Electron Transfer to the Trinuclear Copper Cluster in Electrocatalysis by the Multicopper Oxidases  

多銅氧化酶電催化中電子向三核銅簇的轉(zhuǎn)移機(jī)制  

來源：J. Am. Chem. Soc. 2021, 143(41), 17236-17249

《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》2021年 第143卷 第41期17236-17249頁  

 

摘要內(nèi)容

 

高電位多銅氧化酶（MCOs）是優(yōu)異的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑，但其電催化機(jī)制存在爭(zhēng)議：電子傳遞是通過I型銅（T1）位點(diǎn)還是直接轉(zhuǎn)移至三核銅簇（TNC）。本研究通過位點(diǎn)定向突變（M468Q MoBOD和T1D BpBOD）結(jié)合電化學(xué)測(cè)試和動(dòng)力學(xué)建模，揭示T1位點(diǎn)是主要電子受體（圖4A-B）。TNC的高重組能（1.5 eV）阻礙直接電子傳遞，但"替代靜息態(tài)"（AR, Cl?誘導(dǎo)）因重組能降低（0.75 eV）可實(shí)現(xiàn)首輪直接電子傳遞（圖4A-B紅曲線）。Unisense氧電極證實(shí)T1突變體均相催化活性喪失，支持電化學(xué)結(jié)論。  

 

研究目的

 

闡明MCOs電催化ORR中電子傳遞路徑（T1 vs. TNC），解析TNC氧化態(tài)與重組能對(duì)電子轉(zhuǎn)移的影響，指導(dǎo)高效生物陰極設(shè)計(jì)。  

 

研究思路

 

1. 酶突變體設(shè)計(jì)：構(gòu)建T1軸向配體突變（M468Q）和T1缺失突變體（T1D），保持TNC結(jié)構(gòu)完整（圖1 EPR/UV-Vis驗(yàn)證）；  

 

2. 溶液相表征：  

   ? EPR/UV-Vis分析銅位點(diǎn)狀態(tài)（圖1）；  

 

   ? 停流光譜測(cè)O?反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（圖2-3）；  

 

 

   ? Unisense氧電極測(cè)均相催化活性；  

 

3. 電化學(xué)測(cè)試：  

   ? 碳糊電極測(cè)循環(huán)伏安（CV）和線性掃描伏安（LSV）（圖4-5）；  

 

   ? 氟/氯離子抑制效應(yīng)（圖4-5）；  

 

4. 動(dòng)力學(xué)建模：結(jié)合Marcus理論構(gòu)建電子傳遞模型（圖6-7），擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。  

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 突變體催化活性數(shù)據(jù)  

   ? 測(cè)量?jī)?nèi)容：T1D突變體均相ORR活性完全喪失（Clark電極測(cè)O?消耗）。  

 

   ? 研究意義：證實(shí)T1位點(diǎn)是溶液相催化必需的電子傳遞通道。  

 

2. 電催化起始電位數(shù)據(jù)（圖4A-B, 5）  

   ? 測(cè)量?jī)?nèi)容：  

 

     ? WT起始電位800 mV vs. NHE，M468Q降至610 mV（T1電位降低）；  

 

     ? Cl?處理后二者起始電位均降至460 mV（AR態(tài)TNC直接電子傳遞）。  

 

   ? 研究意義：電位偏移揭示TNC在AR態(tài)可成為首輪電子受體。  

 

3. 計(jì)時(shí)電流數(shù)據(jù)  

   ? 測(cè)量?jī)?nèi)容：AR態(tài)酶在過電位區(qū)間（710-610 mV）無電流累積。  

 

   ? 研究意義：排除T1間接還原AR-TNC路徑，支持直接電子傳遞。  

 

4. LSV擬合參數(shù)（表3-4）  

 

 

   ? 測(cè)量?jī)?nèi)容：T1/電極耦合常數(shù)H(DA)~0.002 cm?1，TNC/電極~0.001 cm?1。  

 

   ? 研究意義：電子耦合強(qiáng)度相似，但TNC高重組能（1.5 eV）致其直接電子傳遞速率比T1路徑低10?倍（圖7）。  

 

結(jié)論

 

1. 電子傳遞路徑：T1是主要電子入口，因TNC高重組能（1.5 eV）阻礙直接電子傳遞（T1D突變體無催化活性）；  

2. AR態(tài)作用：Cl?誘導(dǎo)的AR態(tài)（重組能0.75 eV）可實(shí)現(xiàn)首輪直接電子傳遞至TNC（圖6B），但后續(xù)輪次仍經(jīng)T1位點(diǎn)；  

3. 生物陰極設(shè)計(jì)：定向固定酶使TNC平均距離電極<19 ?可降低過電位>300 mV（圖8），突破T1-TNC電子傳遞瓶頸。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量意義

 

研究中采用Unisense Clark氧電極（實(shí)驗(yàn)方法）監(jiān)測(cè)溶液相酶催化O?消耗動(dòng)力學(xué)，其核心價(jià)值在于：  

? 克服氣相檢測(cè)局限：直接測(cè)量溶解氧濃度（0.1 M H?SO?, pH 5.0），避免傳統(tǒng)頂空氣相色譜（GC）因O?溶解度變化導(dǎo)致的定量誤差；  

 

? 高時(shí)間分辨率：秒級(jí)監(jiān)測(cè)捕捉突變體反應(yīng)初期動(dòng)力學(xué)，證實(shí)T1D無催化活性（對(duì)比圖2-3停流光譜的毫秒級(jí)數(shù)據(jù)）；  

 

? 驗(yàn)證催化機(jī)制：通過O?消耗與電子轉(zhuǎn)移的定量關(guān)聯(lián)（TON計(jì)算），支持電化學(xué)結(jié)論——T1位點(diǎn)是溶液相催化必經(jīng)途徑。  

 

該技術(shù)為酶催化動(dòng)力學(xué)研究提供了原位、高靈敏的氧定量方案，尤其適用于低通量快速反應(yīng)體系。