高效纳米自组装人工过氧化物酶研究

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本文利用半合成酶制备原理,采用内部疏水的SDS纳米胶团结构作为人工过氧化物酶的外部结构;采用分子结构小、适用条件广且廉价易得的天然细胞色素c作为人工过氧化物酶的活性催化中心结构;通过二者在缓冲溶液中发生自组装的方式构建人工过氧化物酶,来模拟天然过氧化物酶的催化特性。本工作主要采用光谱学方法、热分析方法及电化学分析方法对由细胞色素c和SDS纳米胶团溶液自组装构建的人工过氧化物酶的催化反应能力、结构变化、自组装过程、酶动力学、自杀性失活底物以及电化学特性进行检测。首先,对人工过氧化物酶的表观催化活性进行测量:采用紫外可见分光光度计,用过氧化物酶研究工作中最常使用的愈创木酚法测定人工过氧化物酶、细胞色素c及天然辣根过氧化物酶(HRP)的表观催化活性,观察到了人工酶具有良好的催化过氧化氢及愈创木酚发生氧化反应的活性。第二,研究了人工酶的催化环境:包括溶液pH值、细胞色素c浓度、SDS浓度及溶液离子强度在内的催化反应条件,实验得出在溶液pH值为10.5时,人工酶具有较高的表观活性;且其表观催化活性与在一定浓度范围内的细胞色素c (1~10μM)成线性关系,且最适溶液离子强度随pH升高而升高;实验还得出人工过氧化物酶的表观催化活性随SDS浓度升高而升高,但是,只要SDS浓度高于其临界胶束浓度(CMC)人工酶活性与SDS纳米胶团浓度无关。第三,本工作采用紫外可见分光光度法及圆二色谱法对人工酶中蛋白质生色氨基酸残基:酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸周围环境特性的改变以及血红素周围环境的改变做了测试。实验结果表明,血红素周围环境疏水性随pH值增加而加强,这可能导致人工酶活性的增强。二级结构测试中,β折叠和反向平行结构相较于天然细胞色素c有所增加,这说明人工酶的活性极大程度上依赖于β折叠结构,β折叠可增加蛋白质血红素周围的疏水性,而这种结构使蛋白质具有催化活性;而反向平行结构增加几乎一倍,说明人工酶结构相较天然细胞色素c是一个更具空间对称性结构。第四,采用热分析法,对人工酶的结构及自组装构建人工酶这一过程中伴随的分子间相互作用进行考察,实验结果显示1分子细胞色素c与116分子SDS相互结合,改变了SDS纳米胶团本身结构;表明张力测试表明,构建人工酶时,SDS形成胶团的临界浓度小于5mM,比溶液中只有SDS时小;并通过DLS法测得人工酶结构的直径为6.4nm。第五,对构建的人工过氧化物酶的酶学动力学进行研究,测试得到其具有可观的催化效率,光谱学法得到人工酶催化效率与细胞色素c浓度有关,其中实验得最高人工酶催化效率为0.0335μM-1s-1,其对应的构建人工酶的细胞色素c浓度为0.1μM;酶动力学参数Km值为5.205μM,催化速率常数为0.174s-1。相当于天然HRP催化效率的46%。同时由于天然HRP具有自杀性失活底物过氧化氢(H2O2),本文还测试了人工酶及天然HRP的自杀性失活过程,并得出其自杀性失活参数Ki,数据显示人工酶相对于天然HRP更耐受高浓度的过氧化氢,有工业应用前景。第六,本实验还将细胞色素c与SDS纳米胶团自组装构建的人工酶采用纳米高分子材料Nafion固定于玻碳电极上,然后通过循环伏安法研究人工酶在电极上的电化学性质。结果表明,人工酶在电极表面能进行有效地直接电子转移且为固化机制,并且通过该电极对H2O2进行检测,结果表明固定在电极表面的人工过氧化物酶能够保持其对H2O2的生物催化活性,可以实现对过氧化氢的检测,电化学法测得人工酶的Km为5.28μM,这为研制第三代生物传感器奠定基础,同时也为对人工酶的研究提供了一种新方法。
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