物理化學(xué)中酶催化反應(yīng)的實(shí)用性

1、.物理化學(xué)中酶催化反響的實(shí)用性針對上述問題,作者在教學(xué)中試圖通過以下幾種方法循序漸進(jìn)地誘發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并拓展視野,以強(qiáng)化這個知識點(diǎn)在學(xué)生腦中的印象,并使學(xué)生意識到這個知識點(diǎn)實(shí)際是生物化學(xué),電化學(xué),分析化學(xué)等學(xué)科的穿插和綜合,具有重要的實(shí)際意義。酶催化反響理論的再學(xué)習(xí)與深化教材中介紹了酶催化反響的動力學(xué)方程,但實(shí)際上酶催化反響在消費(fèi)中應(yīng)用時(shí)絕非僅僅是一個單純的化學(xué)反響,其與生物體內(nèi)新陳代謝過程以及相關(guān)的生物電化學(xué)過程嚴(yán)密相關(guān)。書中對此方面應(yīng)用及相關(guān)的理論介紹較少,因此許多學(xué)生可能會認(rèn)為這個知識點(diǎn)缺乏實(shí)際意義只是具有理論價(jià)值而已,而且由于其方程簡明扼要,許多學(xué)生可能會產(chǎn)生這個知識點(diǎn)比較簡單,對其

2、延伸到相關(guān)領(lǐng)域后問題的復(fù)雜性缺乏必要的理解。作者在此僅以電子中介體中介漆酶催化氧復(fù)原為例,簡單介紹酶催化反響延伸到酶基燃料電池領(lǐng)域后催化反響速率方程的復(fù)雜性。教材中指出酶催化反響最突出的特點(diǎn)-高效性和專一性源自于酶分子本身具有的特殊空間構(gòu)型1,而酶分子的活性中心的組成和構(gòu)造那么決定了酶催化的選擇性和速率。由于酶的這些特點(diǎn)使生物電化學(xué)家們對此產(chǎn)生了濃重的興趣并試圖將酶作為催化劑應(yīng)用在燃料電池當(dāng)中。但是由于酶活性中心位于外表具有特定的空間構(gòu)造之中,周圍為不導(dǎo)電的蛋白質(zhì)骨架所包覆,因此很難于實(shí)現(xiàn)酶活性中心與作為基底兼催化劑載體的電極外表或?qū)щ娊橘|(zhì)實(shí)現(xiàn)有效的電子接觸。因此多數(shù)時(shí)候人們都是通過參加一種叫

3、做電子中介體的化合物間接實(shí)現(xiàn)酶活性中心與電極的有效電子通訊2-4。這種電子中介體具有雙重身份-既作為酶的反響底物發(fā)生氧化復(fù)原反響,反響的產(chǎn)物又可以在電極或?qū)щ娊橘|(zhì)外表發(fā)生得失電子的電化學(xué)反響而被復(fù)原。與此同時(shí)被氧化或復(fù)原的酶活性中心與底物發(fā)生純粹的化學(xué)反響,同時(shí)也被復(fù)原并進(jìn)展下一輪的催化循環(huán),因此在這個復(fù)雜的生物化學(xué)-電化學(xué)過程中,實(shí)際被消耗的作為發(fā)動機(jī)或水泵使用的試劑是反響底物對于漆酶在中介體存在條件下催化氧復(fù)原反響而言就是氧分子,它作為反響的驅(qū)動力而酶和中介體實(shí)際上都沒有消耗不考慮酶和中介體在使用過程中變性而喪失活力的條件下。圖1是游離漆酶/固定漆酶在擴(kuò)散型電子中介體2,2#-連氮-雙-3

4、-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸二銨鹽ABTS存在下催化氧氣復(fù)原為水的反響機(jī)制示意圖:整個催化循環(huán)實(shí)際上可以分解為三個步驟:i漆酶分子、ABTS2-/ABTS.-及氧分子在溶液中的擴(kuò)散過程等傳質(zhì)步驟;ii是漆酶催化ABTS2-氧化以及氧氣復(fù)原等化學(xué)反響步驟,以及iiiABTS.-在電極外表發(fā)生電化學(xué)復(fù)原反響步驟。按照教材中介紹的決速步驟的概念,只要求出每個步驟的速率并在一樣的量綱下進(jìn)展比較就可以找出這個催化循環(huán)中對整個反響速率起決定作用的哪一步,由此可以找到進(jìn)步催化效率,改善電池輸出能量密度的方法,同時(shí)也可以深化理解酶催化反響對生物燃料電池輸出能量密度之間的影響,以更好地認(rèn)識生物體生理活動與生物電現(xiàn)

5、象之間的關(guān)系。雖然我們將整個酶催化氧復(fù)原過程分解成三個步驟,并從理論上給出了每一個步驟的反響速率或物質(zhì)傳遞的速率的數(shù)學(xué)表達(dá)式,但是由于酶在使用過程中不可防止地會失活,中介體變性導(dǎo)致喪失搬運(yùn)電子的才能以及游離酶和固定漆酶催化反響活力不同,與底物,中介體反響的邊界條件不同等因素的影響下,即便是對于一種酶例如漆酶在同樣中介體濃度下催化一樣壓力氧氣的反響速率也會存在宏大差異,而且其決速步驟也會隨著操作條件的不同發(fā)生改變。這種因?yàn)榉错懴到y(tǒng)的復(fù)雜性使酶催化反響速率方程的推導(dǎo)變得較為困難,也就使解決這個問題具有較大的挑戰(zhàn)性和不明確性,將提升學(xué)生對于未知領(lǐng)域探尋答案的興趣并有助于改變學(xué)生頭腦中固有的答案形式唯

6、一化的既定思維。在理論教學(xué)中,作者試圖引入對這個酶催化反響體系速率方程表達(dá)式的不同表述,引導(dǎo)學(xué)生對其進(jìn)展評析,鼓勵學(xué)生對這些理論模型進(jìn)展質(zhì)疑并認(rèn)真進(jìn)展推導(dǎo),辯論以進(jìn)步學(xué)生的思辨才能。理論效果說明學(xué)生對這一教學(xué)形式興趣較高,而改變了過去完全依賴?yán)蠋熓谡n滿堂灌的舊有教學(xué)形式和學(xué)習(xí)心理。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作培訓(xùn)在物理化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,目前只有一個實(shí)驗(yàn)與酶催化反響這個知識點(diǎn)相關(guān)就是分光光度法測定蔗糖酶的米氏常數(shù)5。這個實(shí)驗(yàn)利用分析化學(xué)中學(xué)過的分光光度法,通過分析蔗糖酶催化蔗糖水解成復(fù)原性的葡萄糖與無色的3,5-二硝基水楊酸水熱生成有色物質(zhì)的吸光度-時(shí)間曲線,間接求算酶催化反響的速率與最大反響速率。這個實(shí)驗(yàn)雖然

7、經(jīng)典,但也存在一些問題,可能會使學(xué)生覺得這種方法測定的酶催化反響速率與真實(shí)的反響速率存在一定誤差,這是由于采用的參加化學(xué)試劑對酶催化反響的影響和產(chǎn)物后續(xù)反響與酶催化反響的速率存在差異等因素共同導(dǎo)致的。為了更準(zhǔn)確地測定酶催化反響速率,應(yīng)該采用在線測定與酶催化反響產(chǎn)物相關(guān)的物理量隨時(shí)間變化的方法以直接測定反響速率。以漆酶催化2,6-二甲氧基苯酚DMP氧化為例,假如事前測定了游離漆酶或固定漆酶的質(zhì)量/物質(zhì)的量,根據(jù)電泳測定的漆酶的平均分子量和酶催化活力U的定義,采用分光光度法測定反響產(chǎn)生的棕紅色2,6-二甲氧基苯醌吸光度隨時(shí)間的變化率,只有查到了產(chǎn)物的摩爾吸光率,就可以確定游離酶或固定酶的比活力,再

8、根據(jù)活力的定義就可以求算出酶催化有機(jī)底物氧化的速率量綱:s-1。此外電化學(xué)方法測定極限電流密度,再根據(jù)推導(dǎo)所得的公式也可以間接推算酶催化反響的其他動力學(xué)參數(shù),如酶催化反響速率VE,米氏常數(shù)KM等,可參見相關(guān)文獻(xiàn)6-8。引導(dǎo)學(xué)生閱讀相關(guān)的科技文獻(xiàn)測定結(jié)果。其在消費(fèi)應(yīng)用方面的重要價(jià)值。酶不僅廣泛應(yīng)用于染料,紡織,化學(xué)合成,污水處理等領(lǐng)域,更重要的用處在于其作為生物燃料電池的催化劑使用,其具有選擇性強(qiáng),催化效率高,來源廣泛,相對本錢低廉且產(chǎn)物對環(huán)境友好等特點(diǎn),酶是一種很有前途的生物電催化劑,但其也具有一定的缺陷:相對于傳統(tǒng)的貴金屬催化劑而言,酶催化劑在電極外表有效固載濃度較低,而且容易受到環(huán)境影響失

9、活從而喪失催化才能。此外如前所述酶活性中心很難與電極實(shí)現(xiàn)有效電子通訊,這些因素都制約著酶基燃料電池的開展,同時(shí)也說明這種燃料電池還有著極大的開展余地,通過讓學(xué)生多閱讀近期來的科技文獻(xiàn)9-10并組織學(xué)生討論酶基燃料電池的開展趨勢,使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到酶催化反響與其他學(xué)科的關(guān)聯(lián)非常嚴(yán)密,對其應(yīng)用和延伸產(chǎn)生較高的興趣,因?yàn)閷W(xué)生對與消費(fèi)生活關(guān)系親密的學(xué)科和知識點(diǎn)總是興趣較為濃重。在教學(xué)中盡可能使用多媒體課件展示近期來的研究成果特別是實(shí)物,以吸引學(xué)生的眼球,給學(xué)生以直觀而又形象的展示以給學(xué)生留下深化的印象,教學(xué)理論說明,這樣的教學(xué)效果較為良好,使學(xué)生學(xué)習(xí)熱情更高,更積極地學(xué)習(xí)酶催化反響的相關(guān)內(nèi)容和物理化學(xué)的相關(guān)內(nèi)容,甚至對關(guān)聯(lián)的其他學(xué)科也產(chǎn)生了濃重興趣。圖2是課堂教學(xué)示過的酶催化反響在燃料電池中應(yīng)用的實(shí)例-納米角材料修飾碳纖維電極固定酶催化飲料中糖氧化,空氣復(fù)原的酶基燃料電池性能測試結(jié)果11。雖然酶催化反響只是催化反響動力學(xué)這一章中一個小知識點(diǎn),但是由于其與實(shí)際聯(lián)絡(luò)嚴(yán)密,涉及較多的相關(guān)學(xué)科,因此假如在教學(xué)中只是按照大綱內(nèi)容一帶而過可能會