Sulfmyoglobin formation pathway upon reaction of oxy-myoglobin and hydrogen sulfide

Abstract

Myoglobin (Mb) binds oxygen with high affinity as a low spin singlet complex and thus functions as an oxygen storage protein. Quantum chemical calculations of oxy-Mb models with hydrogen sulfide (H2S) in the active site predict that H2S can donate a hydrogen atom to the distal oxygen atom through homolytic cleavage of the S-H bond to form the intermediate Compound (Cpd) 0 structure and a hydrosulfide radical. In the presence of a mono-protonated His64-ε and H2S, Cpd 0 can be formed via the singlet state. The triplet state structures are energetically less favorable by ca. 10 kcal/mol. Surprisingly, the spin state preference is completely reversed at acidic pH (with doubly protonated His64-εδ) and in the presence of H2S, favoring the paramagnetic triplet state over the singlet state by 31-51 kcal/mol. In addition, the intermediate Cpd 0 is more stable with a positively charged His64. Typically, exotic techniques are required to generate Cpd 0 but under the conditions just described the intermediate is readily detected in UV-Vis spectra at room temperature. The effect is observed as a 2 nm red shift of the Soret band from 414 nm to 416 nm (pH 5.0, His64-εδ) and from 416 nm to 418 nm (pH 6.6, His64-ε). The occurrence of Cpd 0 in Oxy-Mb reaction with H2S sets the defining energy barrier for the concurrent formation of a Sulfheme species. Upon dissociation of Cpd 0 the recently generated *SH radical is integrated into the porphyrin over pyrrole B, resulting one of the three isomeric structures of SulfMb lowering the systems potential energy by approx. -81 kcal/mol. A Sulfheme formation mechanism was investigated from an Oxy-Mb stand point via QM/MM methods guided by experimental UV-Vis spectroscopic results. The proposed mechanism demonstrates plausible iii antioxidative properties during SulfMb formation, as radicals generated during Oxy-Mb autoxidative motion are consumed and prevented from further damaging the protein. Furthermore, due to the time dependent nature of the absorption spectra displayed by Sulfheme, the interplay between Met-aquoSulfheme isomeric structures was studied via Time Dependent Density Functional Theory (TDDFT). Sulfurs electron withdrawing effect as a peripheral substituent in the porphyrin results in the modulation of HOMO a1u and a2u orbitals of the porphyrin. Correlation with experimental UV-vis spectra acquired at different time regiments show that the predominant isomeric structures, 3-membered ring (SA) and 5-membered thiochlorin (SC), have different contributions in the absorption spectra for characteristic regions of 500, 620, and 700nm. Isomeric structure SA prevailing initially and SC at longer periods of time, a result that is consistent with the proposed reaction mechanism.

Mioglobina (Mb) enlaza oxígeno con gran afinidad como un complejo singlete de bajo espín, por lo tanto, funciona como una proteína de almacenamiento de oxígeno. Los cálculos químicos cuánticos de modelos de Oxy-Mb con ácido sulfhídrico (H2S) en el “hemepocket” predicen que H2S puede donar un átomo de hidrógeno al átomo de oxígeno distal a través de la ruptura homolítica del enlace S-H para formar la estructura intermedia de Compuesto (Cpd) 0 y un radical de hidrosulfuro. En presencia de His64-ε mono-protonado y H2S, Cpd 0 puede formarse a través del estado de singlete. Las estructuras de estado triplete son energéticamente menos favorables. Sorprendentemente, la preferencia del estado de espín se invierte completamente a pH ácido (con His64-εδ doblemente protonada) y en presencia de H2S, favoreciendo el estado de triplete paramagnético sobre el estado de singlete por 31-51 kcal / mol. En adición, el intermediario de Cpd 0 es más estable con His64 cargado positivamente. Típicamente se requiere de técnicas exóticas para formar Cpd 0, pero en las condiciones recién descritas, el intermedio se detecta fácilmente vía espectroscopia de UV-Vis a temperatura ambiente. El efecto se observa como un desplazamiento al rojo de 2 nm de la banda Soret de 414 nm a 416 nm (pH 5.0, His64-εδ) y de 416 nm a 418 nm (pH 6.6, His64-ε). La formación de Cpd 0 durante la reacción de Oxy-Mb con H2S establece la barrera de energía determinante para la formación concurrente de una especie de Sulfhemo. Tras la disociación de Cpd 0 el radical de tiol se integra en la porfirina sobre el pirrol B, resultando una de las tres estructuras isoméricas de SulfMb reduciendo la energía potencial del sistema aproximadamente -81kcal / mol. Se investigó un mecanismo de formación de sulfhemo con Oxy- v Mb como punto de partida por métodos QM/MM utilizando como guía resultados experimentales de espectroscopía UV-Vis. El mecanismo propuesto demuestra posibles propiedades antioxidativas durante la formación de SulfMb, ya que los radicales generados durante el proceso autoxidativo de Oxy-Mb se consumen y se evita que dañen aún más la proteína. Además, debido a dependencia de tiempo demostrada en los espectros de absorción de Sulfhemo, se estudió la interacción entre las estructuras isoméricas de Met-aquoSulfheme a través de la Teoría de Funcional de Densidad Dependiente del Tiempo (TDDFT). El efecto electrón atrayente de azufre como sustituyente periférico en la porfirina da como resultado la modulación de los orbitales HOMO a1u y a2u de la porfirina. Correlación con espectros experimentales de UV-vis adquiridos en diferentes regímenes de tiempo muestran que las estructuras isoméricas predominantes, el anillo de 3 miembros (SA) y anillo de 5 miembros (SC), tienen contribución diferente a los espectros de absorción en las regiones características de 500, 620, y 700nm. La estructura isomérica SA predomina en los periodos iniciales y SC en períodos de tiempo más largos, un resultado que es consistente con el mecanismo de reacción propuesto.