Hemoglobin I from Lucina pectinata: A model for hydrogen sulfide reactivity within hemeproteins

Abstract

The hemoglobin I (HbI) from the clam Lucina pectinata is an intriguing hemeprotein that binds and transports H2S to chemoautotrophic bacteria to maintain a symbiotic relationship and to protect the mollusk from H2S toxicity. Mutations at E7, B10 and E11 positions were introduced in the HbI heme pocket to define the reactivity of H2S with hemeproteins. The structural properties of the mutants and the recombinant HbI were first evaluated using CO as a sensor of the heme environment. The effects of these mutations were then studied in the ferric H2O and H2S derivatives. The results obtained with the HbI-CO mutants show that GlnE7Asn and GlnE7Val generate open distal structures, relative to rHbI, with slight or none ligand stabilization, while GlnE7His and PheB10Tyr exert strong stabilization mechanisms, creating in turn closed distal configurations. The results also suggest that distal structural rearrangements occur in the PheB10Leu, PheB10Val and E11 mutations, inducing movement of GlnE7. The closed distal configuration suggested in the ferrous GhE7His mutant was also observed in the H2O derivative. Moreover, the displacement of the GlnE7 residue, proposed in the ferrous PheB10Leu, PheB10Val and E11 mutants also induces closed distal conformers in the H2O complexes. These conformers are associated with H-bonding interactions between the E7 residues and the bound water. Similar H-bonding interactions are invoked for these HbI-H2S derivatives and the rHbI, altering in turn H2S reactivity within these proteins. This is evident in the resonance Raman spectra of these HbI-H2S complexes, which show reduction of heme iron as judged by the appearance of the ν4 oxidation state marker at 1356 cm-1, indicative of deoxy-FeII species. This reduction process depends strongly on distal mutations showing faster reduction for those HbI mutants exhibiting strongest H-bonding interactions. Furthermore, the X-ray absorption spectra of rHbI and several HbI mutants suggest that an “FeII-H2S” like intermediate is formed prior to the formation of the deoxy-FeII species. Overall, the results presented here show that: a. H2S association is regulated by external barriers; b. H2S release is controlled by two competing reactions involving simple sulfide dissociation and heme reduction followed by H2S liberation; c. at high H2S concentrations, reduction of the ferric center dominates; d. reduction of the heme is also enhanced in those HbI mutants having polar distal environments.

La hemoglobina I de la almeja Lucina pectinata es una hemoproteína muy interesante que enlaza y transporta H2S a bacterias quimioautótrofas para mantener una relación simbiótica y proteger al molusco de la toxicidad de H2S. Para definir la reactividad de H2S con hemoproteínas, se introdujeron mutaciones en las posiciones E7, B10 y E11 del bolsillo hemo de HbI. Las propiedades estructurales de los mutantes y de la HbI recombinada se evaluaron primero utilizando CO como sensor del ambiente del hemo. Los efectos de estas mutaciones se estudiaron luego con los derivados férricos de H2O y de H2S. Los resultados obtenidos con los mutantes de HbI-CO demuestran que GlnE7Asn y GlnE7Val generan estructuras distales abiertas, con poca o ninguna estabilización del ligando, mientras que GlnE7His y PheB10Tyr presentan fuertes mecanismos de estabilización de ligando, generando a su vez configuraciones distales cerradas. Los resultados además sugieren que en los mutantes PheB10Leu, PheB10Val y E11 ocurre un arreglo estructural que induce movimiento de la GlnE7. La configuración cerrada sugerida para el mutante de GlnE7His, también se observó en el derivado de H2O. En adición, el desplazamiento de la GlnE7, propuesto para los mutantes de PheB10Leu, PheB10Val y E11, induce confórmeros cerrados. Estos confórmeros están asociados con interacciones de puentes de hidrógeno entre los residuos E7 y la molécula de agua. Interacciones similares de puentes de hidrógeno se sugieren para estos derivados de HbI-H2S y la rHbI, lo que altera a su vez la reactividad de H2S en estas proteínas. Esto se evidencia en los espectros de resonancia Raman de estos complejos de HbI-H2S, los cuales demuestran reducción del hierro del hemo, deducido por la aparición del marcador de estado de oxidación ν4 a 1356 cm-1, que es indicativo de la especie deoxy-FeII. Esta reducción depende de mutaciones distales, demostrando una reducción rápida en aquellos mutantes de HbI que exhiben fuertes interacciones de puentes de hidrógeno. Más aun, los espectros de absorción de rayos X de rHb y de varios mutantes sugieren que se forma “FeII-H2S” como un intermediario antes de la formación de la especie deoxy-FeII. En general, los resultados que se presentan aquí demuestran que: a. la asociación de H2S esta regulada por barreras externas; b. la liberación de H2S esta controlada por dos reacciones competitivas que envuelven disociación simple del H2S y reducción del hemo seguido de la liberación de H2S; c. a altas concentraciones, la reducción del centro férrico domina; d. la reducción del hemo aumenta en aquellos mutantes que tienen ambientes distales polares.