物理化学中酶催化反应的实用性-模板

物理化学中酶催化反应的实用性

针对上述问题,作者在教学中试图通过以下几种方法循序渐进地诱发学生的学习兴趣并拓展视野,以强化这个知识点在学生脑中的印象,并使学生意识到这个知识点实际是生物化学,电化学,分析化学等学科的交叉和综合,具有重要的实际意义。酶催化反应理论的再学习与深化教材中介绍了酶催化反应的动力学方程,但实际上酶催化反应在生产中应用时绝非仅仅是一个单纯的化学反应,其与生物体内新陈代谢过程以及相关的生物电化学过程紧密相关。书中对此方面应用及相关的理论介绍较少,因此许多学生可能会认为这个知识点缺乏实际意义只是具有理论价值而已,而且由于其方程简明扼要,许多学生可能会产生这个知识点比较简单,对其延伸到相关领域后问题的复杂性缺乏必要的了解。作者在此仅以电子中介体中介漆酶催化氧还原为例,简单介绍酶催化反应延伸到酶基燃料电池领域后催化反应速率方程的复杂性。

教材中指出酶催化反应最突出的特点-高效性和专一性源自于酶分子本身具有的特殊空间构型,而酶分子的活性中心的组成和结构则决定了酶催化的选择性和速率。由于酶的这些特点使生物电化学家们对此产生了浓厚的兴趣并试图将酶作为催化剂应用在燃料电池当中。但是由于酶活性中心位于表面具有特定的空间结构之中,周围为不导电的蛋白质骨架所包覆,因此很难于实现酶活性中心与作为基底兼催化剂载体的电极表面或导电介质实现有效的电子接触。因此多数时候人们都是通过加入一种叫做电子中介体的化合物间接实现酶活性中心与电极的有效电子通讯[2-4]。这种电子中介体具有双重身份-既作为酶的反应底物发生氧化还原反应,反应的产物又可以在电极或导电介质表面发生得失电子的电化学反应而被复原。与此同时被氧化或还原的酶活性中心与底物发生纯粹的化学反应,同时也被复原并进行下一轮的催化循环,因此在这个复杂的生物化学-电化学过程中,实际被消耗的作为发动机或水泵使用的试剂是反应底物(对于漆酶在中介体存在条件下催化氧还原反应而言就是氧分子),它作为反应的驱动力而酶和中介体实际上都没有消耗(不考虑酶和中介体在使用过程中变性而丧失活力的条件下)。图1是游离漆酶/固定漆酶在扩散型电子中介体2,2#-连氮-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS)存在下催化氧气还原为水的反应机制示意图:整个催化循环实际上可以分解为三个步骤:i)漆酶分子、ABTS2-/ABTS.-及氧分子在溶液中的扩散过程等传质步骤;ii)是漆酶催化ABTS2-氧化以及氧气还原等化

学反应步骤,以及iii)ABTS.-在电极表面发生电化学还原反应步骤。

按照教材中介绍的决速步骤的概念,只要求出每个步骤的速率并在相同的量纲下进行比较就可以找出这个催化循环中对整个反应速率起决定作用的哪一步,由此可以找到提高催化效率,改善电池输出能量密度的方法,同时也可以深入了解酶催化反应对生物燃料电池输出能量密度之间的影响,以更好地认识生物体生理活动与生物电现象之间的关系。虽然我们将整个酶催化氧还原过程分解成三个步骤,并从理论上给出了每一个步骤的反应速率或物质传递的速率的数学表达式,但是由于酶在使用过程中不可避免地会失活,中介体变性导致丧失搬运电子的能力以及游离酶和固定漆酶催化反应活力不同,与底物,中介体反应的边界条件不同等因素的影响下,即便是对于一种酶(例如漆酶)在同样中介体浓度下催化相同压力氧气的反应速率也会存在巨大差异,而且其决速步骤也会随着操作条件的不同发生改变。这种因为反应系统的复杂性使酶催化反应速率方程的推导变得较为困难,也就使解决这个问题具有较大的挑战性和不明确性,将提升学生对于未知领域探寻答案的兴趣并有助于扭转学生头脑中固有的答案模式唯一化的既定思维。在实践教学中,作者试图引入对这个酶催化反应体系速率方程表达式的不同表述,引导学生对其进行评析,鼓励学生对这些理论模型进行质疑并认真进行推导,辩论以提高学生的思辨能力。实践效果表明学生对这一教学模式兴趣较高,而改变了过去完全依赖教师授课满堂灌的旧有教学模式和学习心理。

加强实验操作培训在物理化学的实验教学中,目前只有一个实验与酶催化反应这个知识点相关就是分光光度法测定蔗糖酶的米氏常数。这个实验利用分析化学中学过的分光光度法,通过分析蔗糖酶催化蔗糖水解成还原性的葡萄糖与无色的3,5-二硝基水杨酸水热生成有色物质的吸光度-时间曲线,间接求算酶催化反应的速率与最大反应速率。这个实验虽然经典,但也存在一些问题,可能会使学生觉得这种方法测定的酶催化反应速率与真实的反应速率存在一定误差,这是由于采用的加入化学试剂对酶催化反应的影响和产物后续反应与酶催化反应的速率存在差异等因素共同导致的。为了更准确地测定酶催化反应速率,应该采用在线测定与酶催化反应产物相关的物理量随时间变化的方法以直接测定反应速率。以漆酶催化2,6-二甲氧基苯酚(DMP)氧化为例,如果事前测定了游离漆酶或固定漆酶的质量/物质的量,根据电泳测定的漆酶的平均分子量和酶催化活力U 的定义,采用分光光度法测定反应产生的棕红色2,6-二甲氧基苯醌吸光度随时间的变化率,只有查到了产物的摩尔吸光率,就可以确定游离酶或固定酶的比活力,再根据活力的定义就可以求算出酶催化有机底物氧化的速率(量纲:s-1)。此外电化学方法测定极限电流密度,再根据推导所得的公式也可以间接推算酶催化反应的其他动力学参数,如酶催化反应速率VE,米氏常数KM等,可参见相关文献

[6-8]。引导学生阅读相关的科技文献测定结果。其在生产应用方面的重要价值。酶不仅广泛应用于染料,纺织,化学合成,污水处理等领域,更重要的用途在于其作为生物燃料电池的催化剂使用,其具有选择性强,催化效率高,来源广泛,相对成本低廉且产物对环境友好等特点,酶是一种很有前途的生物电催化剂,但其也具有一定的缺陷:相对于传统的贵金属催化剂而言,酶催化剂在电极表面有效固载浓度较低,而且容易受到环境影响失活从而丧失催化能力。此外如前所述酶活性中心很难与电极实现有效电子通讯,这些因素都制约着酶基燃料电池的发展,同时也表明这种燃料电池还有着极大的发展余地,通过让学生多阅读近期来的科技文献[9-10]并组织学生讨论酶基燃料电池的发展趋势,使学生进一步认识到酶催化反应与其他学科的关联非常紧密,对其应用和延伸产生较高的兴趣,因为学生对与生产生活关系密切的学科和知识点总是兴趣较为浓厚。在教学中尽可能使用多媒体课件展示近期来的研究成果特别是实物,以吸引学生的眼球,给学生以直观而又形象的展示以给学生留下深刻的印象,教学实践表明,这样的教学效果较为良好,使学生学习热情更高,更积极地学习酶催化反应的相关内容和物理化学的相关内容,甚至对关联的其他学科也产生了浓厚兴趣。图2是课堂教学示过的酶催化反应在燃料电池中应用的实例-纳米角材料修饰碳纤维电极固定酶催化饮料中糖氧化,空气还原的酶基燃料电池性能测试结果[11]。

虽然酶催化反应只是催化反应动力学这一章中一个小知识点,但是由于其与实际紧密,涉及较多的相关学科,因此如果在教学中只是按照大纲内容一带而过可能会使学生忽视这个知识点与生产实际的紧密关联。作者通过在教学实践中注重引入实际应用实例-酶催化反应在燃料电池开发研究中的应用和强化实验技能训练,改进实验方法等手段,并在此基础上引导学生深入学习酶催化反应延伸到相关领域的理论,提高了学生的学习兴趣,加深了学生对这个知识点的直观印象并改善了实际的教学效果。