Interpretation der katalytischen Voltammetrie eines adsorbierten Enzyms unter Berücksichtigung des Substrat-Massentransfers, der Enzymaktivität und des interfacialen Elektronentransports

Redoxaktive Enzyme können auf Elektrodoberflächen adsorbiert werden, um die Umwandlung von oxidierten und reduzierten Substraten in Lösung zu katalysieren, gesteuert durch die Zufuhr oder Entfernung von Elektronen durch die Elektrode. Der katalytische Strom ist direkt proportional zur Rate der Enzymaktivität, und seine Abhängigkeit vom Elektrodenpotential kann genutzt werden, um sowohl die Kinetik als auch die Thermodynamik des katalytischen Zyklus des Enzyms zu definieren. Beobachtete elektrokatalytische Voltamgramme sind jedoch oft komplex, da sich die Identität des geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes mit dem Elektrodenpotential und unter verschiedenen experimentellen Bedingungen ändert. Folglich erfordert das Extrahieren mechanistischer Informationen, dass genaue Modelle erstellt werden, um das beobachtete Verhalten zu dekonvolvieren und zu analysieren. Hier wird ein grundlegendes Modell für die Katalyse durch ein adsorbiertes Enzym beschrieben. Es umfasst den Substrat-Massentransport, die Enzymkinetik und den interfacialen Elektronentransport und reproduziert genau experimentell aufgezeichnete Voltamgramme von der Oxidation von NADH durch den Subkomplex Ilambda (den hydrophilen Subkomplex der NADH:Ubiquinon-Oxidoreduktase) unter einer Reihe von Bedingungen. Der Massentransport wird durch eine rotierende Scheibeelektrode auferlegt und durch die Levich-Gleichung beschrieben. Der interfaciale Elektronentransport wird durch das Elektrodenpotential kontrolliert und durch eine Dispersion von Geschwindigkeitskonstanten charakterisiert, entsprechend dem Modell von Léger und seinen Mitarbeitern. Hier wird die Michaelis-Menten-Gleichung für die Enzymkinetik verwendet, aber unsere Methodik kann auch problemlos angewendet werden, um analoge Gleichungen abzuleiten und anzuwenden, die sich auf alternative Enzymmechanismen beziehen. Daher sind unsere Ergebnisse von großer Relevanz für die Interpretation elektrokatalytischer Voltamgramme für adsorbierte Enzyme im Allgemeinen.