Global and local structural analysis of the sulfheme complex: A role in the decrease of myoglobin functionality

Abstract

When the human body is exposed to high concentration of hydrogen sulfide (H2S, recently identified as a signaling gas), a rare type of anemia called sulfhemoglobinemia is developed. This condition is triggered by the increase of the physiological concentration of sulfheme complex. Proteins bearing a His distal residue with an adequate orientation, as in Myoglobin (Mb) and Hemoglobin (Hb), form this complex. The sulfur atom is incorporated across the β-β double bond of the pyrrole “B”, reducing the protein‟s oxygen (O2) affinity. This change in affinity is attributed to the heme group distortion and the electron withdrawing forces induce by the sulfur atom. However, other aspects may also contribute to the decrease in protein affinity, e.g. conformational change and final bound heme Fe-ligand. Our intention was to analyze the contribution of these global and local structural features with those previously reported and relate them to the changes in protein functionality. Therefore, this research was directed to further comprehend the reactivity and action mode of H2S in the human body, specifically Mb. In this project we: (1) evaluated the possible significant changes in protein conformation that may affect the protein-O2 interaction, and (2) identified the SulfmyoglobinLigand (SMb-L) complexes that naturally take place as products during the SMb complex formation, and hence, serve as physiological competitors for the binding of O2 to the heme-Fe. To answer these inquiries, Small angle X-ray scattering (SAXS) and Electron Paramagnetic Resonance (EPR) were used to analyze the SMb complex, along with control protein HbI from Lucina pectinata that does not form the sulfheme complex. The EPR data showed that the possible final products of the SMb complex formation are H2O-SMb (2.49, 2.26, and 1.84 g values), O2-SMb (loss of signal), ferrous (loss of signal) and ferric H2S-SMb (2.36, 2.26 and 1.91 g values). In order for O2 to bind to the sulfheme-Fe, it will have to compete with H2O and H2S ligands, in addition to the ferric heme-Fe oxidation state, which contributes to the loss of O2-protein interaction. Finally, the SAXS results showed that SMb formation induces a change in the protein conformation; where its envelope forms a very small cleft and the protein is more flexible, less rigid and compact. Theoretical scattering curve of SMb crystal structure suggest that the global conformational change and internal structural fluctuations are hampered by the crystal packing forces; thus, limiting the range of conformational motion accessible to the protein. Based on the direct relationship between Mb‟s structural conformation and its functionality, we suggest that the conformational change observed upon SMb formation plays a role and contribute to the protein decrease in O2 affinity and, therefore, on its functionality.

Cuando el cuerpo humano se expone a altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno (H2S), se desarrolla un tipo de anemia rara llamada sulfhemoglobinemia. Esta condición es provocada por el aumento en la concentración fisiológica del complejo sulfhemo. Las proteínas que forman este complejo son aquellas que tienen una histidina distal con una orientación apropiada, como mioglobina (Mb) y hemoglobina (Hb). El átomo de azufre se incorpora a través del doble enlace β-β del pirol “B”, reduciendo la afinidad de la proteína por oxígeno (O2). Esta disminución en afinidad se le atribuye a la distorsión del grupo hemo y la capacidad de azufre para atraer electrones. Sin embargo, otros aspectos pueden contribuir a la disminución de la afinidad, por ejemplo: un cambio conformacional y el ligando enlazado al hierro (Fe) en el grupo hemo como producto “final”. Nuestra intención era analizar la contribución de las características estructurales globales y locales, que en combinación con lo reportado anteriormente, se relacionan con los cambios en la funcionalidad de la proteína. Por tanto, esta investigación estaba dirigida a comprender aún mejor la reactividad y el modo de acción de H2S en el cuerpo humano, en especial su interacción con mioglobina. En este proyecto se: (1) evaluó los posibles cambios conformacionales significativos que pueden afectar la interacción entre proteína-O2; y (2) identificó los complejos Sulfmioglobina-ligando (SMb-L), que naturalmente se forman como productos en la reacción de formación del complejo SMb, y por consiguiente, sirven como competidores fisiológicos del enlace de O2 con el Fe del grupo hemo. Para contestar estas preguntas, se utilizaron las técnicas de Dispersión de Rayos-X en Ángulos Pequeños (SAXS) y Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR) para analizar el complejo de SMb, utilizando como control la proteína HbI de la almeja Lucina pectinata. Los resultados de EPR demostraron que los posibles productos finales de la formación del complejo SMb son: H2O-SMb (2.49, 2.26, y 1.84), O2-SMb (pérdida de señal), ferroso (pérdida de señal) and férrico H2S-SMb (2.36, 2.26 y 1.91). En adición a la baja afinidad que tiene el O2 por el estado de oxidación férrico del hemo, este para lograr enlazarse al Fe del grupo sulfhemo tendría que competir con los ligandos H2O y H2S que son más afín con el estado férrico del Fe. Estas desventajas contribuyen a la perdida de interacción entre el O2 y la proteína. Finalmente, los resultados de SAXS demuestran que la formación de SMb induce un cambio en la conformación de la proteína, donde la envoltura de la proteína forma una pequeña hendedura y la proteína pasa a ser más flexible, menos rígida y compacta. La curva de dispersión teórica de la estructura cristalina de SMb sugiere que los cambios conformacionales y las fluctuaciones estructurales internas son obstaculizadas por las fuerzas de empaque del cristal, limitando los rangos de los movimientos conformacionales accesibles a la proteina. En base a la relación directa entre la estructura conformacional de la proteína y su funcionalidad, sugerimos que los cambios conformacionales observados a causa de la formación del complejo SMb juegan un papel y contribuyen a la disminución de la afinidad por O2, y por consiguiente, en la funcionalidad de la proteína.