Высокоэффективный электрокатализ гидрогеназами для конверсии органических отходов в электричество

• Автор: Воронин, Олег Геннадьевич
• Шифр специальности: 02.00.15, 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил.

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2.1. Строение и свойства гидрогеназ.

2.1.1. Классификация гидрогеназ.

2.1.2. Строение никельжелезных гидрогеназ

2.1.4. Различные типы состояний активного центра.

2.1.5. Инактивация гидрогеназ

2.1.6. Каталитический цикл.

2.1.7. Роль iгидрогеназ i viv. Классификация.

2.2. Биоэлектрокатапиз ферментами

2.2.1. Медиаторный биоэлектрокатализ.

2.2.2. Прямой биоэлектрокатализ
2.2.3. Методы повышения эффективности биоэлектрокатапиза.
2.3. Биологические топливные элементы
2.3.1. Микробные топливные элементы
2.3.2. Ферментные топливные элементы.
2.4. Методы получения биоводорода
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
3.1 Материалы
3.2. Оборудование
3.3. Методы
3.3.1. Определение активности гидрогеназ
3.3.2. Приготовление ферментных электродов
3.3.3. Исследование электрохимической активности ферментных электродов
3.3.4. Исследование операционной стабильности ферментных электродов.
3.3.5. Исследование влияния кислорода на электрохимическую активность гидрогеназных электродов.
3.3.7. Исследование зависимости характеристик ферментных электродов от парциального давления водорода.
3.3.8. Исследование процесса конверсии водорода, продуцируемого бактериями, в электричество
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.
4.1. Кинетические характеристики катализа гидрогеназами, предельные токи.
4.2. Повышение эффективности биоэлектрокатализа гидрогеназами из различных источников.
4.2.1. Ферментные электроды на основе поливиологена.
4.2.2. Эдектрополимсризованный нейтральный красный как промотор биоэлекгрокатализа гидрогеназами
4.2.3. Дизайн поверхности электрода с использованием метода пограничной полимеризации.
4.2.4. Композитные электроды
4.3. Биоэлектрокатализ ЫАОзависимой гидро1еназой.
4.4. Технологические харакгеристики.
4.4.1. Влияние рабочего раствора на характеристики элскгродов
4.4.2. Влияние кислорода на характеристики ферментных электродов
4.4.3. Термостабильность.
4.5. Применение ферментных электродов для создания водородного биосенсора
4.6. Поглощение водорода, продуцируемого микроорганизмами
4.6.1. Фототрофныс микроорганизмы
4.6.2. Гетеротрофные микроорганизмы
5. ВЫВОДЫ
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
Список используемых


Несмотря на то, что ферменты обеих групп могут катализировать как реакцию окисления водорода, так и обратную ей, i viv, как правило, iгидрогсназы катализируют окисление водорода, гидрогеназы как окисление, так и выделение водорода. ЮТе и ГеРсгидрогеназы филогенетически не связаны, что доказано отсутствием гомологичности в ДНКпослсдователыюстях, кодирующих гидрогеназы в различных организмах . Это является доказательством их конвергентной эволюции. Ы1Регидрогсназы в подавляющем большинстве являются двусубъединичными металопротеинами. Большая кДа и малая кДа субъединицы чрезвычайно прочно связаны, хотя между ними и отсутствуют ковалентные связи. В большой субъединице находятся активный центр, газовый гидрофобный канат и цепь переноса протонов. В малой субъединице находится цепь переноса электронов, состоящая из железосерных кластеров, по которой электроны от глубоко погруженного в глобулу активного центра выводятся к поверхности молекулы, где передаются на физиологический акцептор. В активном центре находятся атомы никеля и железа, связанные через два мостиковых цистеина Суь3 и Сув рис. Расстояние между атомами металлов составляет 2,А . Атом железа также координирован с двумя группами СРГ связь БсСЫ А и одной группой СО связь ГсСО 1,7А . Группы СЛ4 находятся в гидрофильном окружении и образуют водородные связи с атомами аминокислотных остатков белка . Группа СО находится в гидрофобном окружении. Атом никеля скоординирован еще с двумя цистеиновым остатками СуБбЗО и СуБб5, один из которых участвует в процессе переноса протона и может быть селеноцистеином, как, например, в гидрогеназс из Ве. Ыит ЪасиШит . В окисленном неактивном состоянии имеется ещ один лиганд, образующий мостик между атомами железа и никеля. Предполагается, что это кислород или гидроксигруппа . В восстановленном состоянии он замещается гидридионом. Активный центр погружен в молекулу белка на А от поверхности . Канал образован гидрофобными аминокислотами , причем мутантные гидрогеназы с уменьшенным диаметром канала демонстрируют более низкую чувствительность к кислороду, чем штаммы дикого типа. Предполагается, что присутствующие на конце газового канала в М1Регидрогеназах остатки изолейцина и фенилаланина необходимы для образования своего рода узкого горлышка, затрудняющего доступ крупных молекул, ингибирующих фермент . Рис. Структура МРегидрогеназы из О. В состав ЛРегидрогеназ входит также ион магния см. Сконце большой субъединицы в А. Ьасиаит он замещен на железо . Для гидрогеназы из vii i установлено, что перенос протона происходит в следующем порядке 0, 8, четыре внутренние молекулы воды, i6, ещ одна внутренняя молекула воды, и молекула воды, связанная с магнием в большой субъединице, затем , 8, и малой субъединицы . Исследования показывают ключевую роль в этом процессе остатка 8 большой субъединицы. Так, замена карбоксильной группы глутамата на амидную группу глутамина приводит к полной потере ферментативной активности при полном сохранении простетической группы. Непосредственно после остатка 8 путь переноса протона может отличаться в зависимости от источника выделения гидрогеназы. В работе предполагается существование в одном и том же ферменте различных путей переноса протона от , поскольку замена других остатков не влияет на активность фермента. Малая субъединица содержит от двух до трех железосерных кластеров, расположенных примерно на одной прямой. Предполагается, гго самый ближний к активному центру кластер проксимальный участвует в процессе активации молекулы водорода . У гидрогеназ проксимальный кластер непосредственно связан с активным центром через остаток цистеина см. Дистальный кластер передает принимает электроны от физиологического акцептора донора. Дистальный и проксимальный кластеры имеют структуру , а промежуточный кластер если присутствует может иметь структуру как . Хотя встречаются и исключения гидрогеназа из С. Дистальный кластер очень близок к поверхности белка и отделен от нее только кольцом имидазола, частично погруженного в растворитель.