The alkaline transition of cytochrome c revisited: Effects of electrostatic interactions and tyrosine nitration on the reaction dynamics

Here we investigated the effect of electrostatic interactions and of protein tyrosine nitration of mammalian cytochrome c on the dynamics of the so-called alkaline transition, a pH- and redox-triggered conformational change that implies replacement of the axial ligand Met80 by a Lys residue. Using a combination of electrochemical, time-resolved SERR spectroelectrochemical experiments and molecular dynamics simulations we showed that in all cases the reaction can be described in terms of a two steps minimal reaction mechanism consisting of deprotonation of a triggering group followed by ligand exchange. The pK a alk values of the transition are strongly modulated by these perturbations, with a drastic downshift upon nitration and an important upshift upon establishing electrostatic interactions with a negatively charged model surface. The value of pK a alk is determined by the interplay between the acidity of a triggering group and the kinetic constants for the forward and backward ligand exchange processes. Nitration of Tyr74 results in a change of the triggering group from Lys73 in WT Cyt to Tyr74 in the nitrated protein, which dominates the pK a alk downshift towards physiological values. Electrostatic interactions, on the other hand, result in strong acceleration of the backward ligand exchange reaction, which dominates the pK a alk upshift. The different physicochemical conditions found here to influence pK a alk are expected to vary depending on cellular conditions and subcellular localization of the protein, thus determining the existence of alternative conformations of Cyt in vivo.Fil: Oviedo Rouco, Santiago. 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: Castro, Maria Ana. 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: Álvarez Paggi, Damián Jorge. 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: Spedalieri, Ana Cecilia. 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: Tortora, Verónica. Universidad de la República; UruguayFil: Tomasina, Florencia. Universidad de la República; UruguayFil: Radi, Rafael. Universidad de la República; UruguayFil: 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; Argentin

Electron transfer and conformational transitions of cytochrome c are modulated by the same dynamical features

Cytochrome c is a prototypical multifunctional protein that is implicated in a variety of processes that are essential both for sustaining and for terminating cellular life. Typically, alternative functions other than canonical electron transport in the respiratory chain are associated to alternative conformations. In this work we apply a combined experimental and computational study of Cyt c variants to assess whether the parameters that regulate the canonical electron transport function of Cyt c are correlated with those that determine the transition to alternative conformations, using the alkaline transition as a model conformational change. The results show that pKa values of the alkaline transition correlate with the activation energies of the frictionally-controlled electron transfer reaction, and that both parameters are mainly modulated by the flexibility of the Ω-loop 70–85. Reduction potentials and non-adiabatic ET reorganization energies, on the other hand, are both modulated by the flexibilities of the Ω-loops 40–57 and 70–85. Finally, all the measured thermodynamic and kinetic parameters that characterize both types of processes exhibit systematic variations with the dynamics of the hydrogen bond between the axial ligand Met80 and the second sphere ligand Tyr67, thus highlighting the critical role of Tyr67 in controlling canonical and alternative functions of Cyt c.Fil: Oviedo Rouco, Santiago. 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: Perez Bertoldi, Juan Manuel. 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: Spedalieri, Ana Cecilia. 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: Castro, Maria Ana. 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: Tomasina, Florencia. Universidad de la República; UruguayFil: Tortora, Verónica. Universidad de la República; UruguayFil: Radi, Rafael. Universidad de la República; UruguayFil: 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; Argentin

Active site structure and peroxidase activity of oxidatively modified cytochrome c species in complexes with cardiolipin

We report a resonance Raman and UV-vis characterization of the active site structure of oxidatively modified forms of cytochrome c (Cyt-c) free in solution and in complexes with cardiolipin (CL). The studied post-translational modifications of Cyt-c include methionine sulfoxidation and tyrosine nitration, which lead to altered heme axial ligation and increased peroxidase activity with respect to those of the wild-type protein. In spite of the structural and activity differences between the protein variants free in solution, binding to CL liposomes induces in all cases the formation of a spectroscopically identical bis-His axial coordination conformer that more efficiently promotes lipid peroxidation. The spectroscopic results indicate that the bis-His form is in equilibrium with small amounts of high-spin species, thus suggesting a labile distal His ligand as the basis for the CL-induced increase in enzymatic activity observed for all protein variants. For Cyt-c nitrated at Tyr74 and sulfoxidized at Met80, the measured apparent binding affinities for CL are ∼4 times larger than for wild-type Cyt-c. On the basis of these results, we propose that these post-translational modifications may amplify the pro-apoptotic signal of Cyt-c under oxidative stress conditions at CL concentrations lower than for the unmodified protein.Fil: Capdevila, Daiana Andrea. 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: Oviedo Rouco, Santiago. 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: Tomasina, Florencia. Universidad de la República; UruguayFil: Tortora, Verónica. Universidad de la República; UruguayFil: Demicheli, Verónica. Universidad de la República; UruguayFil: Radi, Rafael. Universidad de la República; UruguayFil: 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; Argentin

Electrostatically Driven Second-Sphere Ligand Switch between High and Low Reorganization Energy Forms of Native Cytochrome c

We have employed a combination of protein film voltammetry, time-resolved vibrational spectroelectrochemistry and molecular dynamics simulations to evaluate the electron-transfer reorganization free energy (λ) of cytochrome c (Cyt) in electrostatic complexes that mimic some basic features of protein–protein and protein–lipid interactions. The results reveal the existence of two native-like conformations of Cyt that present significantly different λ values. Conversion from the high to the low λ forms is triggered by electrostatic interactions, and involves the rupture of a weak H-bond between first- (M80) and second-sphere (Y67) ligands of the heme iron, as a distinctive feature of the conformational switch. The two flexible Ω loops operate as transducers of the electrostatic signal. This fine-tuning effect is abolished in the Y67F Cyt mutant, which presents a λ value similar to the WT protein in electrostatic complexes. We propose that interactions of Cyt with the natural redox partner proteins activate a similar mechanism to minimize the reorganization energy of interprotein electron transfer.Fil: Álvarez Paggi, Damián Jorge. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Industrias; Argentina;Fil: Castro, Maria Ana. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Industrias; Argentina;Fil: Tortora, Verónica. Universidad de la República. Departamento de Bioquímica and Center for Free Radical and Biomedical Research; Uruguay;Fil: Castro, Laura. Universidad de la República. Departamento de Bioquímica and Center for Free Radical and Biomedical Research; Uruguay;Fil: Radi, Rafael. Universidad de la República. Departamento de Bioquímica and Center for Free Radical and Biomedical Research; Uruguay;Fil: Murgida, Daniel Horacio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Industrias; Argentina

Topography of tyrosine residues and their involvement in peroxidation of polyunsaturated cardiolipin in cytochrome c/cardiolipin peroxidase complexes

AbstractFormation of cytochrome c (cyt c)/cardiolipin (CL) peroxidase complex selective toward peroxidation of polyunsaturated CLs is a pre-requisite for mitochondrial membrane permeabilization. Tyrosine residues – via the generation of tyrosyl radicals (Tyr) – are likely reactive intermediates of the peroxidase cycle leading to CL peroxidation. We used mutants of horse heart cyt c in which each of the four Tyr residues was substituted for Phe and assessed their contribution to the peroxidase catalysis. Tyr67Phe mutation was associated with a partial loss of the oxygenase function of the cyt c/CL complex and the lowest concentration of H2O2-induced Tyr radicals in electron paramagnetic resonance (EPR) spectra. Our MS experiments directly demonstrated decreased production of CL-hydroperoxides (CL-OOH) by Tyr67Phe mutant. Similarly, oxidation of a phenolic substrate, Amplex Red, was affected to a greater extent in Tyr67Phe than in three other mutants. Tyr67Phe mutant exerted high resistance to H2O2-induced oligomerization. Measurements of Tyr fluorescence, hetero-nuclear magnetic resonance (NMR) and computer simulations position Tyr67 in close proximity to the porphyrin ring heme iron and one of the two axial heme-iron ligand residues, Met80. Thus, the highly conserved Tyr67 is a likely electron-donor (radical acceptor) in the oxygenase half-reaction of the cyt c/CL peroxidase complex