Simulation of intermediate transport in nanoscale scaffolds for multistep catalytic reactions

文献情報

出版日 2017-05-24
DOI 10.1039/C7CP00239D
インパクトファクター 3.676
著者

Erica Earl, Scott Calabrese Barton


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要旨

Efficient catalytic cascades that involve several sequential reactions are found frequently in nature. The efficiency of multi-step biochemical pathways is enhanced by substrate channelling, wherein the product of one reaction is directed toward and acts as substrate to the next sequential reaction. Such mechanisms can partially overcome diffusion, which is often fast compared to reaction rates, and promotes loss of intermediates. Biochemical substrate channelling is achieved by the architecture and scaffolding of enzymes, and mimicking these natural structures could lead to innovative catalyst designs. We investigate the efficiency of two channelling approaches – electrostatic interactions and surface adsorption – through continuum modelling, to identify the limits of these modes and the extent to which they can interact. The model considers transport between two active sites where an intermediate is produced at the first active site and consumed at the second. The system includes mass transport through diffusion and migration, and reaction kinetics at the active sites. The effectiveness of this model is quantified by yield of the second reaction relative to the first. Channelling via proximity between active sites and via surface adsorption are found to be inefficient, requiring high values of the rate constant at the second active site to obtain significant yields. The introduction of electrostatic interactions, however, leads to yields of over 90% at much lower values of the rate constant.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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