Density Functional Theory Mechanistic Insight into the Peroxidase- and Oxidase-like Activities of Nanoceria

化学 密度泛函理论 过氧化物酶 氧气 质子化 催化作用 电子顺磁共振 计算化学 化学物理 生物化学 有机化学 核磁共振 物理 离子
作者
Zhenzhen Wang,Xiaomei Shen,Xingfa Gao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (42): 23098-23104 被引量:50
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c04878
摘要

Nanoceria have been widely applied in biosystems because of their peroxidase- and oxidase-like catalytic activities. However, the atomistic mechanisms of these activities are still open questions. Using density functional theory calculations, we propose the mechanisms for these catalytic processes. The results suggest that oxygen vacancies present in nanoceria play vital roles in the catalysis. Specifically, oxygen vacancies located in the third layer are essential to form the kinetically feasible catalytic cycles. In contrast, nanoceria without oxygen vacancies are predicted to have the weak activities because of its weak affinity for H2O2 and O2. Instead, the Ov-free nanoceria can directly oxidize protonated TMB under an acidic condition. The intermediate formed by the one-electron reduction of O2 during the oxidase-like catalysis is active to produce the electron paramagnetic resonance signal of O2•–. The results provide atomistic level insight into the enzyme-like catalytic activities of nanoceria, which explains the experimental findings and may help the future design of nanoceria-based enzyme mimics.
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