सब्सट्रेट (रसायन विज्ञान)

अन्य उपयोगों के लिए,कार्यद्रव्य देखें।

रसायन विज्ञान में, कार्यद्रव्य शब्द अत्यधिक संदर्भ-निर्भर है। सामान्यतः, यह या तो किसी रासायनिक प्रतिक्रिया में देखी जा रही रासायनिक वर्ग को संदर्भित कर सकता है, या ऐसी सतह को संदर्भित करता है, जिस पर अन्य रासायनिक प्रतिक्रियाएं या सूक्ष्मदर्शी द्वारा प्रदर्शित की जाती है।

पूर्व अर्थ में, एक रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से एक उत्पाद उत्पन्न करने के लिए कार्यद्रव्य में एक अभिकर्मक जोड़ा जाता है। शब्द का प्रयोग  रासायनिक संश्लेषण और कार्बनिक रसायन में एक समान अर्थ में किया जाता है, जहां कार्यद्रव्य अभिरूचि का रसायन है जिसे संशोधित किया जा रहा है। जैव रसायन में,  'एंजाइम कार्यद्रव्य ' वह पदार्थ है जिस पर एक एंजाइम कार्य करता है। ले चेटेलियर के सिद्धांत की चर्चा करते समय, कार्यद्रव्य वह अभिकर्मक होता है जिसकी सांद्रणता बदल जाती है।

सहज प्रतिक्रिया
 * S -> P
 * जहाँ S कार्यद्रव्य है और P उत्पाद है।


 * उत्प्रेरित प्रतिक्रिया
 * S + C -> P + C
 * जहाँ S कार्यद्रव्य है, P उत्पाद है और C उत्प्रेरक है।

बाद के अर्थ में, यह एक ऐसी सतह का उल्लेख कर सकता है जिस पर अन्य रासायनिक प्रतिक्रियाएं प्रदर्शित की जाती हैं या विभिन्न प्रकार की स्पेक्ट्रमी और सूक्ष्म तकनीकों में सहायक भूमिका निभाती हैं, जैसा कि नीचे पहले कुछ उपखंडों में चर्चा की गई है।

सूक्ष्मदर्शी
सबसे सामान्य नैनो-पैमाने पर सूक्ष्मदर्शी तकनीकों में से तीन में, परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (एएफएम), अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी (एसटीएम), और हस्तांतरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (टीईएम), प्रतिरूप समन्वायोजन के लिए एक कार्यद्रव्य की आवश्यकता होती है। कार्यद्रव्य प्रायः सूक्ष्म होते हैं और अपेक्षाकृत रासायनिक विशेषताओं या दोषों से मुक्त होते हैं। सामान्यतः चांदी, सोना, या सिलिकॉन परतों का उपयोग उनके निर्माण में आसानी और सूक्ष्मदर्शी तथ्य में व्यतिकरण की कमी के कारण किया जाता है। प्रतिरूप कार्यद्रव्य पर सूक्ष्म परतों में निक्षेपित किए जाते हैं जहां यह विश्वसनीय स्थूलता और आघातवर्धनीयता के वास्तविक समर्थन के रूप में कार्य कर सकता है। इस प्रकार के सूक्ष्मदर्शी के लिए कार्यद्रव्य की सहजता विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि वे प्रतिदर्श लंबाई में बहुत छोटे परिवर्तन के प्रति संवेदनशील हैं।

विभिन्न प्रकार के प्रतिदर्शों को समायोजित करने के लिए विशिष्ट स्थितियों में अन्य विभिन्न कार्यद्रव्य का उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए ग्रेफाइट परतो के परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी के लिए ऊष्मा-रोधक कार्यद्रव्य की आवश्यकता होती है, और प्रवाहकीय कार्यद्रव्य हस्तांतरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के लिए आवश्यक हैं। कुछ संदर्भों में, कार्यद्रव्य शब्द का उपयोग प्रतिदर्श को संदर्भित करने के लिए किया जा सकता है, न कि उस वास्तविक समर्थन के लिए जिस पर इसे रखा गया है।

स्पेक्ट्रमदर्शी
विभिन्न स्पेक्ट्रमदर्शी तकनीकों के लिए भी प्रतिरूप को कार्यद्रव्य जैसे चूर्ण विवर्तन पर समन्वायोजन करने की आवश्यकता होती है। इस प्रकार का विवर्तन, जिसमें क्रिस्टल संरचनाओं को कम करने के लिए चूर्ण के प्रतिदर्शों पर उच्च-शक्ति वाले एक्स-रे को निर्देशित करना सम्मिलित होता है, प्रायः एक अनाकार ठोस कार्यद्रव्य के साथ किया जाता है जैसे कि यह परिणामी डेटा संग्रह में अन्तःक्षेप व्यतिकरण नहीं करता है। सिलिकॉन कार्यद्रव्य का उपयोग सामान्यतः उनकी मूल्य-प्रभावी प्रकृति और एक्स-रे संग्रह में अपेक्षाकृत तथ्य मे अन्तः क्षेप व्यतिकरण की कमी के कारण भी किया जाता है।

एकल क्रिस्टल कार्यद्रव्य चूर्ण विवर्तन में उपयोगी होते हैं क्योंकि वे चरण के आधार पर विवर्तन प्रतिरूप में अभिरूचि के प्रतिदर्श से अलग होते हैं।

परमाणु परत निक्षेपण
परमाणु परत के निक्षेपण में, कार्यद्रव्य एक प्रारंभिक सतह के रूप में कार्य करता है जिस पर अभिकर्मक रासायनिक संरचनाओं को विधि पूर्वक से बनाने के लिए संयोजित हो सकते हैं। लाभ की प्रतिक्रिया के आधार पर कार्यद्रव्य की एक विस्तृत विविधता का उपयोग किया जाता है, लेकिन वे कार्यद्रव्य से लगे रहने की स्वीकृति देने के लिए प्रायः अभिकर्मकों को कुछ आत्मीयता के साथ बांधते हैं।

कार्यद्रव्य को क्रमिक रूप से विभिन्न अभिकर्मकों के निरावरण है और अधिक को निकालने के लिए बीच में प्रक्षालित किया जाता है। इस तकनीक में कार्यद्रव्य महत्वपूर्ण है क्योंकि पहली परत को इस तरह से बांधने के लिए जगह की आवश्यकता होती है कि अभिकर्मकों के दूसरे या तीसरे समुच्चय के संपर्क में आने पर यह नष्ट हो न जाए।

जैव रसायन
जैव रसायन में,कार्यद्रव्य एक अणु है जिस पर एक एंजाइम कार्य करता है। एंजाइम कार्यद्रव्य को सम्मिलित करने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं। एकल कार्यद्रव्य के स्थितियों में, कार्यद्रव्य एंजाइम सक्रिय सतह के साथ बांध, और एक एंजाइम-कार्यद्रव्य सम्मिश्रण बनता है। कार्यद्रव्य को एक या एक से अधिक उत्पाद (जीव विज्ञान) में रूपांतरित किया जाता है, जिसे बाद में सक्रिय सतह से मुक्त कर दिया जाता है। सक्रिय सतह फिर एक और कार्यद्रव्य अणु को स्वीकार करने के लिए स्वतंत्र है। एक से अधिक कार्यद्रव्य के स्थितियों में, ये उत्पादों के उत्पादन के लिए एक साथ प्रतिक्रिया करने से पहले, सक्रिय सतह पर एक विशेष क्रम में बाध्य हो सकते हैं। यदि यह एक एंजाइम द्वारा क्रिया करने पर रंगीन उत्पाद उत्पन्न होता है तो   कार्यद्रव्य को 'वर्णकजन' कहा जाता है। ऊतकीय एंजाइम स्थानीयकरण अध्ययनों में, जैविक ऊतकों के पतले वर्गों मे एंजाइम क्रिया के रंगीन उत्पाद को सूक्ष्मदर्शी के तहत देखा जा सकता है। इसी तरह, कार्यद्रव्य को 'फ्लोरोजन्य' कहा जाता है यदि यह एक एंजाइम द्वारा क्रिया करने पर एक प्रतिदीप्त उत्पाद को जन्म देता है।

उदाहरण के लिए, दही का बनना ( रेनेट जमावट) एक प्रतिक्रिया है जो दूध में रेनिन  एंजाइम मिलाने पर होती है। इस प्रतिक्रिया में,कार्यद्रव्य एक दूध प्रोटीन (जैसे,  कैसिइन ) है और एंजाइम रेनिन है। उत्पाद दो पॉलीपेप्टाइड हैं जो बड़े पेप्टाइड कार्यद्रव्य के भेदन द्वारा बनाए गए हैं। एक अन्य उदाहरण एंजाइम उत्प्रेरित द्वारा किए गए हाइड्रोजन पेरोक्साइड का रासायनिक अपघटन है। चूंकि एंजाइम उत्प्रेरक होते हैं, इसलिए वे अपने द्वारा की जाने वाली प्रतिक्रियाओं से परिवर्तित नहीं होते हैं। हालांकि, कार्यद्रव्य को उत्पाद में परिवर्तित हो जाते हैं। यहां, हाइड्रोजन पेरोक्साइड को पानी और ऑक्सीजन गैस में परिवर्तित हो जाता है।


 * E + S <-> ES -> EP <-> E + P


 * जहां ई एंजाइम है, एस कार्यद्रव्य है, और पी उत्पाद है

जबकि पहला (बाध्यकारी) और तीसरा (स्वैच्छिक) चरण, सामान्य रूप से, प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया है, मध्य चरण अपरिवर्तनीय हो सकता है (जैसा कि रेनिन और उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं में अभी उल्लेख किया गया है) या प्रतिवर्ती (जैसे ग्लाइकोलाइसिस उपपचयी मार्ग में कई प्रतिक्रियाएं)।

कार्यद्रव्य सांद्रण में वृद्धि से, एंजाइम-कार्यद्रव्य सम्मिश्रण की संख्या में वृद्धि की संभावना के कारण प्रतिक्रिया की दर में वृद्धि होगी; यह तब तक होता है जब तक एंजाइम की सांद्रता सीमित कारक नहीं बन जाती।

कार्यद्रव्य संकीर्णता
हालांकि एंजाइम सामान्यतः अत्यधिक विशिष्ट होते हैं, कुछ एक से अधिक कार्यद्रव्य पर उत्प्रेरण करने में योग्य होते हैं, इस गुण को जिसे एंजाइम संकीर्णता कहा जाता है। एक एंजाइम में कई मूल कार्यद्रव्य और व्यापक विशिष्टता (जैसे साइटोक्रोम p450 s द्वारा ऑक्सीकरण) हो सकते हैं या इसमें समान स्वदेशी कार्यद्रव्य के सममुच्चय के साथ एक एकल मूल कार्यद्रव्य हो सकता है जो कि कुछ कम दर पर उत्प्रेरित कर सकता है। वे कार्यद्रव्य जो दिए गए एंजाइम में कृत्रिम परिवेशीय के साथ प्रयोगशाला अवस्थापन के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं, आवश्यक रूप से  विवो में  एंजाइम की प्रतिक्रियाओं के शारीरिक, अंतर्जात कार्यद्रव्य को प्रतिबिंबित नहीं कर सकता है। यथार्थ तात्पर्य यह है कि एंजाइम आवश्यक रूप से शरीर में उन सभी प्रतिक्रियाओं को नहीं करते हैं जो प्रयोगशाला में संभव हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, जब  वसामय अम्ल एमाइड हाइड्रोलेस (एफएएएच) एंडोकैनाबिनोइड्स  2-एराकिडोनॉयलग्लिसरॉल  (2-एजी) और एनांडामाइड को कृत्रिम परिवेश में तुलनात्मक दरों पर हाइड्रोलाइज कर सकता है, वसामय अम्ल एमाइड हाइड्रोलेस के आनुवंशिक या औषधीय विघटन एनामाइड को बढ़ाता है लेकिन 2-एजी को नहीं, यह सुझाव देता है कि 2-एजी एफएएएच के लिए विवो कार्यद्रव्य में अंतर्जात नहीं है। एक अन्य उदाहरण में, एन-एसाइल टॉरिन (एनएटी) को वसामय अम्ल एमाइड हाइड्रोलेस-बाधित जानवरों में नाटकीय रूप से वृद्धि करने के लिए देखा जाता है, लेकिन वास्तव में कृत्रिम परिवेशीय वसामय अम्ल एमाइड हाइड्रोलेस कार्यद्रव्य में अपर्याप्त हैं।

संवेदनशीलता
संवेदनशील कार्यद्रव्य को संवेदनशील सूचकांक कार्यद्रव्य के रूप में भी जाना जाता है, वे दवाएं हैं जो चिकित्सीय दवा-दवाओ की परस्पर क्रिया (डीडीआई) अध्ययनों मे दिए गए उपापचय मार्ग के मजबूत सूचकांक अवरोधक के साथ ≥5-गुना एयूसी के तहत वृद्धि दर्शाती हैं.

मध्यम संवेदनशील कार्यद्रव्य ऐसी दवाएं हैं जो नैदानिक ​​डीडीआई अध्ययनों में दिए गए उपापचय मार्ग के मजबूत सूचकांक अवरोधकों के साथ ≥2 से <5-गुना के एयूसी के तहत वृद्धि दर्शाती हैं।

कार्यद्रव्य के बीच सहभागिता
एक ही साइटोक्रोम P450 आइसोजाइम द्वारा उपापचय के परिणामस्वरूप कई चिकित्सीय रूप से महत्वपूर्ण दवा-दवाओ की परस्पर क्रिया हो सकती है।.

यह भी देखें

 * सीमित अभिकर्मक
 * प्रतिक्रिया प्रगति गतिक विश्लेषण
 * विलायक