Теоретическое изучение процесса связывания молекулярного водорода активным центром [NiFe] гидрогеназы
Использование катализаторов, повторяющих процесс конверсии водорода на активном центре энзимов под общим названием [NiFe] гидрогеназы. Модели фермента класса оксидоредуктаза в синглетном и триплетном состояниях. Особенность исследование атома железа.
| Рубрика | Химия |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.04.2018 |
| Размер файла | 149,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
УДК-544.1
Сибирский Федеральный университет
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СВЯЗЫВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДА АКТИВНЫМ ЦЕНТРОМ [NiFe] ГИДРОГЕНАЗЫ
Калякин Д.C.
г. Красноярск
Постоянный рост цен на традиционные энергоносители, а так же вред, наносимый окружающей среде входе их использования, делает актуальным исследования, направленные на поиск новых, более эффективных и экологически чистых источников энергии. Одним из таких источников может являться молекулярный водород. Однако, на данный момент массовое использование данного энергоносителя является экономически не целесообразным из-за высокой стоимости производства молекулярного водорода. катализатор водород гидрогеназа железо
Способом удешевления данного процесса может быть использование катализаторов, повторяющих процесс конверсии водорода на активном центре энзимов под общим названием [NiFe] гидрогеназы. Все энзимы, входящие в данную группу, имеют идентичное строение активного центра, но различные протеиновые цепи.
Теоретическое моделирование энзимов является нетривиальной задачей ввиду большого количества атомов, входящих в них. Тем не менее, теоретическое исследование процесса связывания водорода гидрогеназой является выполнимой задачей, так как для исследования данного процесса необходимо моделирование лишь активного центра, непосредственно участвующего в конверсии водорода.
Активный центр [NiFe] гидрогеназы может существовать в двух различных электронных состояниях. Причиной этого является влияние цепей протеина на геометрию активного центра. Синглетное состояние присуще активному центру в плоской геометрии, в то время как изменение геометрии на тетраэдрическую приводит к переходу системы в триплетное состояние.
Цель данной работы - квантово-химическое исследование взаимодействия молекулы водорода с активным центром [NiFe] гидрогеназы.
Расчеты в данной работе проводились с помощью программного пакета GAMESS (General Atomic and Molecular Electronic Structure System) с использованием теории функционала плотности (DFT). В работе были применены B3LYP, TPSS и PBE функционалы плотности. В качестве набора базисных функций был использован BS1, состоящий из набора базисных функций Штудгарта в комбинации с эффективным потенциалом остовных электронов ECP10MDF для никеля и железа, и набора базисных функций 6-31G** для остальных атомов.
Для исследования активного центра гидрогеназы были созданы две модели, описывающие синглетное и триплетное состояние гидрогеназы (рисунок 1).
Рисунок 1 - Модели гидрогеназы в синглетном и триплетном состояниях
Для оценки энергии взаимодействия между активным центром гидрогеназы и молекулой водорода были использованы различные начальные положения молекулы водорода (рисунок 2).
Рисунок 2 - Начальные положения водорода
Ниже представлены энергии взаимодействия молекулы водорода с активным центром гидрогеназы в синглетном состоянии (таблица 1) и триплетном состоянии (таблица 2), полученные различными методами.
Таблица 1 Энергия взаимодействия водорода с активным центром гидрогеназы в синглетном состоянии
|
Метод |
Начальное положение |
Энергия взаимодействия, ккал/моль |
|
|
B3LYP |
1 |
2.85 |
|
|
2 |
- |
||
|
3 |
2.96 |
||
|
4 |
4.21 |
||
|
5 |
4.28 |
||
|
TPSS |
1 |
4.47 |
|
|
2 |
- |
||
|
3 |
6.14 |
||
|
4 |
4.65 |
||
|
5 |
4.42 |
||
|
PBE |
1 |
9.88 |
|
|
2 |
- |
||
|
3 |
11.49 |
||
|
4 |
10.08 |
||
|
5 |
10.13 |
||
|
Таблица 2 Энергия взаимодействия водорода с активным центром гидрогеназы в триплетном состоянии |
|||
|
Метод |
Начальное положение |
Энергия взаимодействия, ккал/моль |
|
|
B3LYP |
1 |
5.46 |
|
|
2 |
5.46 |
||
|
3 |
5.56 |
||
|
4 |
7.93 |
||
|
5 |
5.67 |
||
|
TPSS |
1 |
6.25 |
|
|
2 |
6.29 |
||
|
3 |
6.21 |
||
|
4 |
- |
||
|
5 |
6.35 |
||
|
PBE |
1 |
6.34 |
|
|
2 |
6.36 |
||
|
3 |
6.02 |
||
|
4 |
5.99 |
||
|
5 |
6.50 |
В ходе исследования было выявлено, что наиболее энергетически выгодным положением молекулы водорода на активном центре гидрогеназы является атом железа. Примечательным является факт того, что сорбция водорода происходит как в триплетном, так и синглетном состояниях активного центра гидрогеназы. Данное обстоятельство указывает на вероятность спин-запрещенного механизма конверсии водорода в гидрогеназе. В отношении использованных методов было выявлено, что переход от одного функционала к другому оказывает существенное влияние на результаты расчетов. Однако, разница между результатами, полученными для разных начальных положений водорода в рамках одного метода, объясняется лишь погрешностями расчетов.
Из проделанной работы можно сделать следующие выводы:
· Наиболее энергетически выгодным положением молекулы водорода на активном центре гидрогеназы является атом железа.
· Энергия взаимодействия водорода с активным центром гидрогеназы в синглетном состоянии согласно B3LYP, TPSS и PBE составляет порядка 3 ккал/моль, 5 ккал/моль и 10 ккал/моль, соответственно.
· Энергия взаимодействия водорода с активным центром гидрогеназы в триплетном состоянии, составляет порядка 6 ккал/моль.
· Ввиду того, что связывание водорода на активном центре гидрогеназы происходит как в триплетном, так и синглетном состояниях, реакция конверсии водорода на активном центре гидрогеназы может носить спин-запрещенный характер.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Изучение влияния веществ на процесс разложения пероксида водорода в водных растворах. Воздействие различных химических катализаторов на скорость разложения пероксида водорода. Действие твина-80 на разложение пероксида водорода при различных температурах.
реферат [562,1 K], добавлен 18.01.2011Положение водорода в периодической системе химических элементов и особенности строения его атома. Свойства газа, распространенность и нахождение в природе. Химические реакции получения водорода в промышленности и лабораторным путем и способы применения.
презентация [2,2 M], добавлен 13.02.2011Представления об участии атома водорода в образовании двух химических связей. Примеры соединений с водородной связью. Структура димера фторида водорода. Ассоциаты молекул фторида водорода. Методы молекулярной спектроскопии. Суммарный электрический заряд.
курсовая работа [119,1 K], добавлен 13.12.2010Характеристика химических и физических свойств водорода. Различия в массе атомов у изотопов водорода. Конфигурация единственного электронного слоя нейтрального невозбужденного атома водорода. История открытия, нахождение в природе, методы получения.
презентация [104,1 K], добавлен 14.01.2011Общие теории гомогенного катализа. Стадии процесса катализа и скорость реакции. Кинетика каталитической реакции диспропорционирования пероксида водорода в присутствии различных количеств катализатора Fe2+, влияние pH на скорость протекания реакции.
контрольная работа [1,6 M], добавлен 18.09.2012Характеристика предприятия ОАО "Газпром нефтехим Салават". Характеристика сырья, продуктов процесса и основных реагентов завода "Мономер". Процесс получения технического водорода и синтез-газа. Общая характеристика установки. Стадии и химизм процесса.
курсовая работа [111,5 K], добавлен 03.03.2015Свойства воды как наиболее распространенного химического соединения. Структура молекулы воды и атома водорода. Анализ изменения свойств воды под воздействием различных факторов. Схема модели гидроксила, иона гидроксония и молекул перекиси водорода.
реферат [347,0 K], добавлен 06.10.2010Конверсия метана природного газа с водяным паром — основной промышленный способ производства водорода. Виды каталитических конверсий. Схема устройства трубчатого контактного аппарата. Принципиальная технологическая схема конверсии метана природного газа.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 20.11.2012Образование молекулярного иона водорода. Рассмотрение промежуточной стадии в идеализированном адиабатическом процессе слияния протона с атомом водорода. Суммарное электростатическое поле двух сближающихся протонов. Образование энергетического уровня.
реферат [128,7 K], добавлен 29.01.2009Изотопы водорода как разновидности атомов химического элемента водорода, имеющие разное содержание нейтронов в ядре, общая характеристика. Сущность понятия "легкая вода". Знакомство с основными достоинствами протиевой воды, анализ способов получения.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 31.05.2013Физические свойства пероксида водорода - бесцветной прозрачной жидкости со слабым своеобразным запахом. Получение вещества в лабораторных и промышленных условиях. Восстановительные и окислительные свойства пероксида водорода, его бактерицидные свойства.
презентация [149,3 K], добавлен 23.09.2014Английский естествоиспытатель, физик и химик Генри Кавендиш - первооткрыватель водорода. Физические и химические свойства элемента, его содержание в природе. Основные методы получения и области применения водорода. Механизм действия водородной бомбы.
презентация [4,5 M], добавлен 17.09.2012Особенности производства и способы хранения водорода, методы его доставки водорода. Электролизные генераторы водорода для производства, преимущества их использования. Состав электролизного блока HySTAT-A. Водород как безопасная альтернатива бензину.
презентация [2,9 M], добавлен 29.09.2012Физические методы извлечения водорода, применяемые на сегодня. Получение водорода электролизом воды, в процессе переработки угля и кокса, термический и термомагнитный методы, фотолиз, особенности использования в данных процессах оборудования, материалов.
реферат [959,8 K], добавлен 22.04.2012Обоснования электрохимического способа получения водорода и кислорода электролизом воды. Характеристика технологической схемы. Выбор электролизера. Подготовка сырья (чистой воды) и первичная переработка, получающихся при электролизе водорода и кислорода.
курсовая работа [335,9 K], добавлен 12.12.2011Реакция процесса конверсии оксида углерода водяным паром. Температурный режим на каждой стадии конверсии. Свойства применяемых катализаторов. Схемы установки конверсии. Реакторы идеального вытеснения. Изменение температуры в адиабатическом реакторе.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 17.10.2012Схематическое представление энергетических решений уравнения Шредингера для атома водорода. Строение многоэлектронных атомов, принцип Паули. Принцип наименьшей энергии, правило Хунда. Характеристика электронных уровней, их связь со свойствами элементов.
презентация [344,1 K], добавлен 11.08.2013История изучения ферментов, специфических белков, выполняющих роль биокатализаторов. Анализ химических реакций в биологических системах. Функциональные участки молекулы фермента. Аминокислотная последовательность в активном центре сериновых ферментов.
презентация [1,1 M], добавлен 21.01.2016Особенности соединений s-элементов. Химические свойства водорода. Ионные, ковалентные и металлические гидриды как соединения элементов с водородом. Вода как главное соединение водорода, обладающее уникальными свойствами. Основные элементы IА-группы.
курсовая работа [139,9 K], добавлен 08.08.2015Изучение электронного строения атомно-молекулярных и полимерных систем в квантовой химии. Частицы и волны в классической механике. Свойства света и корпускулярно-волновая природа излучения. Атом водорода, уровни и переходы, частоты и спектральные серии.
реферат [755,6 K], добавлен 28.01.2009
