zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1289Research ArticleМОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯMOLECULAR SPECTROSCOPYИсследование методами молекулярной динамики и лазерной кинетической спектроскопии миграции молекулы кислорода в изолированной β-цепи гемоглобина человекаMolecular Oxygen Migration in the Isolated β Chains of Human Hemoglobin as Revealed by Molecular Dynamics Simulations and Laser Kinetic SpectroscopyЛепешкевичС. В.LepeshkevichS. V.

Минск

Minsk

s.lepeshkevich@ifanbel.bas-net.byПархоцМ. В.ParkhatsM. V.

Минск

Minsk

БизюкС. А.BiziukS. A.

Минск

Minsk

ЛемезаА. М.LemezaA. M.

Минск

Minsk

ГилевичС. Н.GilevichS. N.

Минск

Minsk

ДжагаровБ. М.DzhagarovB. M.

Минск

Minsk

Институт физики НАН БеларусиB.I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут биоорганической химии НАН БеларусиInstitute of Bioorganic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus202330052023903361369Copyright © Лепешкевич С.В., Пархоц М.В., Бизюк С.А., Лемеза А.М., Гилевич С.Н., Джагаров Б.М., 20232023Лепешкевич С.В., Пархоц М.В., Бизюк С.А., Лемеза А.М., Гилевич С.Н., Джагаров Б.М.Lepeshkevich S.V., Parkhats M.V., Biziuk S.A., Lemeza A.M., Gilevich S.N., Dzhagarov B.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1289

Методами молекулярной динамики и лазерной кинетической абсорбционной спектроскопии исследован процесс миграции молекулы кислорода (О2) в изолированных β-цепях гемоглобина человека. Показано, что встраивание атомов ксенона (Xe) в изолированные β-цепи приводит к уменьшению характеристического времени наиболее медленной компоненты геминальной рекомбинации О2 с белком. Такое изменение обусловлено уменьшением внутрибелкового пространства, доступного для миграции молекулы O2 после встраивания инертного газа в Xe-связывающие области белка. Методом молекулярной динамики показано, что за время протекания геминальной рекомбинации в изолированных β-цепях молекула O2 посещает как Xe2-, так и Xe1-сайт белка. Определены аминокислоты, участвующие в формировании первичного и вторичных сайтов белка. Полученные результаты важны для понимания механизма связывания молекулы О2 как нативным тетрамером гемоглобина человека, так и искусственными переносчиками кислорода на основе гембелков.

Molecular dynamics simulations and laser kinetic absorption spectroscopy have been used to study the molecular oxygen (O2) migration in the isolated β chains of human hemoglobin. The insertion of xenon (Xe) atoms into the isolated chains has been found to decrease the time constant of the slowest component of the geminate O2 rebinding to the protein. This change is caused by a decrease in an intra-protein space available for the O2 migration after the insertion of the inert gas into the Xe-binding sites of the protein. The molecular dynamics simulations have revealed that during the course of the geminate recombination to the isolated β-chains, the O2 molecule visits both Xe2 and Xe1 site of the protein. The amino acids involved in the formation of the primary and secondary docking sites of the protein have been determined. The obtained results are important for understanding the mechanism of O2 binding by both native tetrameric human hemoglobin and artificial oxygen carriers based on heme proteins.

гемоглобинмолекулярный кислородксенонповторное связываниемолекулярная динамикаhemoglobinmolecular oxygenxenonrebindingmolecular dynamicsРабота выполнена при финансовой поддержке Союзного государства России и Беларуси в рамках программы “СКИФ-ГРИД”, ГПНИ Республики Беларусь “Фотоника и электроника для инноваций” (2021—2025 гг.) (задание № 1.8) и Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проекты № Ф11-158, Ф13-016). Моделирование методом молекулярной динамики выполнено на суперкомпьютерной установке “СКИФ” (Беларусь).ReferencesE. Antonini, M. Brunori. Hemoglobin and Myoglobin in their Reactions with Ligands, North-Holland Publication Company, Amsterdam, London (1971)E. Antonini, M. Brunori. Hemoglobin and Myoglobin in their Reactions with Ligands, North-Holland Publication Company, Amsterdam, London (1971)M. F. Perutz. Nature, 228 (1970) 726—739M. F. Perutz. Nature, 228 (1970) 726—739Q. H. Gibson. Biochem. J., 71 (1959) 293—303Q. H. Gibson. Biochem. J., 71 (1959) 293—303J. S. Philo, J. W. Lary. J. Biol. Chem., 265 (1990) 139—143J. S. Philo, J. W. Lary. J. Biol. Chem., 265 (1990) 139—143I. Birukou, R. L. Schweers, J. S. Olson. J. Biol. Chem., 285 (2010) 8840—8854I. Birukou, R. L. Schweers, J. S. Olson. J. Biol. Chem., 285 (2010) 8840—8854С. В. Лепешкевич, Н. В. Коновалова, Б. М. Джагаров. Биохимия, 68, № 5 (2003) 676—685S. V. Lepeshkevich, N. V. Konovalova, B. M. Dzhagarov. Biochem. Mos., 68, N 5 (2003) 551—558B. M. Dzhagarov, S. V. Lepeshkevich. Chem. Phys. Lett., 390, N 1-3 (2004) 59—64B. M. Dzhagarov, S. V. Lepeshkevich. Chem. Phys. Lett., 390, N 1-3 (2004) 59—64S. V. Lepeshkevich, N. V. Konovalova, I. I. Stepuro, B. M. Dzhagarov. J. Mol. Struct., 735-736 (2005) 307—313S. V. Lepeshkevich, N. V. Konovalova, I. I. Stepuro, B. M. Dzhagarov. J. Mol. Struct., 735-736 (2005) 307—313S. V. Lepeshkevich, B. M. Dzhagarov. FEBS J., 272, N 23 (2005) 6109—6119S. V. Lepeshkevich, B. M. Dzhagarov. FEBS J., 272, N 23 (2005) 6109—6119D. A. Duddell, R. J. Morris, N. J. Muttucumaru, J. T. Richards. Photochem. Photobiol., 31 (1980) 479—484D. A. Duddell, R. J. Morris, N. J. Muttucumaru, J. T. Richards. Photochem. Photobiol., 31 (1980) 479—484R. J. Morris, Q. H. Gibson, M. Ikeda-Saito, T. Yonetani. J. Biol. Chem., 259 (1984) 6701—6703R. J. Morris, Q. H. Gibson, M. Ikeda-Saito, T. Yonetani. J. Biol. Chem., 259 (1984) 6701—6703D. A. Chernoff, R. M. Hochstrasser, A. W. Steele. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 77 (1980) 5606—5610D. A. Chernoff, R. M. Hochstrasser, A. W. Steele. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 77 (1980) 5606—5610B. M. Dzhagarov, V. A. Galievsky, N. N. Kruk, M. D. Yakutovich. Dokl. Akad. Nauk, 366 (1999) 38—41B. M. Dzhagarov, V. A. Galievsky, N. N. Kruk, M. D. Yakutovich. Dokl. Akad. Nauk, 366 (1999) 38—41S. V. Lepeshkevich, J. Karpiuk, I. V. Sazanovich, B. M. Dzhagarov. Biochemistry, 43, N 6 (2004) 1675—1684S. V. Lepeshkevich, J. Karpiuk, I. V. Sazanovich, B. M. Dzhagarov. Biochemistry, 43, N 6 (2004) 1675—1684Q. H. Gibson. Biochemistry, 38, N 16 (1999) 5191—5199Q. H. Gibson. Biochemistry, 38, N 16 (1999) 5191—5199W. A. Eaton, L. K. Hanson, P. J. Stephens, J. C. Sutherland, J. B. R. Dunn. J. Am. Chem. Soc., 100, N 16 (1978) 4991—5003W. A. Eaton, L. K. Hanson, P. J. Stephens, J. C. Sutherland, J. B. R. Dunn. J. Am. Chem. Soc., 100, N 16 (1978) 4991—5003B. I. Greene, R. M. Hochstrasser, R. B. Weisman, W. A. Eaton. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 75, N 11 (1978) 5255—5259B. I. Greene, R. M. Hochstrasser, R. B. Weisman, W. A. Eaton. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 75, N 11 (1978) 5255—5259S. V. Lepeshkevich, I. V. Sazanovich, M. V. Parkhats, S. N. Gilevich, B. M. Dzhagarov. Chem. Sci., 12, N 20 (2021) 7033—7047S. V. Lepeshkevich, I. V. Sazanovich, M. V. Parkhats, S. N. Gilevich, B. M. Dzhagarov. Chem. Sci., 12, N 20 (2021) 7033—7047A. Pesce, M. Nardini, S. Dewilde, L. Capece, M. A. Marti', S. Congia, M. D. Salter, G. C. Blouin, D. A. Estrin, P. Ascenzi, L. Moens, M. Bolognesi, J. S. Olson. J. Biol. Chem., 286 (2011) 5347—5358A. Pesce, M. Nardini, S. Dewilde, L. Capece, M. A. Marti', S. Congia, M. D. Salter, G. C. Blouin, D. A. Estrin, P. Ascenzi, L. Moens, M. Bolognesi, J. S. Olson. J. Biol. Chem., 286 (2011) 5347—5358B. A. Springer, S. G. Sligar, J. S. Olson, G. N. Phillips Jr. Chem. Rev., 94 (1994) 699—714B. A. Springer, S. G. Sligar, J. S. Olson, G. N. Phillips Jr. Chem. Rev., 94 (1994) 699—714J. M. Friedman. Science, 228 (1985) 1273—1280J. M. Friedman. Science, 228 (1985) 1273—1280C. Savino, A. E. Miele, F. Draghi, K. A. Johnson, G. Sciara, M. Brunori, B. Vallone. Biopolymers, 91, N 12 (2009) 1097—1107C. Savino, A. E. Miele, F. Draghi, K. A. Johnson, G. Sciara, M. Brunori, B. Vallone. Biopolymers, 91, N 12 (2009) 1097—1107S. V. Lepeshkevich, S. A. Biziuk, A. M. Lemeza, B. M. Dzhagarov. Biochim. Biophys. Acta, 1814, N 10 (2011) 1279—1288S. V. Lepeshkevich, S. A. Biziuk, A. M. Lemeza, B. M. Dzhagarov. Biochim. Biophys. Acta, 1814, N 10 (2011) 1279—1288M. F. Lucas, V. Guallar. Biophys. J., 102 (2012) 887—896M. F. Lucas, V. Guallar. Biophys. J., 102 (2012) 887—896M. S. Shadrina, G. H. Peslherbe, A. M. English. Biochemistry, 54 (2015) 5268—5278M. S. Shadrina, G. H. Peslherbe, A. M. English. Biochemistry, 54 (2015) 5268—5278M. S. Shadrina, A. M. English, G. H. Peslherbe. J. Am. Chem. Soc., 134 (2012) 11177—11184M. S. Shadrina, A. M. English, G. H. Peslherbe. J. Am. Chem. Soc., 134 (2012) 11177—11184M. Takayanagi, I. Kurisaki, M. Nagaoka. J. Phys. Chem. B, 117 (2013) 6082—6091M. Takayanagi, I. Kurisaki, M. Nagaoka. J. Phys. Chem. B, 117 (2013) 6082—6091S. V. Lepeshkevich, S. N. Gilevich, M. V. Parkhats, B. M. Dzhagarov. Biochim. Biophys. Acta, 1864, N 9 (2016) 1110—1121S. V. Lepeshkevich, S. N. Gilevich, M. V. Parkhats, B. M. Dzhagarov. Biochim. Biophys. Acta, 1864, N 9 (2016) 1110—1121E. Bucci, C. Fronticelli. J. Biol. Chem., 240 (1965) 551—552E. Bucci, C. Fronticelli. J. Biol. Chem., 240 (1965) 551—552R. C. Neuman Jr., W. Kauzmann, A. Zipp. J. Phys. Chem., 77 (1973) 2687—2691R. C. Neuman Jr., W. Kauzmann, A. Zipp. J. Phys. Chem., 77 (1973) 2687—2691S. V. Lepeshkevich, B. M. Dzhagarov. Biochim. Biophys. Acta, 1794 (2009) 103—109S. V. Lepeshkevich, B. M. Dzhagarov. Biochim. Biophys. Acta, 1794 (2009) 103—109S. V. Lepeshkevich, M. V. Parkhats, A. S. Stasheuski, V. V. Britikov, E. S. Jarnikova, S. A. Usanov, B. M. Dzhagarov. J. Phys. Chem. A, 118, N 10 (2014) 1864—1878S. V. Lepeshkevich, M. V. Parkhats, A. S. Stasheuski, V. V. Britikov, E. S. Jarnikova, S. A. Usanov, B. M. Dzhagarov. J. Phys. Chem. A, 118, N 10 (2014) 1864—1878С. В. Лепешкевич, А. Л. Позняк, Б. М. Джагаров. Журн. прикл. спектр., 72, № 5 (2005) 670—677S. V. Lepeshkevich, A. L. Poznyak, B. M. Dzhagarov. J. Appl. Spectr., 72, N 5 (2005) 735—743S. V. Lepeshkevich, M. V. Parkhats, I. I. Stepuro, B. M. Dzhagarov. Biochim. Biophys. Acta, 1794, N 12 (2009) 1823—1830S. V. Lepeshkevich, M. V. Parkhats, I. I. Stepuro, B. M. Dzhagarov. Biochim. Biophys. Acta, 1794, N 12 (2009) 1823—1830H. J. C. Berendsen, D. Van der Spoel, R. Van Drunen. Comp. Phys. Commun., 91 (1995) 43—56H. J. C. Berendsen, D. Van der Spoel, R. Van Drunen. Comp. Phys. Commun., 91 (1995) 43—56D. Van der Spoel, E. Lindahl, B. Hess, G. Groenhof, A. E. Mark, H. J. C. Berendsen. J. Comp. Chem., 26 (2005) 1701—1719D. Van der Spoel, E. Lindahl, B. Hess, G. Groenhof, A. E. Mark, H. J. C. Berendsen. J. Comp. Chem., 26 (2005) 1701—1719E. Lindahl, B. Hess, D. Van der Spoel. J. Mol. Mod., 7 (2001) 306—317E. Lindahl, B. Hess, D. Van der Spoel. J. Mol. Mod., 7 (2001) 306—317W. Humphrey, A. Dalke, K. Schulten. J. Mol. Graphics, 14 (1996) 33—38W. Humphrey, A. Dalke, K. Schulten. J. Mol. Graphics, 14 (1996) 33—38Y. Cheng, T.-J. Shen, V. Simplaceanu, C. Ho. Biochemistry, 41 (2002) 11901—11913Y. Cheng, T.-J. Shen, V. Simplaceanu, C. Ho. Biochemistry, 41 (2002) 11901—11913I. Birukou, J. Soman, J. S. Olson. J. Biol. Chem., 286 (2011) 10515—10529I. Birukou, J. Soman, J. S. Olson. J. Biol. Chem., 286 (2011) 10515—10529

The authors declare that there are no conflicts of interest present.