Molecular basis of the NO trans influence in quaternary T-state human hemoglobin: A computational study

AbstractNO binding to the T-state of human hemoglobin (HbA) induces the cleavage of the proximal His bonds to the heme iron in the α-chains, whereas it leaves the β-hemes hexacoordinated. The structure of the nitrosylated T-state of the W37Eβ mutant (W37E) shows that the Fe-His87α bond remains intact. Exactly how mutation affects NO binding and why tension is apparent only in HbA α-heme remains to be elucidated. By means of density functional theory electronic structure calculations and classical molecular dynamics simulations we provide an explanation for the poorly understood NO binding properties of HbA and its W37E mutant. The data suggest an interplay between electronic effects, tertiary structure and hydration site modifications in determining the tension in the NO-ligated T-state HbA α-chain

Mechanistic Insight into the Enzymatic Reduction of Truncated Hemoglobin N of Mycobacterium tuberculosis: role of the CD loop and pre-A Motif in electron cycling

Background: The HbN of Mycobacterium tuberculosis carries a potent nitric-oxide dioxygenase activity despite lacking a reductase domain. Results: The NADH-ferredoxin reductase system acts as an efficient partner for the reduction of HbN. Conclusion: The interactions of HbN with the reductase are modulated by its CD loop and the Pre-A region. Significance: The present study provides new insights into the mechanism of electron transfer during nitric oxide detoxification by HbN.Fil: Singh, Sandeep. Institute of Microbial Technology; IndiaFil: Thakur, Naveen. Institute of Microbial Technology; IndiaFil: Oliveira, Ana. Universidad de Barcelona; EspañaFil: Petruk, Ariel Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Hade, Mangesh Dattu. Institute of Microbial Technology; IndiaFil: Sethi, Deepti. Institute of Microbial Technology; IndiaFil: Bidon Chanal, Axel. Universidad de Barcelona; EspañaFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Datta, H.. Institute of Microbial Technology; IndiaFil: Parkesh, R.. Institute of Microbial Technology; IndiaFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Luque, F. Javier. Universidad de Barcelona; EspañaFil: Dikshit, Kanak L.. Institute of Microbial Technology; Indi

Structural changes induced by interactions between thyroid hormones and phospholipid membranes: a Raman Spectroscopy study

Previous reports from our laboratory have shown that thyroid hormones induce changes in the fluidity and permeability of phospholipid bilayers and modify the transmembrane dipolar organization according to their iodine content. The interactions of T2, T3, and T4 with a model membrane of dilauroylphosphatidylcholine in the liquid-crystalline phase were analyzed by confocal Raman spectroscopy. Insights into the nature of the hormone effects on the membrane properties, as well as the structural adaptations of the hormones in response to the lipid environment were derived from the spectral changes. The series of progressive iodine substituents on the ring-β allowed us to correlate the hormone effects according to the number and the orientation of the iodine atoms. T4 was responsible for producing the highest alteration in the hydrophobic region of the membrane.Fil: Petruk, Ariel Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biologicas; ArgentinaFil: Alvarez, Rosa Maria Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biologicas; Argentin

Shaped cathodes for the production of ultra-short multi-electron pulses

An electrostatic electron source design capable of producing sub-20 femtoseconds (rms) multi-electron pulses is presented. The photoelectron gun concept builds upon geometrical electric field enhancement at the cathode surface. Particle tracer simulations indicate the generation of extremely short bunches even beyond 40 cm of propagation. Comparisons with compact electron sources commonly used for femtosecond electron diffraction are made

Thyroid hormone interactions with dmpc bilayers. A molecular dynamics study

The structure and dynamics of thyroxine (T4), distal and proximal conformers of 3',3,5-triiodo-L-thyronine (T3d and T3p), and 3,5-diiodo-L- thyronine (T2) upon interaction with DMPC membranes were analyzed by means of molecular dynamics simulations. The locations, the more stable orientations, and the structural changes adopted by the hormones in the lipid medium evidence that the progressive iodine substitution on the β ring lowers both the possibility of penetration and the transversal mobility in the membrane. However, the results obtained for T3d show that the number of iodine atoms in the molecule is not the only relevant factor in the hormone behavior but also the orientation of the single iodine substitution. The electrostatic interactions between the zwitterion group of the hormones with specific groups in the hydrophilic region of the membrane as well as the organization of the alkyl chains around the aromatic β ring of the hormone were evaluated in terms of several radial distribution functions. © 2009 American Chemical Society.Fil: Petruk, Ariel Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Alvarez, Rosa Maria Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Bioquímica, Química y Farmacia. Instituto de Química Física; Argentin

Mapping the protein-binding sites for iridium(III)-based CO-releasing molecules

A combination of mass spectrometry, Raman microspectroscopy, circular dichroism and X-ray crystallography has been used to obtain detailed information on the reaction of an iridium-based CO-releasing molecule (Ir-CORM), Cs2IrCl5CO, with a model protein, bovine pancreatic ribonuclease. The results show that Ir-compound fragments bind to the N-terminal amine and close to histidine and methionine side chains, and the CO ligand is retained for a long time. The data provide helpful information for identifying protein targets for Ir-CORMs and for studying the mechanism that allows them to exhibit their interesting biological properties.Fil: Caterino, Marco. Università degli Studi di Napoli Federico II; ItaliaFil: Petruk, Ariel Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Vergara, Alessandro. Università degli Studi di Napoli Federico II; Italia. Institute of Biostructures and Bioimages; ItaliaFil: Ferraro, Giarita. Università degli Studi di Napoli Federico II; ItaliaFil: Marasco, Daniela. Università degli Studi di Napoli Federico II; Italia. Institute of Biostructures and Bioimages; ItaliaFil: Doctorovich, Fabio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Merlino, Antonello. Università degli Studi di Napoli Federico II; Italia. Institute of Biostructures and Bioimages; Itali

Iodothyronine–phospholipid interactions in the lipid gel phase probed by Raman spectral markers

A better understanding of the structural effects induced by thyroid hormones in model membranes is attained by Raman spectroscopy. The interactions of T3 and T4 with multilamellar vesicles of dipalmytoylphosphatidylcholine (DPPC) in the gel phase are characterized by analyzing the spectral behavior of the C–H and C–C stretching vibrations of the acyl chains. The spectra evidence an increase in the relative number of gauche conformation, which indicates the hormones are able to penetrate into the hydrophobic region of the bilayer and partially alter the lipid structure. In addition, the density packing of the acyl chains appears increased and the rotational mobility of the terminal methylene groups is slightly reduced in the iodothyronine/DPPC mixtures. These effects are interpreted in terms of the transition to an interdigitated phase due to the hormone incorporation to the membrane. The polar heads of the lipids also interact with the hormone, as evidenced by the PO 2 symmetric stretching band.Fil: Petruk, Ariel Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biologicas; ArgentinaFil: Sosa Morales, Marcelo Clemente. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biologicas; ArgentinaFil: Alvarez, Rosa Maria Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biologicas; Argentin

Molecular mechanism of myoglobin autoxidation: Insights from computer simulations

Myoglobin (Mb) and hemoglobin have the biological ability to carry/store oxygen (O2), a property which requires its heme iron atom to be in the ferrous -Fe(II)- state. However, the thermodynamically stable state in the presence of O2 is Fe(III) and thus the oxidation rate of a globin is a critical parameter related to its function. Mb has been extensively studied and many mutants have been characterized regarding its oxygen mediated oxidation (i.e., autoxidation) rates. Site directed mutants in residues 29 (B10), which shapes the distal cavity, and 64 (E7), the well-known histidine gate, have been shown to display a wide range of autoxidation rate constants. In this work, we have thoroughly studied the mechanism underlying the autoxidation process by means of state-of-the-art computer simulation methodologies, using Mb and site directed mutants as benchmark cases. Our results explain the observed autoxidation rate tendencies in different variants of Mb, L29F < wt < L29A = H64Q < H64F < H64A, and shed light on several aspects of the reaction at the atomic level. First, water access to the distal pocket is a key event and the observed acid catalysis relies on HisE7 protonation and opening of the His gate to allow water access, rather than protonation of the oxy heme itself. Our results also suggest that the basic mechanism, i.e., superoxide displacement by hydroxide anion, is energetically more feasible. Finally, we confirmed that distal hydrogen bonds protect the oxy complex from autoxidation.Fil: Arcon, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Rosi, Pablo Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Petruk, Ariel Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin

Molecular basis of intramolecular electron transfer in proteins during radical-mediated oxidations: Computer simulation studies in model tyrosine-cysteine peptides in solution

Experimental studies in hemeproteins and model Tyr/Cys-containing peptides exposed to oxidizing and nitrating species suggest that intramolecular electron transfer (IET) between tyrosyl radicals (Tyr-O) and Cys residues controls oxidative modification yields. The molecular basis of this IET process is not sufficiently understood with structural atomic detail. Herein, we analyzed using molecular dynamics and quantum mechanics-based computational calculations, mechanistic possibilities for the radical transfer reaction in Tyr/Cys-containing peptides in solution and correlated them with existing experimental data. Our results support that Tyr-O to Cys radical transfer is mediated by an acid/base equilibrium that involves deprotonation of Cys to form the thiolate, followed by a likely rate-limiting transfer process to yield cysteinyl radical and a Tyr phenolate; proton uptake by Tyr completes the reaction. Both, the pKa values of the Tyr phenol and Cys thiol groups and the energetic and kinetics of the reversible IET are revealed as key physico-chemical factors. The proposed mechanism constitutes a case of sequential, acid/base equilibrium-dependent and solvent-mediated, proton-coupled electron transfer and explains the dependency of oxidative yields in Tyr/Cys peptides as a function of the number of alanine spacers. These findings contribute to explain oxidative modifications in proteins that contain sequence and/or spatially close Tyr-Cys residues. © 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.Fil: Petruk, Ariel Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán. Instituto de Química del Noroeste. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Bioquímica, Química y Farmacia. Instituto de Química del Noroeste; ArgentinaFil: Bartesaghi Hierro, Silvina María. Universidad de la República; UruguayFil: Trujillo, Madia. Universidad de la República; UruguayFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Murgida, Daniel Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Kalyanaraman, Balaraman. Medical College Of Wisconsin; Estados UnidosFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Biológica; ArgentinaFil: Radi, Rafael. Universidad de la República; Urugua

The allosteric modulation of thyroxine-binding globulin affinity is entropy driven

Background: Thyroxine-binding globulin (TBG) is a non-inhibitory member of the serpin family of proteins whose main structural element is the reactive center loop (RCL), that, upon cleavage by proteases, is inserted into the protein core adopting a β-strand conformation (stressed to relaxed transition, S-to-R). After S-to-R transition thyroxine (T4) affinity decreases. However, crystallographic studies in the presence or absence of the hormone in different states are unable to show significant differences in the structure and interactions of the binding site. Experimental results also suggest the existence of several S states (differing in the number of inserted RCL residues), associated with a differential affinity. Methods: To shed light into the molecular basis that regulates T4 affinity according to the degree of RCL insertion in TBG, we performed extended molecular dynamics simulations combined with several thermodynamic analysis of the T4 binding to TBG in three different S states, and in the R state. Results: Our results show that, despite T4 binding in the protein by similar interactions in all states, a good correlation between the degree of RCL insertion and the binding affinity, driven by a change in TBG conformational entropy, was observed. Conclusion: TBG allosteric regulation is entropy driven. The presence of multiple S states may allow more efficient T4 release due to protease activity. General significance: The presented results are clear examples of how computer simulation methods can reveal the thermodynamic basis of allosteric effects, and provide a general framework for understanding serpin allosteric affinity regulation.Fil: Petruk, Ariel Alcides. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biologicas; ArgentinaFil: Labanda, María Soledad. Universidad Nacional de Tucuman. Facultad de Bioquímica, Química y Farmacia. Instituto de Química Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Alvarez, Rosa Maria Susana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Tucuman. Instituto Superior de Investigaciones Biologicas; Argentina. Universidad Nacional de Tucuman. Facultad de Bioquímica, Química y Farmacia. Instituto de Química Física; ArgentinaFil: Marti, Marcelo Adrian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin