КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2008, том 49, № 2, с. 203-213
УДК 541.124
КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАТИВНОГО ОКИСЛЕНИЯ МЕТАНА
© 2008 г. Е. И. Карасевич, Ю. К. Карасевич, А. Е. Шилов
Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва E-mail: elka@sky.chph.ras.ru Поступила в редакцию 24.10.2006 г.
Численным методом проведено кинетическое моделирование процесса окисления метана метанмо-ноокигеназой. Литературные данные по распределению продуктов окисления дейтерированного метана CH4 _ nDn (CH3D, CH2D2, CHD3) метанмонооксигеназой и кинетическому изотопному эффекту процесса конкурентного окисления СН4 и CD4 этой ферментной системой проанализированы в рамках многостадийного нерадикального механизма. Рассмотрены кинетические схемы с участием в первой стадии двух атомов водорода окисляемого субстрата. Предложенные кинетические модели окисления метана находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.
Механизм окисления ферментными системами метанотрофных бактерий наименее реакцион-носпособного представителя семейства насыщенных углеводородов - метана - в последние годы является сферой особого внимания исследователей [1-3]. Бактериальный фермент метанмоно-оксигеназа (ММО) катализирует окисление метана молекулярным кислородом в соответствии с уравнением
CH4 + O2 + 2e- + 2H+
CH3OH + H2O.
Растворимая форма ММО может быть получена из разных источников, однако наиболее изученными являются бактериальные ферменты, выделенные из Methylosinus trichosporium OB3b [4] и Methylococcus capsulatus (Bath) [5]. Каждый из этих ферментов содержит три белковых компо-
нента: гидроксилазу (ММОН), редуктазу и регу-ляторный компонент, называемый "В". Реакция гидроксилирования метана происходит в каталитическом цикле ММОН, активный центр которого содержит биядерный комплекс железа. Каталитический цикл ММОН (рис. 1) начинается реакцией его восстановления: исходная форма Нох переходит в восстановленную форму Нгей. Взаимодействие восстановленного гидроксилазного компонента с кислородом (в несколько стадий) приводит к образованию интермедиата, обозначаемого Нрег0Х0, преобразование которого завершается образованием активного интермедиата, обозначаемого 0. Согласно данным мессбауэровской спектроскопии, для этой активной частицы предполагается структура диферрила или бис-ц-оксокомплекса.
2e-, 2H+
H2O
CH3OH
CH4, H2O
O2
H2O
peroxo
Рис. 1. Каталитический цикл гидроксилазного компонента ММО.
203
3*
Интермедиат Q взаимодействует с субстратом с образованием спирта. Обнаружено, что кинетический изотопный эффект (КИЭ) этого процесса, рассчитанный по отношению констант скорости расходования интермедиата Q в бимолекулярной реакции взаимодействия с молекулами СН4 и CD4, имеет необычно высокое значение (kH/kD = = 50-100) [6]. Ферментная система ММО способна окислять не только метан, но и другие углеводороды [7]. При окислении хиральной молекулы этана H(3)H(2)H(1)CCH3 с участием ММО [8] наблюдается частичная рацемизация продуктов. На основании этих экспериментальных фактов в настоящее время многие исследователи [1, 9] принимают скрыто-радикальный механизм взаимодействия активного интермедиата Q с молекулой субстрата, в англоязычной литературе называемый "oxygen rebound mechanism" [10] (механизм ORM). Однако внимательное рассмотрение экспериментальных данных показало, что скрыто-радикальный механизм не выдерживает количественной проверки [11, 12]. Был предложен новый нерадикальный механизм [13], существенным моментом которого является образование промежуточного комплекса субстрата с активным центром.
В работах [14-16] в рамках нерадикального механизма с участием 5-координированного углерода проведен анализ экспериментальных данных, полученных при окислении дейтерозаме-щенного метана (CH3D, CH2D2, CHD3) ферментной системой ММО из Methylosinus trichosporium [17]. Согласно результатам эксперимента [17], значения КИЭ, рассчитанные по соотношению продуктов реакции с учетом количества связей C-D и C-H в молекуле метана, существенно повышаются с увеличением числа атомов дейтерия. Проведенный анализ показал [16], что только при условии обратимости реакции образования промежуточного комплекса, содержащего 5-ко-ординированный углерод, можно получить количественное соответствие экспериментальных и расчетных данных о распределении продуктов гид-роксилирования дейтерированного метана (CH3D, CH2D2, CHD3) с помощью ММО с использованием параметров, имеющих простой физический смысл и реальные значения. Кроме того, показано, что скорость обратного распада этого промежуточного комплекса должна существенно превышать скорость его образования (w-1 > w1). Однако оказалось, что введение таких условий приводит к несовместимости наборов кинетических параметров, обеспечивающих количественное соответствие расчетных значений, с экспериментальными данными о распределении продуктов окисления частично дейтерированного метана, с одной стороны, и с экспериментальными значениями КИЭ конкурентного окисления СН4 и CD4 этой ферментной системой, с другой стороны.
Для устранения указанного противоречия требуется дальнейшее усложнение кинетической модели рассматриваемого механизма. Цель настоящей работы - кинетическое моделирование численным методом процесса окисления метана ферментной системой ММО.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Численные расчеты проводили по ранее разработанной методике [15]. Численным методом с использованием стандартной программы решения прямой кинетической задачи, специально адаптированной к данному случаю, рассчитывали кинетические схемы окисления метана с варьированием отношений параметров модели. Поскольку известны только отношения продуктов окисления, для их математического описания важны только отношения параметров модели, а не их абсолютные значения. Из множества полученных для разных кинетических параметров решений выбирали соответствующие в пределах погрешности экспериментальным результатам окисления изотопозамещенных молекул метана системой ММО. Для каждой модели механизма подбирали набор кинетических параметров, соответствующий стационарному режиму протекания процесса окисления. Соответствие стационарному режиму в каждом случае контролировали по неизменности соотношения продуктов реакции при изменении степени конверсии субстрата окисления от 0.1 до 99.9%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Важную информацию о динамике ферментативного окисления метана дает изучение кинетических изотопных эффектов при гидроксилирова-нии его дейтерозамещенных молекул. Наиболее простым и самым распространенным методом является исследование влияния изотопного замещения в молекулах субстратов на скорость расходования интермедиата 0 в процессе гидроксилиро-вания системой ММО.
Дейтерированный метан СН4 _ „Оп (СН3Б, СН2Б2, СНБ3) окисляется растворимой ММО из МвЖу-¡озтш trichosporium [17] с образованием спиртов СН3 _ „В„ОН и СН4 _ „¿„ _ 1ОН в следующем соотношении:
для СН3Б
р1 = [СН2БОН]/[СН3ОН] = 11.7 ± 3.0, для СН2Б2
р2 = [ СНБ2ОН ] / [ СН2БОН ] = 9.30 ± 0.54, (1) для СНБ3
р3 = [СБ3ОН]/[СНБ2ОН] = 4.00 ± 0.33.
Спирты СН4 _ пБп - 1ОН с высокой константой скорости образуются в реакции изотопного обмена с молекулами воды спиртов СН4 _ пБп _ 1ОБ - продуктов окисления связей С-Б молекулы метана.
Рассчитанные по соотношению продуктов реакции с учетом количества связей С-Б и С-Н в молекуле метана значения КИЭ:
ст„ = {п/(4 - п)}рп = ([СН3 - йБйОН]/[СН4 - пВп -
1ОН]),
(2)
повышаются с увеличением числа атомов дейтерия (п) и составляют:
для СН3Б
= ( 1/3 )Р! = = (1/3)[ СН2БОН ] / [ СН3ОН ] = 3.9 ± 1.0, для СН2Б2
02 = Р2 = = [ СНБ2ОН ] / [ СН2БОН ] = 9.30 ± 0.54, для СНБ3
03 = 2 Р3 =
= 3[ СБ3ОН ] / [ СНБ2ОН ] = 12.0 ± 1.0.
В этих же условиях [17] для окисления системой ММО смеси СН4 + СБ4 получено значение кинетического изотопного эффекта
а4 = р4 = [СН3ОН]/[СБ3ОН] = 19.3 ± 3.9. (3)
Изменение значений КИЭ в пересчете на одну связь С-Н находится в противоречии со скрыто-радикальным механизмом, в соответствии с которым ап = [п/(4 - п)]рп = кН/к0, т.е. определяется только отношением констант скорости гомоли-тического разрыва связей С-Н и С-Б в молекуле метана. В то же время простая кинетическая схема нерадикального механизма окисления метана с помощью ММО через промежуточное образование комплекса, содержащего 5-координированный углерод, с участием в первой стадии двух атомов водорода [14] позволила получить необычное распределение продуктов окисления частично дей-терированного метана (1). Предполагается, что для этого комплекса возможно сосуществование двух форм. Одна из них, форма Ф1, является результатом присоединения атома О по связи С-Н:
Н Н / \ / БеО—С .
Для второй формы (Ф11) характерно сближение атомов Н:
Н
БеО-С
'Н
Следующая за образованием комплекса стадия внедрения атома О в связь С-Н приводит к образованию продукта гидроксилирования.
В кинетической схеме принято, что первой стадией является образование формы Ф11. Реакции взаимных превращений промежуточных соединений для простоты расчета не рассматриваются. Проведенный анализ [16] показал, что только введение быстрой реакции возвращения промежуточных комплексов в исходное состояние позволяет получить количественное соответствие экспериментальных и расчетных данных о распределении продуктов гидроксилирования дейтери-рованного метана (СН3Б, СН2Б2, СНБ3) системой ММО с использованием параметров, имеющих простой физический смысл и реальные значения. Однако оказалось [16], что в рамках этой простой кинетической схемы не существует набора параметров, обеспечивающих одновременное выполнение количественного соответствия расчетных значений и экспериментальных данных (1) и (3). Область значений кинетических параметров, обеспечивающих распределение продуктов гидроксилирования частично дейтерированного метана (1), не имеет пересечений с областью значений этих параметров, позволяющих получить значение КИЭ при окислении смеси СН4 и СБ4 (3).
Для устранения этого противоречия проведен анализ более сложной кинетической модели этого механизма (I). В соответствии с моделью I в реакции взаимодействия активной частицы 0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.