisen mukaan entsyymit jaetaan eri luokkiin: absoluuttinen spesifisyys tarkoittaa, että ainoastaan yksi substraatti kelpaa; kapea spesifisyys rajoittuu yhteen tai muutamaan rakenteellisesti lähellä olevaan substraattiin; laaja spesifisyys tai promiscuous-spesifisyys antaa mahdollisuuden useille erisuuntaisille substraateille. Esimerkkejä ovat laktaasi, joka hydrolysoi laktoosia maitotuotteissa, sekä amylaasi ja suklaa- entsyymit, jotka voivat toimia useilla silmukoidun rakenteen omaavilla substraateilla. Toisaalta joidenkin aineenvaihdunnan entsyymien aktiivinen alue on hyvin tarkka, jolloin niiden substraattiliike on rajallinen.

Merkitys ulottuu biokemiasta lääkeaineiden kehitykseen: substraattispesifisyys vaikuttaa metabolian nopeuteen, sivuvaikutuksiin ja kudosten toleranssiin. Spesifisyyden tutkimus yhdistää rakenteen, kinetiikan ja evoluution periaatteet. Tutkimuksessa käytetään ksamit muun muassa Km-arvoja, kcat-arvoja ja rakenteellisia analyyseja.