Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
не участвует непосредственно в окислительно-восстановительной реакции на
поверхности электрода, а перенос заряда осуществляется через
дополнительный редокс-белок, например цитохром с. Фактически эта
конфигурация аналогична описанной выше медиаторной системе, только
медиатором является не простой ион, а сложная белковая молекула. В таком
сопряженном электроде оксидоредуктаза обеспечивает избирательность
сенсора, тогда как редокс-белок служит переносчиком электронов от
активного центра на поверхность электрода и обратно. Цитохром с оказался
удачной моделью редокс-белка в сенсорах этого типа: не только потому, что
его электрохимические свойства хорошо изучены, но и потому, что он
является естественным природным акцептором электрона в многих комплексах
ферментов. (Структура и функции цитохрома с подробно рассмотрены в обзоре
[44].)
Первые исследования электрохимии цитохрома с относятся к началу 70-х гг.,
когда Бетсо и др. [6] удалось показать, что содержащий железо центр этого
белка восстанавливается на ртутном и платиновом электродах, хотя и с
низкой скоростью. Несмотря на наблюдаемый в таких системах перенос
заряда, их кинетические характеристики непригодны для конструирования
биосенсоров. Первый значительный скачок в создании аналитического прибора
на основе цитохрома с произошел, когда Эддоуз и Хилл [21] описали простой
способ обработки золотого электрода, позволяющий добиться квазиобратимого
(т. е. быстрого) переноса заряда. Они обнаружили, что добавление 4,4'-
дипиридила
220
Глава 15
в буферный раствор электролита ускоряет перенос электрона между гемовым
центром цитохрома с и поверхностью золота. Важно подчеркнуть, что, хотя
4,4'-дипиридил значительно облегчает перенос электрона с гемового центра
на золотой электрод, сам он электрохимически неактивен в представляющей
интерес области потенциалов и, таким образом, явно не действует как
просто переносчик электрона. Считают, что облегчение гетерогенного
переноса заряда обусловлено адсорбцией 4,4'-дипиридила на поверхности
электрода и быстрым обратимым связыванием цитохрома с на границе раздела
модифицированный электрод/раствор. Это обеспечивает эффективное сближение
белка с поверхностью электрода и правильную его ориентацию, необходимую
для быстрого переноса электрона ([13], гл. 13). Важным условием считается
также высокая скорость адсорбции/десорбции, иначе может произойти
блокирование модифицированной межфазной границы.
Взаимодействие цитохрома с с модифицированным дипиридилом золотым
электродом протекает, по-видимому, с участием лизиновых остатков на
поверхности белка, образующих водородные связи с одним из атомов азота в
промоторе. В основе этого предположения лежит сходство поведения
рассматриваемой электрохимической системы и цитохрома с при белок-
белковом электронном обмене. Известно, например, что полилизин ингибирует
реакцию между цитохромом с и его биологическим партнером-
цитохромоксидазой. При добавлении полилизина в электрохимическую ячейку,
содержащую цитохром с и модифицированный дипиридилом электрод,
гетерогенный перенос заряда также ингибируется. Сходным образом
модификация поверхностных боковых цепей цитохрома с в равной степени
ингибирует как электрохимическую стадию переноса заряда, так и реакцию с
цитохромоксидазой [11, 26, 43].
Кроме 4,4'-дипиридила изучены и другие активные молекулы, облегчающие
перенос электрона от гемового центра цитохрома с на золотой электрод
[22]. Так, в присутствии пиридинов (III) и (IV) на золотом электроде
получается характерная для этого белка циклическая вольтамперограмма
[46].
В работе [4] было обследовано сорок пять бифункциональных органических
молекул как возможных промоторов. Авторы пришли к выводу, что промоторами
могут служить лишь бифункциональные соединения, содержащие и активную
поверхностную группу (основание Льюиса с электроноакцепторными
свойствами, обуславливаемыми атомами N, S или Р), и слабоосновную или
анионную функциональную группу, соответствующим образом ориентированные
относительно друг друга. Круг изучаемых промотированных электрохимических
реакций недавно удалось расширить с помощью золотых электродов,
модифицированных (путем хемосорбции) пиридин-альдегидтиосемикарбазонами.
Это позволило изучать реакции не только с цитохромом с, но и с такими
белками, как пластоцианин, у которого имеется отрицательно заряженный
участок [28].
Систему цитохром с-золотой модифицированный дипиридилом электрод
используют в ферментных сенсорах L-лактата [10], оксида углерода [52] и
пероксида водорода [2.7]. Цитохром с из сердца лошади восстанавливают по
ферментативной реакции
1
Перенос электрона от биологических молекул на электроды
221
2е
11
2 Цитохром с3*
2 Цитохром
СО 2
СО-Оксидоредуктиза. + {red) /г 2Н+
СО-Оксидоредуктиза (ох)
СО
+
нг0
Реакция I катализируется дрожжевым флавоцитохромом с, а реакция II-
бактериальной СО-оксидоредуктазой [52]. Реакцию цитохрома с на
