1.Введение

Участок оксидоредуктазы, ответственный за окислительно-восстановительные превращения, протекающие при участии фермента, обычно спрятаны глубоко внутри глобулы фермента. Такая пространственная изоляция редокс-центра от его микроокружения обеспечивает также возможность его неравновесного состояния относительно белкового окружения. В свою очередь, благодаря таким дисбалансам, постоянно реализуемым в биологических системах, реализуются разнообразные селективные химические и электрохимические превращения, обеспечивающие саму жизнь. В попытках понять эти процессы, были предприняты подробные исследования, как экспериментальные [1], так и теоретические [2], зависимости скорости электронного переноса в белках от расстояния до редокс-центров. В соответствии с теорией Маркуса, константа скорости электронного переноса в паре донор-акцептор выражается ур.1, где ΔG° и λ - энергия Гиббса и энергия реорганизации реакции переноса электрона, do и d - расстояние Ван дер Ваальса и реальное расстояние, разделяющее центры донора и акцептора.

(1)

Если рассматривать электрод и редокс-центр фермента как пару донор-акцептор, становится понятным, что толстая оболочка белка, окружающая активный центр фермента, представляет собой эффективный кинетический барьер переноса электрона.

Электрохимическая изоляция активного центра фермента белком или гликопротеином обычно предотвращает любую возможность прямого электронного переноса с объемом раствора [3]. Тем не менее, в строго контролируемых условиях некоторые ферменты могут участвовать в прямом электронном переносе с электродом без участия медиаторов. Такие процессы могут обеспечивать протекание ряда биокаталитических превращений [4,5]. Например, была показана возможность прямого электровосстановления O2 и H2O2 , катализируемого ферментами лакказой [6] и пероксидазой из корней хрена (horseradish peroxidase, HRP) [7]. Неожиданно легкий перенос электрона, как полагают, связан с неполной капсуляцией редокс-центров фермента. Если эти ферменты нужным образом ориентировать на поверхности электрода, удаление редокс-центра от электрода оказывается относительно небольшим, и перенос электрона протекает сравнительно легко. Таким образом, прямому электронному переносу между электродом и активным центром фермента  способствует определенная морфология электрода (в наномасштабе).

Подробнее см. Главу 2. Прямой электронный перенос между ферментом и электродом

Модификация электрода наночастицами металлов - один из приемов, обеспечивающих поверхности необходимые свойства для прямого электронного переноса [8].  Электрическая связь оксидоредуктаз с электродом может быть также получена при использовании синтетических или природных носителей заряда, выступающих в качестве посредника между редокс-центрами и электродом. Эти молекулы - искусственные доноры или акцепторы электрона (соответственно для окисленных и восстановленных форм фермента) обычно называют  медиаторами электронного переноса. Их можно включать в реакции, катализируемые оксидоредуктазами, вместо природных окислителей или восстановителей [9]. Медиаторы могут принадлежать самым различным классам соединений, и тем самым демонстрировать разнообразные свойства, включая значения редокс-потенциалов. Величина последнего должна обеспечивать необходимый градиент для переноса электрона между редокс-центром и электродом. Так, для окислительного биокатализа величина стандартного редокс-потенциала медиатора Е0(М) должна быть больше стандартного редокс-потенциала активного центра фермента Е0 : Е0(М)>Е0, в случае восстановительного биокатализа - наоборот: Е0(М)<Е0. В реакции переноса заряда между редокс-центром и электродом медиатор претерпевает циклические превращения между своей окисленной и восстановленной формами. Для этого обе формы должны быть устойчивы и не должны участвовать в побочных реакциях с микроокружением активного центра фермента. Эффективный медиатор часто конкурирует с природными субстратами фермента (например, кислородом в случае оксидаз), определяя устойчивый поток электронов к электроду. Его реакции с окисленными и восстановленными формами активного центра должны быть достаточно быстрыми, а с электродом - электрохимически обратимыми. Это предполагает большие константы скорости переноса электрона ket на границе электрод-растворСовокупная эффективность переноса электрона с участием медиатора зависит также от свойств других компонентов процесса, так сказать, общей архитектуры. Так, медиатор, не способный конкурировать с растворенным кислородом в условиях свободного диффузионного переноса, может быть очень эффективным в составе организованных супрамолекулярных слоев. Существуют разнообразные подходы и биоэлектрохимические системы, расширяющие возможность электрической коммуникации между оксидоредуктазами и электродом при участии медиаторов - от простых (ферменты и медиаторы в растворе) до очень сложных, изощренных систем со многими компонентами. В таких системах перенос электрона осуществляется в несколько стадий, в каждой из которых перенос осуществляется на очень короткое расстояние. Они нашли практическое воплощение в многочисленных амперометрических биосенсорах, а также биоэлектрокаталитических системах, включая биореакторы и топливные элементы. Фермент может быть также элементом более сложной системы - например, если контроль реакции осуществляется за счет инициирования одной из стадий переноса электрода внешним сигналом (свет).

 

Цель настоящего обзора - дать представление о таких системах, в которых оксидоредуктазы осуществляют электрический контакт с электродом посредством медиаторов электронного переноса. Все потенциалы в тексте и на рисунках приведены относительно нас.к.э.

 

 

Литература:
1 a) J.A. Cowan, H.B. Gray, Chem. Scripta 1988, 28A, 21-26;
   b) A.G. Sykes, Chem. Soc. Rev. 1985, 14, 283-321;
   c) S.S. Isied, Prog. Inorg. Chem. 1984, 32, 443-517;
   d) S.E. Peterson-Kennedy, J.L. McGourty, P.S. Ho, C.J. Sutoris, N. Liang, H. Zemel, N.V. Blough, E. Margoliash, B.M. Hoffman, Coord. Chem. Rev. 1985, 64, 125-133;
   e) G. McLendon, T. Guarr, M. McGuire, K. Simolo, S. Strauch, K. Taylor, Coord. Chem. Rev. 1985, 64, 113;

   f) T. Tanaka, K. Takehaka, H. Kawamura, Y. Beppu, J. Biochem. (Tokyo) 1985, 99, 833;
   g) J.R. Miller, in: Antennas and Reaction Centers of Photosynthetic Bacteria, M.E. Michel-Beyerle, Ed., Springer-Verlag, Berlin, 1985, 234.
2 a) M. Bixon, J.J. Jortner, J. Phys. Chem. 1986, 90, 3795;
   b) R.A. Marcus, N. Sutin, Biochem. Biophys. Acta 1985, 811, 265;
   c) D. DeVault, Quantum Mechanical Tunneling in Biological Systems, 2nd ed.,
Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1984;
   d) A.K. Churg, R.M. Weiss, A. Warshel, T. Takano, J. Phys. Chem. 1983, 87, 1683-1694;
   e) S. Larson, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2 1983, 79, 1375;
   f) J.J. Hopfield, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1974, 71, 3640-3644;
   g) J.N. Onuchic, D.N. Beratan, J.J. Hopfield, J. Phys. Chem. 1986, 90, 3707-3721.
3 A. Heller, Acc. Chem. Res. 1990, 23, 128-134.
4 A.L. Ghindilis, P. Atanasov, E. Wilkins, Electroanalysis 1997, 9, 661-674.
5 W. Schuhmann, Biosens. Bioelectron. 1995, 10, 181-193.
6 I.V. Berezin, V.A. Bogdanovskaya, S.D. Varfolomeev, M.R. Tarasevich, A.I. Yaropolov, Doklady Akad. Nauk SSSR. 1978, 240, 615-618.
7 A.I. Yaropolov, V. Malovik, S.D. Varfolomeev, I.V. Berezin, Doklady Akad. Nauk SSSR 1979, 249, 1399-1401.
8 a) J. Zhao, R. Henkens, J. Stonehuerner, J.P. O’Daly, A.L. Crumbliss, J. Electroanal. Chem. 1992, 327, 109-119;
   b) S. Yabuki, F. Mitzutani, Electroanalysis 1997, 9, 23-25.
9 P.N. Bartlett, P. Tebbutt, R.C. Whitaker, Prog. Reaction Kinetics 1991, 16, 55-155.
 

Глава 2