Oxidation reactions of Lucina pectinata hemoglobins: Model system to design heme protein based blood substitutes

Abstract

Today, efforts are focused in the production of a second-generation blood substitutes that minimizes the oxidative stress and the tissue vasoactivity. The infused cell-free hemoglobin’s can act as nitric oxide (NO) scavenger inducing vasoconstriction and affecting blood pressure. Also, it can autoxide producing reactive oxygen species such as the superoxide ion and H2O2. These reactions produce the heme-Fe(IV) ferryl species, which promote hemolysis. Regarding this, Lucina pectinata hemoglobins HbI and HbII were used to explore correlations between structure and the oxidative stability in the reactions with H2O2 and NO. The HbI and HbII distal pocket active site has the conserved amino acids GlnE7 (also present in elephant and shark myoglobin), PheCD1, and PheE11. The other amino acid is PheB10 in HbI, while HbII has TyrB10. The HbI PheB10Tyr replacement was used to compare the active centers. The results indicate that the human cross-linked α-DBBF-Hb has an autoxidation rate constant (kautox) of 0.090 h-1. The autoxidation rate constant for HbI was 0.055 h-1. However, HbII and HbI PheB10Tyr have significant lower autoxidation rates of 0.003 h-1, and 0.008 h-1, respectively. The kinetic rate constant for the reaction of α-DBBF-Hb with H2O2 producing high amounts of fluorescent heme degradation products is 8.0 M-1s-1. The heme degradation for HbII (0.61 M-1s-1) and HbI PheB10Tyr (0.58 M-1s-1) is the smaller of the hemoglobins, while HbI has the higher rate constant (16.73 M-1s-1). This data suggests that TyrB10 significantly contributes to reduce the oxidation caused by H2O2. The kinetic rate constant for the oxy Hb oxidation with NO for α-DBBF-Hb and HbII is 18.95 µM-1s-1, and 2.8 µM-1s-1, and for HbI and HbI PheB10Tyr is 91.6 M-1s-1, and 49.97 M-1s-1, respectively. These reactions suggest that in addition to TyrB10, there are other factors in HbII affecting the NO entrance to the distal site leading to the slow HbII oxidation by this ligand. Furthermore, experiments with endothelial cells show that under induced oxidative stress L. pectinata hemoglobins stimulate mild apoptosis to cells when forming the ferryl species in the reactions with hydrogen peroxide. Moreover, the exposition of the hemoglobins during hypoxia increases the HIF-1α levels, thus suggesting that the cell redox signaling and death pathways are altered. This suggests novel capabilities, especially for HbII, to carry oxygen under hypoxic conditions or oxygen stress. Taken together, our results suggest that L. pectinata HbII may represent a good model for the design of future oxidative stable oxygen carrier with little or no vasoactivity.

Hoy día continúan los esfuerzos para producir un sustituto de hemogobina que genere poco estrés oxidativo y poca vasoactividad. La administración de hemoglobina modificada y fuera del glóbulo rojo, reacciona con el oxido nítrico (NO) disponible en los tejidos causando vasoconstricción y afectando la presión sanguínea. La hemoglobina se auto oxida y produce especies reactivas a oxígeno, como por ejemplo el ión superóxido y peróxido de hidrógeno. Por lo que la hemoglobina también reacciona con estas especies produciendo las especies ferryl, hemo-Fe(IV), las cuales promueven el rompimiento del grupo hemo. Es por esto que en este estudio se han utilizado las hemoglobinas HbI y HbII de la almeja Lucina pectinata para correlacionar estructura y estabilidad oxidativa en las reacciones con H2O2 y NO. El centro activo de HbI y HbII contienen amino ácidos conservados como GlnE7 (también presente en la mioglobina de elefante y de tiburón), PheCD1 y PheE11. El el centro activo difieren en el amino ácido en la posición B10, el cual es Phe en HbI y Tyr en HbII. El mutante de HbI PheB10Tyr fue utilizado para comparar los centros activos entre las hemoglobinas. Los resultados muestran que la hemoglobina humana modificada α-DBBF tiene una constante de auto oxidación (kautox) de 0.090 h-1, mientras que para HbI el valor de kautox es 0.055 h-1. Sin embargo, HbII y HbI PheB10Tyr tienen una constante de auto oxidación bien pequeña con valores de 0.010 h-1 y 0.008 h-1, respectivamente. La constante cinética para la formación de productos de degradación fluorescentes es grande para α-DBBF Hb, con un valor de 8.0 M-1s-1. Sin embargo, las constantes de degradación para HbII (1.1 M-1s-1) y HbI PheB10Tyr (1.2 M-1s-1) mostraron ser las más bajas, mientras que HbI (37 M-1s-1) obtuvo el valor más alto para la formación de productos de degradación del hemo. Estos datos sugieren que TyrB10 contribuye significativamente a reducir la oxidación causada por H2O2. Las constantes cinéticas para la oxidación de las hemoglobinas en su estado oxigenado en la reacción con NO son 18.95 µM-1s-1, 2.8 µM-1s-1, 91.6 M-1s-1 y 49.97 M-1s-1 para α-DBBF Hb, HbII, HbI y HbI PheB10Tyr, respectivamente. Estas reacciones sugieren que hay otros factores, además de TyrB10, afectando la entrada de NO al centro activo permitiendo que la oxidacion de HbII por este ligando sea lenta. Además, los experimentos realizados con células endoteliales mostraron que bajo estrés oxidativo inducido, la reacción de hemoglobinas de L. pectinata con peróxido de hidrógeno forman las especies ferryl, estimulando la apoptosis celular. También, los niveles de la proteina HIF-1α aumentan cuando las células son tratadas con las hemoglobinas durante un periodo de hipoxia, sugiriendo que tanto las rutas de señal para estrés oxidativo como las que llevan a muerte celular son afectadas. Esto sugiere que durante estrés inducido por hypoxia HbII tiene la capacidad de transportar oxígeno al medio celular y de alterar las reacciones que fisiológicamente se llevan a cabo. Resumiendo todos los aspectos de este estudio, los resultados sugieren que L. pectinata HbII representa un buen modelo para el diseño de un transportador de oxígeno que sea estable en términos de oxidación y que tenga poca actividad de vasoconstricción.