The role of ultrafast events of hemoglobin I and hemoglobin II ligand complexes from Lucina pectinata

Abstract

In hemeproteins, the nature of the distal iron ligand, the distal heme environment and the heme iron electronic structure are essential factors in ligand binding dynamics. Ultrafast time resolved absorption studies were performed in HbI(Fe III)CN, HbII(Fe III)CN, HbI(Fe II)CN and HbII(Fe II)CN to evaluate the effect of distal heme environment and the iron electronic structure. The time constants for the cyanide (CN) relaxation of each compound were 3.12 ps, 3.57 ps, 5.78 ps and 5.68 ps respectively. According the results, HbI and HbII ferric CN derivatives did not photodissociate and were dominated by the relaxation of an unphotolyzed derivative through vibrational cooling. In contrast, the HbI and HbII ferrous CN complexes suggested photodissociation of the ligand with no geminate recombination and the ultrafast spectra of both species were dominated by the relaxation of the deoxy species. The results suggested also that the Phe/B10/Tyr substitution did not affect CN dynamics. However, difference in the relaxation time constants was observed between HbICN and HbIICN iron oxidation state. This was interpreted in terms of differences in the relaxation pathway of both species due to their iron electronic nature. Time resolved ultrafast absorption studies were also performed in HbICO, HbIICO and HbI mutants; HbI(Phe/B10/Tyr)CO, HbI(Phe/B10/Val)CO and HbI(Gln/E7/Val)CO. The relaxation time constants of CO derivatives were 9.19 ps, 2.87 ps, 6.23 ps, 4.29 ps and 5.80 ps for HbI, HbII, HbI(Phe/B10/Tyr), HbI(Phe/B10/Val) and HbI(Gln/E7/Val), respectively. Ultrafast results indicated that the dynamics of the HbI mutants resembled that of HbI, suggesting that they both have the similar structural conformational arrangement. The differences between HbII and the HbI(Phe/B10/Tyr) in signal relaxation support the suggestion that the orientation of these distal environment may vary in both adopting two different conformation (open and closed). Similarly, in HbI the docking site process may help to establish a barrier to the reverse rebinding process and thereby inhibits ultrafast geminate ligand rebinding in the closed conformation.

En las hemoproteinas, los factores esenciales que rigen las dinámicas de enlace son: la naturaleza del ligando en la región distal, el ambiente distal de amino ácidos y la estructura electrónica del hierro. Para evaluar el efecto del ambiente distal y la estructura electrónica del hierro se realizaron estudios de absorción ultrarrápidos en tiempo resuelto utilizando HbI(Fe III)CN, HbII(Fe III)CN, HbI(Fe II)CN y HbII(FeII)CN. Las constantes de relajación obtenidas para estos compuestos fueron 3.12 ps, 3.57 ps, 5.78 ps y 5.68 ps respectivamente. Los resultados sugieren que los complejos de cianuro en el estado férrico no se disocian y están dominados por la relajación de una especie que no se fotoliza a través de enfriamiento vibracional. A diferencia los complejos de cianuro en el estado ferroso sugieren la fotodisociación del ligando, sin la recombinación del mismo y a su vez el espectro esta dominado por la relajación de una especie “deoxy”. Estos resultados sugieren que la sustitución Phe/B10/Tyr no afecta la dinámica ultrarrápida del cianuro. Pero una diferencia si fue observada en los complejos de cianuro cuando cambiamos el estado de oxidación del hierro. Esta diferencia la atribuimos al cambio en el camino de la relajación debido a la naturaleza electrónica del hierro. Experimentos ultrarrápidos también fueron realizados a HbICO, HbIICO y a los mutantes de HbI (HbI(Phe/B10/Tyr)CO, HbI(Phe/B10/Val)CO y HbI(Gln/E7/Val)CO). Las constantes de relajación para los derivados de CO fueron 9.19 ps, 2.87 ps, 6.23 ps, 4.29 ps and 5.80 ps respectivamente. Los resultados ultrarrápidos demuestran que la dinámica de los mutantes recae sobre HbI sugiriendo que tienen un arreglo conformacional similar. La diferencia en relajación de la señal ultrarrápida entre HbII y HbI(Phe/B10/Tyr) sugiere que la orientación de los amino ácidos en la región distal puede variar en ambos adoptando dos conformaciones distintas (abierto y cerrada). Además en HbI, que domina la conformación cerrada, el proceso de “docking site” puede que ayude a establecer una barrera en el re-enlace del ligando prohibiendo la recombinación ultrarrápida del ligando.