Вольтамперометрия белковой пленки - Protein film voltammetry

В электрохимия, белковая пленочная вольтамперометрия (или же электрохимия белковой пленки, или же прямая электрохимия белков) - это метод исследования поведения белки иммобилизован (либо адсорбированный или ковалентно прикреплен) на электрод. Техника применима к белки и ферменты которые занимаются перенос электронов реакции, и это часть методов, доступных для изучения кинетика ферментов.

При условии, что он имеет подходящий контакт с поверхностью электрода (перенос электронов между электродом и белком прямой) и при условии, что он не денатурированный, белок можно эффективно исследовать, отслеживая ток как функцию электродный потенциал и другие параметры эксперимента.

Могут использоваться различные электродные материалы.^[1] Для работы с мембраносвязанными белками требуются электроды специальной конструкции.^[2]

Эксперименты с окислительно-восстановительными белками

Малые окислительно-восстановительные белки, такие как цитохромы и ферредоксины могут быть исследованы при условии, что их электроактивное покрытие (количество белка, подвергающегося прямому переносу электронов) достаточно велико (на практике больше доли пмоль / см²).

Электрохимические данные, полученные с небольшими белками, можно использовать для измерения окислительно-восстановительные потенциалы окислительно-восстановительных сайтов белка,^[3] скорость переноса электронов между белком и электродом,^[4] или скорости химических реакций (таких как протонирование), которые связаны с переносом электронов.^[5]

Интерпретация пикового тока и площади пика

Рис. 1. Вольтамперометрические сигналы для одноэлектронного (A) или двухэлектронного (B) окислительно-восстановительного вещества, адсорбированного на электроде в пределе низкой скорости сканирования. Показанный здесь ток нормализован на ${\displaystyle F^{2}\nu A\Gamma /RT}$, подразумевая, что измеряемый ток увеличивается пропорционально скорости сканирования (${\displaystyle \nu }$).

Рис. 2. Влияние скорости сканирования на вольтамперометрию одноэлектронного окислительно-восстановительного вещества, адсорбированного на электроде (ток, показанный здесь, нормирован на ${\displaystyle F^{2}\nu A\Gamma /RT}$, подразумевая, что измеряемый ток увеличивается пропорционально скорости сканирования (${\displaystyle \nu }$)) рассчитано для ${\displaystyle \alpha =0.5}$, ${\displaystyle T=298}$K. Скорость сканирования увеличивается от синего до красного. А: вольтамперограммы. B: пиковые потенциалы

В циклический вольтамперометрический эксперимент проведенное с адсорбированным окислительно-восстановительным белком, окисление и восстановление каждого окислительно-восстановительного сайта отображается в виде пары положительных и отрицательных пиков. Поскольку весь образец окисляется или восстанавливается во время развертки потенциала, пиковый ток и площадь пика должны быть пропорциональны скорости сканирования (наблюдение за тем, что пиковый ток пропорционален скорости сканирования, доказывает, что редокс-частицы, которые дают пик, фактически иммобилизованы).^[3] То же самое верно и для экспериментов, проводимых с небиологическими окислительно-восстановительными молекулами. адсорбированный на электроды. Теория была в основном разработана французским электрохимиком Этьеном Лавироном в 1980-х годах.^[4],[6],[7].

Поскольку оба эти фарадеевское течение (который возникает в результате окисления / восстановления адсорбированной молекулы) и емкостной ток (возникающий в результате зарядки электрода) увеличивается пропорционально скорости сканирования, пики должны оставаться видимыми при увеличении скорости сканирования. Напротив, когда редокс-аналит находится в растворе и диффундирует к / от электрода, пиковый ток пропорционален квадратный корень скорости сканирования (см .: Уравнение Рэндлса – Севчика. ).

Площадь пика

Независимо от скорости сканирования, площадь под пиком (в единицах AV) равна ${\displaystyle nFA\Gamma \nu }$, куда ${\displaystyle n}$ - число электронов, обмененных при окислении / восстановлении центра, ${\displaystyle A}$ - поверхность электрода и ${\displaystyle \Gamma }$ - электроактивное покрытие (в моль / см²).^[3] Следовательно, последний может быть выведен из площади под пиком после вычитания емкостной Текущий.

Форма пика

Медленная скорость сканирования

При низких скоростях сканирования не должно быть разделения между пиками окисления и восстановления.

• А одноэлектронный сайт (например, гем или кластер FeS) дает широкий пик (рис. 1A). Уравнение, определяющее форму и интенсивность пика:

${\displaystyle {\frac {i}{F^{2}\nu A\Gamma /RT}}=\pm {\frac {\exp \left({\frac {F}{RT}}(E-E^{0})\right)}{(1+\exp \left({\frac {F}{RT}}(E-E^{0})\right)^{2}}}}$

В идеале положение пика ${\displaystyle E_{p}=E^{0}}$ в обоих направлениях. Пиковый ток ${\displaystyle i_{p}=F^{2}\nu A\Gamma /4RT}$ (пропорционально скорости сканирования, ${\displaystyle \nu }$, а также к количеству окислительно-восстановительных центров на электроде, ${\displaystyle A\Gamma }$). Идеальная полуширина на полувысоте (HWHH) равна ${\displaystyle RT/F\times \ln(3+2{\sqrt {2}})=89}$ мВ при 20 ° C. Неидеальное поведение может привести к тому, что пик будет шире идеального предела.

• Форма пика для двухэлектронный окислительно-восстановительный сайт (например, флавин ) зависит от стабильности полусреднего состояния (рис. 1B). Если полувосстановленное состояние стабильно в широком диапазоне электродных потенциалов, сигнал представляет собой сумму двух одноэлектронных пиков (фиолетовая линия на рис. 1В). Если полувосстановленное состояние нестабильно, сигнал представляет собой одиночный пик (красная линия на рис. 1В), который может иметь до четырех раз больше высоты и половины ширины одноэлектронного пика.^[6],[8]
• Белок, содержащий несколько окислительно-восстановительных центров, должен давать несколько пиков, которые имеют одинаковую площадь (в масштабе ${\displaystyle n}$).

Высокая скорость сканирования

Если реакция представляет собой простую реакцию переноса электрона, пики должны оставаться симметричными при высокой скорости сканирования. Разделение пиков наблюдается, когда скорость сканирования ${\displaystyle \nu \gg RTk^{0}/F}$, куда ${\displaystyle k_{0}}$ - константа скорости обменного переноса электрона в Теория Батлера Фольмера. Уравнение Лавирона^[4],[8],[9] предсказывает, что при высокой скорости сканирования пики разделяются пропорционально ${\displaystyle \log(\nu /k^{0})}$. Чем больше ${\displaystyle \nu }$ или меньший ${\displaystyle k^{0}}$, тем больше расстояние между пиками. Пиковые потенциалы равны ${\displaystyle E_{p}=E^{0}\pm {\frac {RT}{\alpha F}}\ln {\frac {\alpha F\nu }{k^{0}RT}}}$,^[4] как показано линиями на рис. 2В (${\displaystyle \alpha }$ это коэффициент передачи заряда ). Таким образом, изучение экспериментального изменения положения пика в зависимости от скорости сканирования дает информацию о скорости межфазного переноса электронов. ${\displaystyle k^{0}}$.

Влияние сопряженных химических реакций

Сопряженные реакции - это реакции, скорость или константа равновесия которых не одинаковы для окисленных и восстановленных форм исследуемых веществ. Например, восстановление должно способствовать протонированию (${\displaystyle pK_{a}^{\rm {ox}}<pK_{a}^{\rm {red}}}$): реакция протонирования сопряжена с восстановлением при ${\displaystyle pK_{a}^{\rm {ox}}<pH<pK_{a}^{\rm {red}}}$. Связывание небольшой молекулы (кроме протона) также может быть связано с окислительно-восстановительной реакцией.

Необходимо рассмотреть два случая в зависимости от того, является ли сопряженная реакция медленный или же быстрый (означает, что масштаб времени связанной реакции больше или меньше, чем вольтамперометрический масштаб времени^[10] ${\displaystyle \tau =RT/F\nu }$).

• Быстрый химические реакции, которые связаны с переносом электрона (например, протонирование), влияют только на кажущиеся значения ${\displaystyle E^{0}}$ и ${\displaystyle k^{0}}$,^[7] но пики остаются симметричными. Зависимость ${\displaystyle E^{0}}$ от концентрации лиганда (например, зависимость ${\displaystyle E^{0}}$ от pH, нанесенного на Диаграмма Пурбе ) можно интерпретировать для получения констант диссоциации (например, константы кислотности ) из окисленных или восстановленных форм редокс-частиц.
• Асимметрия может быть результатом медленный химические реакции, которые связаны с (и ворота) перенос электрона. С помощью быстрой сканирующей вольтамперометрии можно получить информацию о тарифы реакций, связанных с переносом электрона. Случай ${\displaystyle n=1}$ и ${\displaystyle n=2}$ Обратимые поверхностные электрохимические реакции с последующими необратимыми химическими реакциями рассматривались Лавироном в работах.^[6],[11] но данные обычно интерпретируются с помощью численного решения соответствующих дифференциальных уравнений.^[9]

Эксперименты с окислительно-восстановительными ферментами

В исследованиях ферменты, ток возникает в результате каталитического окисления или восстановления фермента субстрат.

Электроактивное покрытие крупных окислительно-восстановительных ферментов (таких как лакказа, гидрогеназа и т. д.) часто бывает слишком низким, чтобы обнаружить какой-либо сигнал в отсутствие субстрата, но электрохимический сигнал усиливается за счет катализа: действительно, каталитический ток пропорционален скорости оборота, умноженной на электроактивное покрытие. Влияние изменения потенциала электрода, pH или концентрация субстраты и ингибиторы и т.д., чтобы узнать о различных этапах каталитического механизма.^[8]

Интерпретация значения каталитического тока

Для фермента, иммобилизованного на электроде, величина тока при определенном потенциале равна ${\displaystyle \pm nFA\Gamma \times {\rm {TOF}}}$, куда ${\displaystyle n}$ - количество электронов, обмениваемых в каталитической реакции, ${\displaystyle A}$ - поверхность электрода, ${\displaystyle \Gamma }$ - электроактивное покрытие, а TOF это частота оборота (или «количество оборачиваемости»), то есть количество молекул субстрата, трансформируемых за секунду и на молекулу адсорбированного фермента). Последнее может быть определено из абсолютный значение тока только при условии, что ${\displaystyle A\Gamma }$ известно, что бывает редко. Однако информация получается путем анализа относительный изменение тока в результате изменения условий эксперимента.

Факторами, которые могут влиять на TOF, являются: (i) массоперенос субстрата к электроду, где фермент иммобилизован (диффузия и конвекция ), (ii) скорость перенос электронов между электродом и ферментом (межфазный перенос электронов) и (iii) «внутренняя» активность фермента, все из которых может зависеть от потенциала электрода.

Фермент часто иммобилизуют на вращающийся дисковый рабочий электрод (RDE), который быстро вращается, чтобы предотвратить истощение подложки возле электрода. В этом случае массоперенос субстрата к электроду, на котором адсорбирован фермент, может не иметь значения.

Устойчивый вольтамперометрический отклик

В очень окислительных или очень восстановительных условиях стационарный каталитический ток иногда имеет тенденцию к предельному значению (плато), которое (все еще при условии отсутствия ограничения массопереноса) связано с активностью полностью окисленного или полностью восстановленного фермента соответственно. Если межфазный перенос электронов медленный и если существует распределение скоростей переноса электронов (в результате распределения ориентации молекул ферментов на электроде), ток продолжает линейно увеличиваться с потенциалом, а не достигать плато; в этом случае предельный уклон пропорциональна скорости оборота полностью окисленного или полностью восстановленного фермента.^[8]

Изменение установившегося тока относительно потенциала часто бывает сложным (например, не просто сигмоидальным).^[12]

Выход из стационарного состояния

Другой уровень сложности связан с существованием медленный окислительно-восстановительные реакции, которые могут изменить активность фермента и привести к отклонению ответа от стационарного.^[13] Здесь, медленный означает, что шкала времени активации (не) аналогична шкале времени вольтамперометрии^[10] ${\displaystyle \tau =RT/F\nu }$. Если RDE используется, эти медленный (in) активации обнаруживаются гистерезис в каталитической вольтамперограмме, что не связано с массопереносом. Гистерезис может исчезнуть при очень высокой скорости сканирования (если у инактивации нет времени для продолжения) или при очень низкой скорости сканирования (если реакция (не) активации достигает установившегося состояния).^[14]

Сочетание вольтамперометрии белковой пленки и спектроскопии

Обычная вольтамперометрия дает ограниченное представление о границе раздела фермент-электрод и о структуре веществ, участвующих в реакции. Дополнение стандартной электрохимии другими методами может дать более полную картину катализа.^[15][16][17].

Рекомендации

1. Jeuken, Ларс Дж. К. (2016). «Структура и модификация электродных материалов для электрохимии белков». Биофотоэлектрохимия: от биоэлектрохимии до биофотоэлектрической энергии. Достижения в области биохимической инженерии / биотехнологии. 158. Спрингер, Чам. С. 43–73. Дои:10.1007/10_2015_5011. ISBN  9783319506654. PMID  27506830.
2. Джюкен, Ларс Дж. К. (23 сентября 2009 г.). «Электроды для интегральных мембранных ферментов». Отчеты о натуральных продуктах. 26 (10): 1234–40. Дои:10.1039 / b903252e. ISSN  1460-4752. PMID  19779638.
3. Бард, Аллен Дж. (2001). Электрохимические методы: основы и приложения. Фолкнер, Ларри Р., 1944- (2-е изд.). Нью-Йорк: Вили. ISBN  9780471043720. OCLC  43859504.
4. Лавирон, Э. (1979). «Общее выражение линейной вольтамперограммы с разверткой потенциала в случае бездиффузионных электрохимических систем». Журнал электроаналитической химии и межфазной электрохимии. 101 (1): 19–28. Дои:10.1016 / с0022-0728 (79) 80075-3.
5. Чен, Кайшэн; Херст, Джуди; Камба, Рауль; Бонагура, Кристофер А .; Стаут, К. Дэвид; Берджесс, Барбара. К .; Армстронг, Фрейзер А. (2000-06-15). «Атомно определенный механизм переноса протона в скрытый окислительно-восстановительный центр в белке». Природа. 405 (6788): 814–817. Дои:10.1038/35015610. ISSN  1476-4687. PMID  10866206.
6. Плихон, В .; Лавирон, Э. (1976). «Теоретическое исследование двухступенчатой ​​обратимой электрохимической реакции, связанной с необратимыми химическими реакциями в тонкослойной линейной вольтамперометрии с разверткой потенциала». Журнал электроаналитической химии и межфазной электрохимии. 71 (2): 143–156. Дои:10.1016 / с0022-0728 (76) 80030-7.
7. Лавирон, Э. (1980). «Теоретическое исследование поверхностной электрохимической реакции 1e, 1H + (четырехчленная квадратная схема), когда реакции протонирования находятся в равновесии». Журнал электроаналитической химии и межфазной электрохимии. 109 (1–3): 57–67. Дои:10.1016 / с0022-0728 (80) 80106-9.
8. Леже, Кристоф; Бертран, Патрик (01.07.2008). «Прямая электрохимия окислительно-восстановительных ферментов как инструмент механистических исследований» (PDF). Химические обзоры. 108 (7): 2379–2438. Дои:10.1021 / cr0680742. ISSN  0009-2665. PMID  18620368.
9. Армстронг, Фрейзер А .; Камба, Рауль; Heering, Hendrik A .; Херст, Джуди; Jeuken, Lars J. C .; Джонс, Энн К .; Леже, Кристоф; Макэвой, Джеймс П. (2000-01-01). «Быстрые вольтамперометрические исследования кинетики и энергетики связанных реакций переноса электрона в белках». Фарадеевские дискуссии. 116 (116): 191–203. Bibcode:2000FaDi..116..191A. Дои:10.1039 / b002290j. ISSN  1364-5498. PMID  11197478.
10. Savéant, Жан-Мишель (2006), Элементы молекулярной и биомолекулярной электрохимии: электрохимический подход к химии переноса электрона, Джон Уайли и сыновья, п. 455, г. Дои:10.1002/0471758078, ISBN  978-0-471-44573-9
11. Лавирон, Э. (1972). «Влияние адсорбции деполяризатора или продукта электрохимической реакции на полярографические токи». Журнал электроаналитической химии и межфазной электрохимии. 35 (1): 333–342. Дои:10.1016 / с0022-0728 (72) 80318-8.
12. Эллиотт, Шон Дж; Леже, Кристоф; Pershad, Harsh R; Херст, Джуди; Хеффрон, Керенса; Жине, Николас; Бласко, Фрэнсис; Ротери, Ричард А; Вайнер, Джоэл Х; Армстронг, Фрейзер (2002). «Обнаружение и интерпретация оптимумов окислительно-восстановительного потенциала каталитической активности ферментов». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика. 1555 (1–3): 54–59. Дои:10.1016 / с0005-2728 (02) 00254-2. PMID  12206891.
13. Фурмонд, Винсент; Леже, Кристоф (2017). «Моделирование вольтамперометрии адсорбированных ферментов и молекулярных катализаторов» (PDF). Текущее мнение в области электрохимии. 1 (1): 110–120. Дои:10.1016 / j.coelec.2016.11.002.
14. дель Баррио, Мелиса; Сенси, Маттео; Орейн, Кристоф; Бафферт, Кэрол; Дементин, Себастьен; Фурмонд, Винсент; Леже, Кристоф (2018). «Электрохимические исследования гидрогеназ и других ферментов, производящих и использующих солнечное топливо» (PDF). Отчеты о химических исследованиях. 51 (3): 769–777. Дои:10.1021 / acs.accounts.7b00622. ISSN  0001-4842. PMID  29517230.
15. Murgida, Daniel H .; Хильдебрандт, Питер (2005). «Редокс и окислительно-восстановительные процессы гемовых белков и ферментов на электрохимических интерфейсах». Физическая химия Химическая физика. 7 (22): 3773–84. Bibcode:2005PCCP .... 7,3773 млн. Дои:10.1039 / b507989f. ISSN  1463-9084. PMID  16358026.
16. Ash, Philip A .; Винсент, Кайли А. (2016). Биофотоэлектрохимия: от биоэлектрохимии до биофотогальваники. Достижения в области биохимической инженерии / биотехнологии. 158. Спрингер, Чам. С. 75–110. Дои:10.1007/10_2016_3. ISBN  9783319506654. PMID  27475648.
17. Корниенко, Николай; Ly, Khoa H .; Робинсон, Уильям Э .; Хейдари, Нина; Чжан, Дженни З .; Рейснер, Эрвин (1 мая 2019 г.). «Передовые методы исследования границы раздела фермент-электрод». Отчеты о химических исследованиях. 52 (5): 1439–1448. Дои:10.1021 / acs.accounts.9b00087. ISSN  0001-4842. ЧВК  6533600. PMID  31042353.