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Main Title: Spectro-Electrochemical Investigations on Immobilised Heme Proteins
Translated Title: Spektro-Elektrochemische Untersuchungen an Immobilisierten Häm-Proteinen
Author(s): Sezer, Murat
Advisor(s): Hildebrandt, Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Arbeit behandelt zwei Aspekte innerhalb des Forschungsgebiets der Spektro-Elektrochemie an immobilisierten Häm-Proteinen. Zum einen geht es um die Entwicklung neuartiger Materialien als Plattform für oberflächenverstärkte Resonanz Raman (SERR) Spektro-Elektrochemie, zum anderen um die Aufklärung von Elektronentransferprozessen. Die optischen und elektronischen Eigenschaften von neuartigen Silber-Gold Hybrid Materialien als Substrate für SERR Spektro-Elektrochemie wurden untersucht. In diesen Hybrid-Materialien ist eine dünne Inselschicht aus Gold von einer elektrochemisch aufgerauten Silberoberfläche durch eine organische Zwischenschicht separiert. Es wurde gezeigt, dass das Hybrid-Material die chemischen Oberflächeneigenschaften und die Biokompatibilität von Gold aufweist. Außerdem bietet es eine Verstärkung von Ramansignalen, die mit der auf reinen Silberoberflächen vergleichbar ist und zeigt einen effizienten heterogenen Elektronentransfer (ET). Menschliche Sulfit-Oxidase (hSO) wurde auf funktionalisierten Silber-Elektroden immobilisiert und spektro-elektrochemisch untersucht. Es wurde gezeigt, dass die heterogene ET-Geschwindigkeit der Cyt b5 Domäne und die katalytische Aktivität des hSO durch eine Erhöhung der Ionenstärke der Pufferlösung sehr stark ansteigen. Beide Effekte resultieren von einer erhöhten Beweglichkeit des Enzyms mit steigender Pufferkonzentration aufgrund einer Schwächung elektrostatischer Wechselwirkungen. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass die hSO vor allem über die Dimerisierungs-Domäne an die Oberfläche gebunden ist. Spektro-elektrochemische Untersuchungen haben gezeigt, dass die immobilisierte Membran-gebundene [NiFe] Hydrogenase von Ralstonia eutropha H16 (MBH) in zwei Richtungen katalytisch aktiv ist, wobei die Wasserstoffspaltung unter Wasserstoffgaszufuhr wesentlich effizienter ist als die Wasserstoffproduktion unter Inertgas-Atmosphäre. Elektronen, die dem Wasserstoff bei der enzymatischen Spaltung entzogen werden, werden zu den Häm-Gruppen der HoxZ Domäne übertragen. Die Kinetik verschiedener Elektronentransferprozesse lassen darauf schließen, dass die HoxZ Domäne nicht primär in den katalytischen Prozess der immobilisierten MBH involviert ist. Die Ergebnisse zeigen aber, dass die HoxZ Domäne eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung des Enzyms auf der Elektrode spielt.
In this thesis, different aspects of spectro-electrochemical research on immobilised heme proteins are addressed. On the one hand, this work is related to the development of novel functional materials as substrates for surface enhanced resonance Raman (SERR) spectro-electrochemistry, on the other hand, electron transfer processes were investigated. The optical and electronic performance of novel silver-gold hybrid devices as support materials for SERR spectro-electrochemistry was explored. In these devices a thin gold island film is separated by an organic spacer layer from an electrochemically roughened silver support. It was shown that the hybrid devices exhibit the surface chemistry and biocompatibility of gold. Moreover, the enhancement of Raman signal intensities on the hybrid devices is comparable to pure silver surfaces and efficient electron transfer (ET) between the hybrid-device and immobilised heme proteins was observed. Human sulphite oxidase (hSO) was immobilised on functionalised silver electrodes and investigated by spectro-electrochemistry. It was shown that the heterogeneous ET rate of the Cyt b5 domain and catalytic activity of hSO dramatically increase upon increasing the ionic strength of the buffer solution. Both effects result from increased mobility of the enzyme with increasing buffer concentration due to a weakening of electrostatic interaction forces. The results of this study suggest that the entire hSO is predominantlly immobilised via its dimerisation domain to the SAM. Spectro-electrochmical investigations have shown that the immobilised membrane bound [NiFe] hydrogenase from Ralstonia eutropha H16 (MBH) is catalytically active in both directions, whereby the hydrogen splitting under hydrogen supply is much more efficient than hydrogen evolution under inert gas atmosphere. Electrons from enzymatic hydrogen oxidation are transferred to the hemes of the HoxZ domain. The kinetics of different electron transfer processes suggests that the HoxZ subunit is not primarily involved in the catalytic electron transfer pathway of the immobilised MHB to the electrode but plays a crucial role in stabilising the enzyme on the electrode.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-31785
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3207
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2910
Exam Date: 20-Jul-2011
Issue Date: 28-Jul-2011
Date Available: 28-Jul-2011
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Elektronentransfer
Enzyme
Immobilisierung
Spektroskopie
Electron transfer
Enzymes
Immobilisation
Spectroscopy
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