Influence of the zinc ion on the chemical reactivity of myoglobin

Estudo da reatividade de heme-proteínas é de relevância para processos redox no sistema biológico e na digestão de alimentos. A mioglobina (Mb) é a ferro-heme proteína majoritária do músculo esquelético de mamíferos e tem como principal função biológica suprir a demanda mitocondrial de oxigênio no musculo. Na carne a Mb é o principal pigmento responsável pela coloração do produto, porém durante sua digestão, pode ser ativada por peróxidos à espécies hipervalentes que promovem estresse oxidativo no trato digestivo. O íon zinco (ZnII) se apresenta como um componente estrutural e/ou funcional de várias metaloenzimas e metaloproteínas, participando de muitas reações do metabolismo celular e de processos fisiológicos. Desta forma, a estrutura e a reatividade da Mb foi investigada frente a íons de zincoII. Os dados de espectroscopia de absorção eletrônica sugere uma alteração conformacional da proteína consequentemente uma distorção do anel porfirínico. A intensidade de emissão de fluorescência intrínseca do triptofano (Trp) é aumentada com o aumento da concentração de íons zincoII. O máximo de emissão não é deslocada no espectro de fluorescência, indicando, desta forma, que o ambiente químico do Trp permanece hidrofóbico. De acordo com dados obtidos por Dicroismo Circular (CD), observa-se um aumento do valor absoluto do sinal de elipticidade molar sugerindo mudanças conformacionais significativas ao longo do tempo. A deconvolução dos espectros de CD revela um decréscimo da estrutura secundária do tipo α-hélice e aumento da estrutura secundária de folha-β com estrutura randômica. Através dos dados de titulação isotérmica microcalorimétrica (ITC) para a interação entre a Mb e os íons de zincoII foram determinados os parâmetros entálpicos (ΔH = - 21,0 ± 0,5 kcal mol-1), entrópicos (ΔS = - 49,9 ± 0,3 kcal mol-1) e a variação de energia livre de Gibbs (ΔG = - 6,18 ± 0,5 kcal mol-1) a 298 K. Também foi possível determinar a constante de constante de equilíbrio a 298 K (KA = (3,22 ± 0,2) x 104 L mol-1) com estequiometria = 1 : 1. A redução da espécie ferrilmioglobina (MbFeIV=O) pela cisteína produz a metamioglobina (MbFeIII) e sulfomioglobina (SulfMbFeII), na ausência e presença de íons de zincoII,a constante de velocidade de segunda ordem para a formação da espécie SulfMbFeII a 298 K foi de k2 = 1,39 ± 0,16 L mol-1 s-1 e k\'2 ≈ 3,25 ± 0,18 L mol-1 s-1 respectivamente. Os estudos de espectroscopia de absorção de transientes mostraram que a Mb apresenta uma afinidade maior pelo ligante (O2 e CO) com íons de zincoII no meio reacional. A espécie perferrilMb foi gerada através da irradiação (355 nm) da espécie ferrilMb. O estudo da Zn-perferrilMb frente ao redutor CO, indica a formação da espécie CO2 resultando em uma redução via 2 elétrons formando a espécie metamioglobina.Study of the reactivity of heme-proteins is relevant for the redox processes in the biological system and in the digestion of food. Myoglobin (Mb) is the major iron-heme protein of mammalian skeletal muscle and has as main biological function to supply the mitochondrial demand of oxygen in the muscle. In meat the Mb is the main pigment responsible for the color of the product, however during its digestion it can be activated by peroxides to hypervalent species that promote oxidative stress in the digestive tract. The zinc ion (ZnII) presents as a structural and / or functional component of several metalloenzymes and metalloproteins, participating in many reactions of cellular metabolism and physiological processes. Thus, the structure and reactivity of Mb was investigated compared to zinc ions. Absorption spectroscopy data suggests a conformational change of the protein consequently, a distortion of the porphyrin ring. An intrinsic fluorescence emission intensity of tryptophan (Trp) is increased with increasing concentration of zincII ions. The emission is not shifted in the fluorescence spectrum, indicating, in this way, the chemical environment of the Trp will remain hydrophobic. According to the Circular Dichroism (CD) data, there is an increase in the absolute value of the ellipticity signal, suggesting conformational changes over time. The deconvolution of the CD spectra reveals a decrease of the α-helical secondary structure and increase of the β-sheet structure with random structure. Through the microcalorimetric isothermal titration (ITC) data was determined the interaction between Mb and the zinc ions, the enthalpy parameters (ΔH = - 21.0 ± 0.5 kcal mol-1), entropic parameters (ΔS = - 49, 9 ± 0.3 kcal mol-1) and a Gibbs free energy variation (ΔG = -6.18 ± 0.5 kcal mol-1) at 298 K. It was also possible to determine the equilibrium constant at 298 K (KA = (3.22 ± 0.2) x 104 L mol-1) with stoichiometry = 1: 1. The reduction of the ferrilmioglobin (MbFeIV = O) by cysteine produces metamioglobin (MbFeIII) and sulfomioglobin (SulfMbFeII), in the absence and presence of zinc ions II, the second order rate constant for the formation of the SulfMbFeII species at 298 K was 1.39 ± 0.16 L mol-1 s-1 and k\'2 ≈ 3.25 ± 0.18 L mol-1 s-1 respectively. Transient absorption spectroscopy studies showed that Mb has a higher affinity for the ligand (O2 and CO) with zincin II ions in the reaction medium. The perferrilMb species was generated by the irradiation (355 nm) of the ferrilMb species. The study of Zn-perferrilMb versus the CO indicates the formation of the CO2 resulting in a reduction by 2 electrons forming the metamioglobin species