Structural aspects and chemical species involved in the hemeperoxidases catalytic oxidation of hydrogen sulfide by hydrogen peroxide and oxygen

Abstract

Hydrogen sulfide (H2S) has gained attention since it is implied in human physiological functions with potential therapeutically effects. Furthermore, H2S interacts with physiologically important hemeproteins such as myoglobin, hemoglobin, catalase, lactoperoxidase (LPO) and myeloperoxidase (MPO). LPO in the presence of hydrogen peroxide (H2O2) and H2S forms a sulfheme derivative, called sulflactoperoxidase (sulfLPO), as do other proteins like hemoglobin, myoglobin, and catalase. Despite many studies, there still a need to further comprehend the species involved in the reaction of hemeperoxidases, LPO, MPO and horseradish peroxidase (HRP), with molecular oxygen or H2O2 in the presence of H2S. Studies introducing mutations to the sulfide reactive, hemoglobin I (HbI) from Lucina pectinata, found that histidine (His) is involved in the sulfheme formation. New mutations were inserted in positions 64 and 68 of the HbI heme pocket, demonstrating that the His residue in the adequate position and orientation is crucial in the sulfheme derivative formation in heme proteins. This work presents data to further understand the LPO sulfheme development. Our results show that under strict anaerobic conditions, the addition of H2S to LPO reduces the protein instead of inducing the formation of sulfLPO. Further experiments data indicate that the presence of O2 or H2O2 is an absolute requirement for the formation of the sulfheme derivatives characterized by distinctive bands at 638 nm and 727 nm in the electronic spectrum. Interestingly, in the presence of oxidizing agents and H2S continuous turnover of sulfLPO to regenerate the native protein occurs, indicating LPO catalyzed oxidation of sulfide by peroxide. The turnover of the sulfLPO to the native protein does not lead to any new H2S generation or irreversible inhibition mechanisms. Pilot product analysis suggest sulfate (SO4=) and/or inorganic polysulfides as products in the turnover process. These results indicate that H2S is a non-classical LPO substrate, because the porphyrin ring of the heme group is reversibly modified during turnover via intermediate formation of sulfheme derivatives. Furthermore, EPR data suggest that during sulfheme turnover, H2S can act as a scavenger of H2O2 in the presence of LPO without detectable formation of any carbon-centered radical species on the globin chain, suggesting that H2S might be capable of protecting the enzyme from radical-mediated damage in the presence of H2O2. Sulfheme formation was shown to be slower in the reaction between oxyLPO and H2S compared to the LPO catalyzed oxidation of sulfide by H2O2. The available literature and our results suggest that the rate determining step of sulfheme formation in the presence O2 is the formation of compound III, while with H2O2 it is the formation of heme compound 0. On the other hand, experimental data show that in contrast to hemoglobin, myoglobin, catalase or LPO, MPO and HRP’s main pathway in the oxidative interactions with H2S is not the generation of the sulfheme derivative. Although all these hemeproteins have His in the active site, structural changes near the heme group causes in MPO and HRP to prefer compound III as central intermediary in the enzyme turnover by H2S. Nevertheless, the results indicated that H2S does not bind to the ferric LPO, MPO and HRP due the unique features of the His and arginine residues in the active site of these hemeperoxidases. El H2S ha ganado atención ya que está implicado en funciones fisiológicas humanas con potenciales efectos terapéuticos. Además, el H2S interactúa con hemoproteínas fisiológicamente importantes como mioglobina, hemoglobina, catalasa, lactoperoxidasa (LPO) y mieloperoxidasa (MPO). LPO en presencia de peróxido de hidrógeno (H2O2) y H2S forma un derivado sulfhemo, llamado sulflactoperoxidasa (sulfLPO), así como otras proteínas como la hemoglobina, la mioglobina y la catalasa. A pesar de muchos estudios, todavía hay una necesidad de comprender mejor las especies implicadas en la reacción de las hemoperoxidasas, LPO, MPO y peroxidasa de rábano picante (HRP), con oxígeno molecular y/o H2O2 en presencia de H2S. Estudios que introducen mutaciones de residuos a la hemoglobina I (HbI) de Lucina pectinata, que enlaza y transporta H2S, encontraron que la histidina (His) está involucrada en la formación de derivados sulfhemo. Se insertaron nuevas mutaciones en las posiciones 64 y 68 en el sitio activo de la HbI, demostrando que el amino ácido His en la posición y orientación adecuada es crucial en la formación del sulfhemoderivado en las hemoproteínas. Este trabajo presenta datos para comprender mejor el desarrollo de sulfhemo en LPO. Nuestros resultados muestran que bajo estrictas condiciones anaeróbicas, la adición de H2S a LPO reduce la proteína en lugar de inducir la formación de sulfLPO. Otros datos indican que la presencia de O2 o H2O2 es un requisito indispensable para la formación de los derivados sulfhemo que se caracterizan por bandas distintivas a 638 nm y 727 nm en el espectro electrónico. Curiosamente, en presencia de agentes oxidantes y H2S LPO muestra una renovación continua de sulfLPO para regenerar la proteína nativa, lo que indica que LPO cataliza la oxidación de sulfuro por peróxido. La renovación del sulfLPO a la proteína nativa no conduce a ninguna generación nueva de H2S o mecanismos de inhibición irreversibles. Análisis preliminares sugiere que sulfato (SO4 =) y/o polisulfuros inorgánicos son generados como productos en el proceso de renovación. Estos resultados indican que el H2S es un sustrato de LPO no clásico, porque el anillo de porfirina del grupo hemo se modifica de forma reversible durante la renovación mediante la formación intermedia de derivados sulfhemo. Además, los datos de RPE sugieren que durante la renovación de sulfhemo, el H2S puede actuar como eliminador de H2O2 en presencia de LPO sin formación detectable de cualquier especie radical centrada en carbono en la cadena de globina, sugiriendo que H2S podría proteger la enzima de daños inducidos por radicales en presencia de H2O2. Se demostró que la formación de sulfhemo era más lenta en la reacción entre oxyLPO y H2S en comparación con la oxidación de H2S catalizada por LPO por H2O2. Estudios en la literatura y nuestros resultados sugieren que la etapa determinante de la velocidad de formación de sulfhemo en presencia de O2 es la formación del compuesto III, mientras que con H2O2 es la formación del compuesto 0. Por otro lado, los datos experimentales muestran que a contrario de la hemoglobina, mioglobina, catalasa o LPO, en MPO y HRP la principal vía de las interacciones oxidativas con H2S no es la generación del sulfhemo derivado. Aunque todas estas hemoproteínas tienen His en el sitio activo, los cambios estructurales cercanos al grupo hemo provocan que MPO y HRP prefieran el compuesto III como intermediario central en la renovación enzimática por H2S. Sin embargo, los resultados indicaron que el H2S no se enlaza a la LPO, MPO y HRP férrica debido a la característica única de poseer los residuos His y arginina en el sitio activo de estas hemoperoxidasas.