Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Электрохимические реакции пероксидазы

Диссертация: Электрохимические реакции пероксидазы
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Показана возможность аналитического определения Р" и ОЧ" ионов по игибированию, а бензотриазола по активации электрокаталитического восстановления Н202. Ускорение реакции азотсодержащими нуклеофилами позволяет выдвинуть следующую гипотезу: фермент, катализирующий катодную реакцию пероксида водорода ориентирован к поверхности электрода тем участком белковой глобулы, по которому происходит… Читать ещё >

Электрохимические реакции пероксидазы (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ЧАСТЬ 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
    • 1. Биоэлектрокаталитические и окислительно-восстановительные реакции ферментов на углеродных материалах
      • 1. 1. Общие представления о структуре и свойствах ферментов
      • 1. 2. Способы иммобилизации ферментов в электрохимических системах
    • 2. Биоэлектрокаталитические реакции в условиях непосредственного обмена электронами между электродом и активным центром фермента (реакции прямого биоэлектрокатализа)
    • 3. Пероксидаза и её функции в электрокатализе
      • 3. 1. Строение и краткая характеристика физико-химических и ферментативных свойств пероксидазы
      • 3. 2. Биоэлектрокатализ пероксидазой на твердых электродах
      • 3. 3. Окислительно-восстановительные превращения пероксидазы на электродах
    • 4. Механизм биоэлектрокатализа

Перспективы использования ферментов в электрохимии обусловлены высокой каталитической активностью белковых макромолекул и высокой специфичностью их действия. Разработанные методы сопряжения ферментативных и электрохимических реакций позволяют использовать ферменты в электрохимических процессах. Прежде всего, это возможность осуществлять с высокими скоростями такие важные в практическом отношении реакции, как электровосстановление пероксида водорода и молекулярного кислорода. В этом плане наиболее интересны обнаруженные в конце 70-х годов реакции прямого биоэлектрокатализа, протекающие в условиях непосредственного обмена электронами между электродом и активным центром белкового катализатора. Перечень ферментов, в присутствии которых наблюдаются подобные реакции, заметно пополняется в последние годы, однако механизм реакции остаётся предметом дискуссий.

Целью настоящей работы являлось изучение закономерностей био-электрокаталитических реакций в системе электрод — активный центр фермента — субстрат для гемсодержащего фермента пероксидазы, адсорбированного на углеродных электродах (сажа, пирографит) и встроенного в полимерные плёнки.

Непосредственный перенос электрона между электродом и активным центром фермента (в отсутствие субстрата) является, по-видимому, необходимым условием для реализации прямого биоэлектрокатализа. В этом случае на циклических вольтамперных кривых (ЦВА) должна наблюдаться характерная картина редокс-превращения простетических групп белковых катализаторов. Первая глава экспериментальной части настоящей работы посвящена изучению редокс-превращений пероксидазы и её модели микро-пероксидазы на углеродных электродах.

Механизму самой реакции пероксидазного электрокатализа (чрезвычайно важной в практическом отношении) посвящена вторая глава. Подробно анализируется влияние различных экспериментальных факторов на скорость восстановления пероксида водорода и кислорода пероксидазой, адсорбированной на углеродном электроде, на основе чего предлагается возможная схема реакции и механизм переноса электрона между электродом, активным центром пероксидазы и субстратом.

Эффективность функционирования ферментных электродов повышается во многих случаях в результате иммобилизации белковых катализаторов в полимерные плёнки. По этой причине следующий этап диссертационной работы заключался в исследовании реакции восстановления пероксида водорода пероксидазой, соиммобилизованной с электропроводным (полиметил-пиррол) и неэлектропроводным (Нафион) полимерами.

Часть I. Обзор литературы.

Выводы

1. Подробно изучены окислительно-восстановительные превращения пе-роксидазы и модели фермента — микропероксидазы (МП-11) на углеродном электроде. Редокс-переход пероксидазы вблизи потенциала 0,2 В (рН=-7), наблюдаемый также и для микропероксидазы, подавляется при инактивации фермента избытком Н2О2. На основании полученных результатов, а также анализа кинетики окислительно-восстановительных реакций, можно сделать вывод о том, что данные редокс-превращения относятся к активному центру пероксидазы.

2. Исследована реакция восстановления пероксида водорода пероксида-зой, адсорбированной на сажевом и пирографитовом электродах. На основании анализа зависимости скорости реакции от концентрации субстрата при различных потенциалах, скорости вращения электрода, рН растворавлияния ингибиторов и активаторов фермента сделано предположение о том, что механизм пероксидазного электрокатализа на углеродном материале подобен механизму ферментативного катализа. При этом в электрохимической системе электрод выполняет ту роль, которую в биохимических реакциях выполняет органический субстрат-восстановитель.

3. Показана возможность аналитического определения Р" и ОЧ" ионов по игибированию, а бензотриазола по активации электрокаталитического восстановления Н202. Ускорение реакции азотсодержащими нуклеофилами позволяет выдвинуть следующую гипотезу: фермент, катализирующий катодную реакцию пероксида водорода ориентирован к поверхности электрода тем участком белковой глобулы, по которому происходит связывание ароматических субстратов в ферментативном катализе.

4. В данной работе впервые обнаружен эффект ускорения реакции электровосстановления кислорода адсорбированой на саже пероксидазой в отсутствие медиатора. Увеличение тока востановления 02 на «плавающем» газодиффузионном ферментном электроде более чем вдвое, по сравнению с аналогичным электродом без фермента (в области кинетического контроля реакции), является доказательством наличия электрокаталитической окси-дазной функции пероксидазы.

5. Показано, что соиммобилизация пероксидазы с электропроводным полимером 1Ч-метилпирролом приводит к существенному увеличению электрокаталитической активности на композитных фермент-полимерных плёнках. Независимость тока восстановления от толщины подслоя метилпиррола является убедительным аргументом в пользу наличия непосредственного обмена электронами между электропроводным полимером и молекулами фермента.

6. Установлена возможность увеличения электрокаталитической активности пероксидазы в реакции восстановления Н202 в результате соиммоби-лизации фермента с неэлектропроводным катионообменым полимером На-фион.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.А. Богдановская, М. Р. Тарасевич. Успехи биоэлектрокатализа. В сб. Итоги науки и техники. Сер. Электрохимия, т.27. М.: ВИНИТИ, 1988. с. 111−157.
  2. М.Р. Электрохимия углеродных материалов. М.: Наука, 1984, 250 с.
  3. Ghindilis A.L., Atanasov P., Wilkins E. Enzyme-catalyzed direct electron transfer: fundamentals and analytical applications. Electroanalysis, 1997, vol.9, p.661−674.
  4. Ю.Ю., Разумас В. Й. Биокатализ в электрохимии органических соединений.- Вильнюс: Мокслас, 1983, 168 с.
  5. В.А., Тарасевич М. Р. Перспективы развития электрохимических биосенсоров для экологии и медицины Сенсорные системы., 1997, т.11, стр.483−493
  6. Ю. Ю. Разумас В.Й. Биоамперометрия.- Вильнюс: Мокслас, 1986, 215 с.
  7. Andrieux С.P., Audebert P. at all. Kinetic behavior of an amperometric biosensor made of a enzymatic carbon paste and a Nafion gel investigated by rotating electrode studies.- J.Electroanal.Chem., 1995, v.394, p.141−148.
  8. Wang J., Wui H. Highly selective biosensing of glucose utilizing a glucose oxidase + rhodium + Nafion biocatalytic electrocatalytic- permselective surface microstructure. — J.Electroanal.Chem., 1995, v.395, p.287−291.
  9. Schuhmann W., Kranz C. at all. Conducting polymer-based amperometric enzyme electrodes. Toward the development of miniaturized reagentless biosensors. Synthetic Metals, 1993, vol.61, p.31−35.
  10. Barlett P.N. and Birkin P.R. The application of conducting polymers in biosensors.- Synthetic Metals, 1993, vol.61, p. 15−21.
  11. И.В., Богдановская В. А., Варфоломеев С. Д., Тарасевич М. Р., Ярополов А. И. Биоэлектрокатализ. Равновесный кислородный потенциал в присутствии лакказы. Докл. АН СССР, 1978, т.240, с.616−618.
  12. Ярополов, А И., Гиндилис A. J1. Связь между электрохимическими превращениями простетической группы и каталитической активностью лакказы Электрохимия, 1985, т.21, стр.982−983.
  13. В.А., Гаврилова Е. Ф., и др. Биоэлектрокатализ. Использование о-дифенолоксидазы для ускорения реакции электровосстановления кислорода. Электрохимия, 1980, т. 16, с. 1596−1599.
  14. В.А., Варфоломеев С. Д. и др. Биоэлектрокатализ. Активация водородной реакции иммобилизованной гидрогеназой. Электрохимия, 1980, т. 16, с.763−767.
  15. А.И., Маловик В., Варфоломеев С. Д., Березин И. В. Электровосстановление перекиси водорода на электроде с иммобилизованной перок-сидазой. Докл. АН СССР, 1979, т.249, № 6, с. 1399−1401
  16. Guo L.H., Hill Н.А.О., Lawrance G.A. and Sanghera G.S. Direct un-mediated electrochemistry of enzyme/? cresolmethilhydroxylase. — J.Electroanal.Chem., 1989, vol.266, p.379−396.
  17. Guo L.H., Hill H.A.O., Hopper D.J. at all. Direct voltammetry of the chromatium vinosum enzyme, sulfide: cytochrome С oxidoreductaseflavocytochrome C552). J.BioI.Chem., 1990, vol.265,p. 1958−1963.
  18. Burrows A.L., Hill H.A.O. at all. Direct electrochemistry of the enzyme, methylamine dehydrogenase, from bacterium W3A1. Eur.J.Biochem., 1991, vol.199, p.73−78.
  19. Hirst J., Sucheta A. Ackrell B.C.A. and Armstrong F.A. Electrocatalytic voltammetry of succinate dehydrogenase: direct quantification of the catalyticproperties of a complex electron transport enzyme. — J.Am.Chem.Soc., 1996, vol.118, p.5031−5038.
  20. Khan G.F., Shinohara H., Ikariyama Y. and Aizawa M. Electrochemical behavior of monolayer quinoprotein adsorbed on the electrode surface. -J.Electroanal.Chem., 1991, vol.315, p.263−273.
  21. Ikeda T., Kobayashi D. and Matsushita F. Bioelectrocatalysis at electrodes coated with alcohol dehydrogenase. J.Electroanal.Chem., 1993, vol.361, p.221−228.
  22. Larsson T., Elmgrem M. at all. Electron transfer between cellobiose dehydrogenase and graphite electrodes. Analytica Chimica Acta, 1996, vol.331, p. 207−215.
  23. Rodrigues С. G., Wedd A.G. Electrochemistry of xanthine oxidase at glassy carbon and mercury electrodes. J.Electroanal.Chem., 1991, vol.312, p. 131 140.
  24. П., Богдановская В. А., Илиев И., Тарасевич М. Р., Воробьев В.Г.- Окислительно-восстановительные реакции глюкозооксидазы на углеродных материалах Электрохимия, 1989, т.25, вып.11, стр. 1480 — 1486.
  25. Н.Н., Лебедева О. В., Савицкий А. П. Пероксидазный катализ и его применения. М.:МГУ, 1981, 92 с.
  26. И.Г. Молекулярная и генетическая структура пероксидаз В сб. Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология, т.36, М.:ВИНИТИ, 1992, с.28−54.
  27. Ким Б. Б. Механизм действия пероксидазы В сб. Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология, М.:ВИНИТИ, 1992, с. 126−141.
  28. Gorton L., Jonsson-Petterson G. at all. Amperometric biosensors based on an apparent direct electron transfer between electrodes and immobilized peroxidases. Analyst, 1992, vol.117, p. 123 5−1240.
  29. Gorton L., Csoregi E. at all. Selective detection in flow analysis based on the combination of immobilized enzymes and chemically modified electrodes. -Analytica Chimica Acta, 1991, vol.250, p.203−248.
  30. Wollenberger U., Wang J., Ozsoz M., Gonzalez-Romero E. Bulk modified enzyme electrodes for reagentless detection of peroxides. Bioelectrochem. Bioenerg., 1991, vol.26, p.287−296.
  31. Csoregi E., Gorton L., at all. Peroxidase-modified carbon fiber microelectrodes in flow-through detection of hydrogen peroxide and organic peroxides. Anal. Chemistry, 1994, vol.66, p.3604−3610.
  32. Kulys J., Schmid R.D. Mediatorless peroxidase electrode and preparation of bienzyme sensors. Bioelectrochem. Bioenerg., 1990, vol.24, p.305−311.
  33. Ruzgas Т., Gorton L., Emneus J., Marko-Varga G. Kinetic models of horseradish peroxidase action on a graphite electrode. J. Electroanal.Chem., 1995, vol.391, p.41−49.
  34. Ruzgas Т., Emneus J., Gorton L., Marko-Varga G. The development of a peroxidase biosensor for monitoring phenol and related aromatic compound. -Analytica Chimica Acta, 1995, vol.311, p.245−253.
  35. Kulys J.J., Samalius A.S., Svirmickas G.J.S. Electron exchange between the enzyme active center and organic metal. FEBS Letters, 1980, vol. l 14, p.7 — 10.
  36. Deng Q., Dong Sh. Mediatorless hydrogen peroxide electrode based on horseradish peroxidase entrapped in poly (o-phenylenediamine). -J.Electroanal.Chem., 1994, vol.377, p. 191−195.
  37. Tatsuma Т., Godaira M., Watanabe T. Peroxidase-incorporated polypyrrole membrane electrodes. Anal. Chemistry, 1992, vol.64, p. 1183−1187.
  38. Yang Y, Shaolin Mu. Bioelectrochemical responses of the poly aniline horseradish peroxidase electrodes. J. Electroanal.Chem., 1997, vol.432, p.71−78.
  39. Yang L., Janle E. at all. Applications of «Wired» peroxidase electrodes for peroxide determination in liquid chromatography coupled to oxidase immobilized enzyme reactors. Anal.Chem., 1995, vol.34, p. 1326−1331.
  40. Zhao J., Henkens R.W., J. Stonehuerner at all. Direct electron transfer at horseradish peroxidase-colloidal gold modified electrodes. -J.Electroanal.Chem., 1992, vol.327, p.109−119.
  41. Yaropolov A.I., Tarasevich M.R., Varfolomeev S.D. Electrochemical properties of peroxidase.- Bioelectrochem.Bioenerg., 1978, vol.5, p.18−24.
  42. В.А.Богдановская, Е. Г. Хорозова, В. Г. Воробьев, М. Р. Тарасевич, Г. И. Щерев. Ферментативные и электрохимические реакции с участием пе-роксидазы. Электрохимия, 1988 т.26, вып.5, стр.573−576.
  43. В.Й., Гудавичюс А. В., Кулис Ю. Ю. Кинетика восстановления пе-роксидазы на модифицированных электродах. Электрохимия, 1986 т.23, вып. 1, стр. 136−141.
  44. Durliat Н., Courteix A., Comtat М. Reactions of horseradish peroxidase on a platinum cathode. Bioelectrochem.Bioenerg., 1989, vol.22, p. 197−209.
  45. Li J., Yan J., Deng Q., Cheng G., Dong Sh. Viologen-thiol self-assembled monolayers for immobilized horseradish peroxidase at gold electrode surface. -Electrochimica Acta, 1997, vol.42, p.961−967.
  46. Li J., Dong Sh. The electrochemical study of oxidation-reduction properties of horseradish peroxidase. J.Electroanal.Chem., 1997, vol.431, p.19−22.
  47. А.И., Сухомлин Т. К., и др. О возможности туннельного переноса электрона при ферментативном катализе электродных процессов.-Докл.АН СССР, 1981, т.260, стр. 1192−1195.
  48. Kulys J.J., Samalius A.S. Dependence of the effiency of bioelectrocatalytic processes on the electrode surface state.- Bioelectrochem. Bioenerg., 1984, vol.13, p.163−169.
  49. Ф., Кирштайн Д., и др. Ферменты в электрохимических биосенсорах. Электрохимия, 1993, т.29, № 12, стр. 1522−1527.
  50. A.M., Bogdanovskaya V.A., Tarasevich M.R., Gavrilova E.F. -The mechanism of cathode reduction of oxygen in a carbon carrier laccase system -FEBS Letters, 1987, vol.215, p.219−222.
  51. Ksenzhek O.S., Petrova S.A. Redox properties of ferriprotoporphyrin IX in aqueous solutions. Bioelectrochem. Bioenerg., 1978, vol.5, p.661−670.
  52. Kadish К. M., Jordan J. Electrode kinetics of heme and electron-transfer mechanism of heme and hemoproteins. J.Electrochem.Soc., 1978, vol.125, p.1250−1257.
  53. Lotzbeyer Т., Schuhmann W., Ludwig-Scmidt H. Direct electrocatalytical H202 reduction with hemin covalently immobilized at a monolayer-modified gold electrode. -J.Electroanal.Chem., 1995, vol.395, p.341−344.
  54. Santucci R., Reinhard H., and Brunori M. Direct electrochemistry of the undecapeptide from cytochrome С (microperoxidase) at a glassy carbon electrode.- J.American.Chem.Soc., 1988, vol.110, p.8536−8537.
  55. Razumas V., Kazlauskaite J., Ruzgas T., and Kulys J. Bioelectrochemistry of microperoxidases. Bioelectrochem. Bioenerg., 1992, v.28, p. 159−176.
  56. Lotzbeyer T., Schuhmann W., Schmidt H.L. Minizymes. A new strategy for the development of reagentless amperometric biosensors based on direct electron-transfer processes. Bioelectrochem.Bioenerg., 1997, vol.42, p.1−6.
  57. Lotzbeyer T., Schuhmann W., at all. Direct electron transfer between the covalently immobilized enzyme microperoxidase MP-11 and a cystamine-modified gold electrode.- J.Electroanal.Chem., 1994, vol.377, p.291−294.
  58. Reinhammar B. The coordination chemistry of metalloenzymes/ Ed. Reiclel D. -New York, Marcel Dekker, 1983, p. 177−200.
  59. .Б., Петрий О. А. Введение в электрохимическую кинетику -М: Высшая школа, 1983, с. З 400.
  60. Т. Основы ферментативной кинетики М.: Мир, 1990, 348 с.
  61. Laviron Е. Voltammetric methods for study of adsorbed species. In: Electroanalytical Chemistry/Ed. A.J. Bard. New York: Marcel Dekker, 1982, vol.12, p.53−157.
  62. Armstrong F.A., Hill H.A.O., et all. Direct electrochemistry of redox proteins at pyrolytic graphite electrodes. J.American.Chem.Soc., 1984, vol.106, p. 921 -923.
  63. Ksenzhek O.S., Petrova S.A. Electrochemical properties of flavins in aqueous solutions. Bioelectrochem.Bioenerg., 1983, vol.11, p. 105−127.
  64. Bartlett P.N., Whitaker R.G. Electrochemical immobilisation of enzymes. Part II. Glucose oxidase immobilized in poly-N-methylpyrrole J. Electroanal. Chem., vol.224, (1987), p.37 — 48.
  65. Belanger D., Nadreau J., Fortier G. J. Electrochemistry of the polypyrrole glucose oxidase electrode. J. Electroanal.Chem., vol.274 (1989), p.143−155.
  66. G. Dryhurst, K. Kadish, F. Scheller and R. Renneberg. Biological Electrochemistry, vol.1, Academic Press, New York, 1982.
  67. Yaropolov A.I., Varfolomeev S.D., Berezin I.V. et all. FEBS Lett., 1976. Vol.71, p.306−308
  68. M.P., Радюшкина K.A., Богдановская B.A. Электрохимия пор-фиринов М. :Мир, 1991,311с.
  69. М.Р., Орлов С. Б., Школьников Е. И. и др. Электрохимия полимеров М.:Наука, 1990, 236 с.
  70. Г. В., Кукушкина И. А., Багоцкий B.C., Тарасевич М. Р. // Исследование кинетики восстановления кислорода на дисперсных углеродных материалах. Электрохимия, 1979. Т. 15, № 4, с. 527 — 532.
  71. Ikaeda Т., Miyaoka S., Miki К. J. Electroanal.Chem., 1993, vol.352, p.267
  72. Zhang J., Chi Q., Dong Sh., Wang E. In situ electrochemical scanning tunnelling microscopy investigation of structure for horseradish peroxidase and its electrocatalytic property. Bioelectrochem.Bioenerg., 1996, vol.39, p.267−274.
  73. Weber J., Kavan L. and Sticka M. Electrodes, modified by perfluoro ionexchange polymeric films prepared from aqueous solutions of Nafion and Tosflex. J. Electroanal.Chem., 1993, vol.353, p.
  74. CRC Handbook of chemistry and Physics/Ed. D.R. Lide, Amsterdam, 1992.
  75. Bianko P., Haladjan J. Electrochemical behavior of redox proteins entrapped in Nafion films Electroanalysis, 1994, vol.6, p.415 — 422.
  76. Paddock R.M. and Bowden E.F. Electrocatalytic reduction of hydrogen peroxide via direct electron transfer from pyrolytic graphite electrodes to irreversibly adsorbed cytochrome С peroxidase J. Electroanal. Chem., 1989, vol.260, p. 487 — 494.
  77. Iliev I., Kaisheva A., Gamburra S., Atanasov P., Ghindilis A. Bifunctional hydrogen peroxide electrode as an amperometric transduser for biosensors. Sensors and Actuators (B: Chemical), 1997, vol. 43, 1997.
  78. Bartlett P., Cooper J. A review of the immobilization of enzymes in electro-polymerized films. J. Electroanal. Chem., 1993, vol.362, p. 1−12.
  79. Szucs A., Novak M. Stable and reversible electrochemistry of cytochrome C on bare electrodes J. Electroanal. Chem., 1995, vol.383, p. 75 — 86.
  80. Armstrong F.A., Bond A. M., Hill H.A.O., Psalti I.S.M. J. Phys. Chem., 1989, vol.93, p.6485
  81. Armstrong F.A., Hill H.A.O. and Oliver B.N. J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1984, vol.103, p.976.
  82. Bucki F.N., Bond A., M. Interpretetion of the electrochemistry of cytochrome C at macro an micro sized carbon electrodes using a microscopic model based on a partially blocked surfase J. Electroanal. Chem., 1991, vol.314, p.191−206.
  83. Atta N., Marawi I., Petticrew K., Zimmer H. Electrochemistry and detection of organic and biological molecules at conducting polymer electrodes. J. Electroanal. Chem., 1996, p. 47−56.
  84. Skimmer N., Hall E. Investigation of the origin of the glucose response in a glucose oxidase/polyaniline system. J. Electroanal. Chem., 1997, vol.420, p.179 — 188.
  85. Heering H.A., Hagen W. R. Complex electrochemistry of flavodoxin at carbon-based electrodes: results from a combination of direct electron transfer, flavin-mediated electron transfer and comproportionation. J. Electroanal. Chem., 1996, p.249 — 260.
  86. Xue H., Mu Sh. Bioelectrochemical response of the polypyrrole xantine oxidase electrode. J. Electroanal. Chem., 1995, vol.396, p.241−247.
  87. Shaodun M., Jinqing K., Jianbing Z. Bioelectrochemical responses of the polyaniline uricase electrode. — J. Electroanal. Chem., 1992, vol.334, p. 121−132.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!