Биоэлектрокатализ

Одним из новых перспективных направлений электрокатализа является биоэлектрокатализ — использование ферментов для ускорения электродных процессов. При введении фермента процессы окисления или восстановления электрохимически активного вещества осуществляются в основном на активном центре фермента, поскольку скорость ферментативного превращения существенно выше, чем электрохимического. Передача электронов с активного центра на электрод или с электрода на активный центр может быть осуществлена далее двумя принципиально разными путями [c.265]

Биоэлектрокатализ (разработка обратимых водородных электродов с ускорением ионизации водорода ферментом) [c.212]

И. В. Березин открыл явление биоэлектрокатализа. [c.699]

Исследования последних лет [11—14] показали, что катализ ферментами электродных процессов действительно может быть осуществлен и экспериментально изучен. Для определения самого феномена ускорения ферментами электрохимических реакций предложено использовать термин биоэлектрокатализ . [c.69]

Использование биоэлектрокатализа для изучения механизмов действия ферментов [c.71]

Перспективы практического использования биоэлектрокатализа [c.71]

Ниже на примере простейших реакций ферментативной электрохимической ионизации водорода и кислорода будут проанализированы механизмы сопряжения ферментативных и электродных процессов и основные закономерности биоэлектрокатализа. [c.77]

При высоких концентрациях фермента процесс переходит в чисто диффузионный рел им, в котором скорость реакции не зависит от концентрации катализатора. Значения тока на единицу поверхности гладкого электрода — пирографита, соответствуют ожидаемой из рассмотрения кинетической модели биоэлектрокатализа (см. разд. 3.1). [c.78]

В то же время известны ферменты, которые активно восстанавливают кислород по четырехэлектронному механизму до воды без промежуточного образования в растворе пероксида водорода. Таких ферментов немного. В рамках биоэлектрокатализа эти ферменты могут рассматриваться как потенциальные катализаторы реакции катодного восстановления кислорода. [c.79]

Следует отметить, что оба указанных класса органических полупроводников могут быть использованы как носители иммобилизованных ферментов для целей биоэлектрокатализа. [c.81]

Рассмотрим использование биоэлектрокатализа для изучения механизма ферментативных реакций на примере реакции восстановления молекулярного кислорода лакказой. [c.85]

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОЭЛЕКТРОКАТАЛИЗА [c.91]

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ. БИОЭЛЕКТРОКАТАЛИЗ. ЛАККАЗА [c.142]

Новые возможности создания безреагентных методов анализа открывает впервые обнаруженное в нашей стране явление биоэлектрокатализа — ускорения электродных процессов под действием ферментов. Приложения биоэлектрокатализа не ограничиваются аналитической химией. Высокие скорости ферментативных реакций способны обеспечить весьма высокие удельные мощности электрохимических преобразователей энергии и увеличить число используемых топлив. Это в свою очередь может создать основу для внедрения окислительно-восстановительных ферментов в системы преобразования энергии химических реакций в электричество. Наконец, подобные же системы могут найти применение при решении проблемы фотолиза воды видимым светом с образованием водорода и кислорода. Все эти вопросы рассматриваются в качестве возможных путей решения энергетических проблем будущего. [c.17]

Биоэлектрокатализ открывает новые возможности в изучении действия биокатализаторов. Электрохимические методы позволяют выяснить тонкие детали молекулярных механизмов действия ферментов. Экспериментальное исследование зависимостей тока от потенциала, концентрации фермента, концентрации ионов водорода и субстратов с последующим анализом на основе теории электрохимической кинетики помогает выявить механизм превращений субстрата в активном центре фермента. Например, исследование кинетики действия медьсодержащей оксидазы, иммобилизованной на электроде, показывает, что наиболее вероятный механизм действия активного центра включает стадию присоединения кислорода, быстрый равновесный перенос одного электрона, двух протонов и синхронный замедленный перенос двух электронов на лимитирующей стадии процесса. Кинетическое исследование с привлечением структурных данных дает представление о молекулярном механизме действия оксидазы. [c.69]

Новые перспективы открывает инженерная энзимология в области диагностики и лечения заболеваний человека и животных. Это направление касается создания не только новых нетоксичных для организма высокоэффективных лекарственных средств, но и искусственных органов, которые могут на время или постоянно имплантироваться в организм. В частности, к актуальным относится проблема создания биосовместимых источников энергии, использующих принцип биоэлектрокатализа. На основе ферментов и антител создаются новые принципы регистрации биологических процессов и анализа физиологически активных соединений, обладающих высокой чувствительностью, специфичностью и быстродействием. [c.136]

По существу установление факта биоэлектрокатализа при анодном растворении золота биохимическими растворителями подтвердило ранее высказанное суждение автора [42, с. 143], который, анализируя выявленный тогда факт возможности выщелачивания золота растворами некоторых белков без добавок химических окислителей, писал, что это объясняется либо влиянием ферментативного катализа, либо значительным снижением окислительно-восстановительного потенциала системы до величины, когда растворенный кислород воздуха способен окислять золото как при выщелачивании цианистыми растворами. Глубокое изучение вопро- а может определить существенный прогресс бактериального вы- Делачивания . Можно полагать, что к электрокаталитическим Процессам относятся растворение и выщелачивание золота цианистыми растворами и многие другие процессы его растворения. [c.59]

В работе [3] были продолжены исследования в области биоэлектрокатализа в условиях непосредственного обмена электронами с активным центром фермента. Фермент гидрогеназа из серобактерии ТЫосарза го5еорегз1сша был иммобилизован на электроде из сажи. На таком электроде в нейтральном буферном растворе устанавливается обратимый водородный потенциал. В области потенциалов, близких к равновесному значению, могут быть осуществлены реакции электрохимического окисления и выделения водорода. [c.250]

Основные научные работы посвящены изучению высокоорганизованных каталитических систем. Предложил (1970) кинетическую теорию мицеллярного катализа, по-лучивщую мировое признание. На основе искусственных светочувствительных ферментных систем создал (1970—1975) химические усилители слабых сигналов. Установил (1974) возможность регулирования скорости ферментативной реакции на молекулярном уровне. Открыл (1975) явление биоэлектрокатализа. Создал (1977) новые методы стабилизации биокатализаторов. Изучал также кинетику жидкофазного окисления углеводородов, элементарные свободнорадикальные реакции. [c.51]

Наиболее сложная проблема биоэлектрокатализа — реализация эффективного переноса электронов между активным центром фермента и электродом. Известно несколько путей, позволяющих осуществить эффективное заселение активных центров ферментов электронами (или электронными вакансиями). Первый путь предполагает использование низкомолекулярных диффузионно-подвижных переносчиков электрона (медиаторов), способных акцептировать электроны с электрода и отдавать их активному центру фермента. Этот механизм используется в большом числе ферментативных электродных систем, в частности, в реакциях с участием гидрогеназ — биологических катализаторов активации молекулярного водорода. (В системе гидрогеназа — метилвиологен — угольный электрод удается электрохимически окислять водород без перенапряжения в условиях, близких к равновесным.) Второй путь предполагает непосредственное электрохимическое окисление — восстановление активных центров ферментов, прямой перенос электронов (вакансий) с активного центра фермента на электрод (или обратно). Механизм прямого переноса электронов по пути электрод — активный центр фермента уже реализован в реакции электрохимического восстановления кислорода до воды с участием медьсодержащей оксидазы, в реакции электровосстановления водорода с помощью гидрогеназы. [c.69]

Биоэлектрокаталитические эффекты применяются в настоящее время при создании сенсоров — электрохимических датчиков, необходимых для количественного определения различных химических соединений. Использование биоэлектрокатализа на основе прямого переноса электронов с активного центра фермента на электрод может существенно упростить создание такого рода систем. [c.71]

Перспективным представляется исследование биоэлектрокатализа гидрогеназами, системами ферментов, окисляющими метан и метанол, глюкозооксидазой, дегидрогеназами различных кислот, альдегидов, спиртов. Для разработки биокатода интересно исследовать ферменты, активирующие молекулярный кислород. Выше продемонстрированы возможности создания катода и анода на основе иммобилизованной лакказы и гидрогеназы. Создание биоэлектрохимических преобразователей энергии, имеющих параметры, приближающиеся к теоретически возможным значениям, сдерживается в настоящее время отсутствием достаточно больших количеств необходимых ферментных препаратов. Эта трудность с развитием инженерной энзимоло-гии будет, безусловно, преодолена. [c.92]

Практическая значимость биоэлектрокатализа определяется возможностью использования активных биологических катализаторов в электрохимических генераторах тока. Биохимический топливный элемент представляет собой два ферментных электрода электровосстанавливающий (кислородный электрод) и электроокисляющий, которые связаны между собой ионопроводящей средой. В такого рода системах происходит окисление топлива кислородом с генерацией на электродах разности потенциалов, определяемой энергией реакции сгорания топлива. [c.70]

Статистический анализ констант скоростей различных окислительно-восстановительных процессов, катализируемых ферментами, показывает, что достаточно распространены процессы с Лкат около 5- 10 с . В соответствии с этим в ферментативных системах могут быть достигнуты весьма высокие скорости реакций. Если, например, в систему введен фермент в концентрации 2- 10 моль/л (высокая, но вполне достижимая концентрация), то при насыщении фермента субстратом ([5]оЗ>Км) скорость процесса будет равна 1 моль/(л- с). Такая скорость переноса электронов соответствует микротокам в 10 А/л. Если при этом удалось бы реализовать процесс в макрокинетическом режиме и генерировать электрохимический потенциал на двух электродах с разностью потенциалов в один вольт, общая мощность такого преобразователя энергии соответствовала бы 100 кВт. Полученные оценки предельных мощностей ферментных электрохимических преобразователей являются одним из стимулов для развития работ в области биоэлектрокатализа. [c.80]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология