The globular dioxygen binding heme protein myoglobin (Mb) is present in several species. Its interactions with the simple nitrogen oxides, namely, nitric oxide (NO) and nitrite, have been known for decades, but the physiological relevance has only recently become more fully appreciated. We previously reported the O-nitrito mode of binding of nitrite to ferric horse heart wild-type (wt) MbIII and human hemoglobin. We have expanded on this work and report the interactions of nitrite with wt sperm whale (sw) MbIII and its H64A, H64Q, and V68A/I107Y mutants whose dissociation constants increase in the following order: H64Q < wt < V68A/I107Y < H64A. We also report their X-ray crystal structures that reveal the O-nitrito mode of binding of nitrite to these derivatives. The MbII-mediated reductions of nitrite to NO and structural data for the wt and mutant MbII-NOs are described. We show that their FeNO orientations vary with distal pocket identity, with the FeNO moieties pointing toward the hydrophobic interiors when the His64 residue is present but toward the hydrophilic exterior when this His64 residue is absent in this set of mutants. This correlates with the nature of H-bonding to the bound NO ligand (nitrosyl O vs N atom). Quantum mechanics and hybrid quantum mechanics and molecular mechanics calculations help elucidate the origin of the experimentally preferred NO orientations. In a few cases, the calculations reproduce the experimentally observed orientations only when the whole protein is taken into consideration.

中文翻译：

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亚硝基肌球蛋白及其亚硝酸盐前体：肌红蛋白远端囊中优选的Fe -NO配体取向的晶体结构和量子力学以及分子力学理论研究。

球形双氧结合血红素蛋白肌红蛋白（Mb）存在于几种物种中。它与简单的一氧化氮（一氧化氮（NO）和亚硝酸盐）的相互作用已为人所知，但其生理相关性直到最近才变得更加充分。我们以前曾报道过亚硝酸盐与铁心野生型（wt）MbIII和人类血红蛋白结合的O-硝化模式。我们已经扩展了这项工作，并报告了亚硝酸盐与wt抹香鲸MbIII及其H64A，H64Q和V68A / I107Y突变体的相互作用，这些突变体的解离常数按以下顺序增加：H64Q <wt <V <V68A / I107Y <H64A。我们还报告了他们的X射线晶体结构，揭示了亚硝酸盐与这些衍生物结合的O-nitrito模式。描述了由MbII介导的亚硝酸盐还原为NO以及wt和突变MbII-NOs的结构数据。我们显示，它们的FeNO方向随远侧口袋身份的不同而变化，当存在His64残基时，FeNO部分指向疏水内部，而在这组突变体中不存在时，则指向亲水外部。这与与结合的NO配体（亚硝酰基O对N原子）进行H键键合的性质有关。量子力学以及混合量子力学和分子力学计算有助于阐明实验上优选的NO取向的起源。在少数情况下，仅当考虑到整个蛋白质时，这些计算才能重现实验观察到的方向。我们显示，它们的FeNO方向随远侧口袋身份的不同而变化，当存在His64残基时，FeNO部分指向疏水内部，而在这组突变体中不存在时，则指向亲水外部。这与与结合的NO配体（亚硝酰基O对N原子）进行H键键合的性质有关。量子力学以及混合量子力学和分子力学计算有助于阐明实验上优选的NO取向的起源。在少数情况下，仅当考虑到整个蛋白质时，这些计算才能重现实验观察到的方向。我们显示，它们的FeNO方向随远侧口袋身份的不同而变化，当存在His64残基时，FeNO部分指向疏水内部，而当这组突变体中不存在此His64残基时，则指向亲水外部。这与与结合的NO配体（亚硝酰基O对N原子）进行H键键合的性质有关。量子力学以及混合量子力学和分子力学计算有助于阐明实验上优选的NO取向的起源。在少数情况下，仅当考虑到整个蛋白质时，这些计算才能重现实验观察到的方向。当存在His64残基时，FeNO部分指向疏水内部，而当这组突变体中不存在此His64残基时，则指向亲水外部。这与与结合的NO配体（亚硝酰基O对N原子）进行H键键合的性质有关。量子力学以及混合量子力学和分子力学计算有助于阐明实验上优选的NO取向的起源。在少数情况下，仅当考虑到整个蛋白质时，这些计算才能重现实验观察到的方向。当存在His64残基时，FeNO部分指向疏水内部，而当这组突变体中不存在此His64残基时，则指向亲水外部。这与与结合的NO配体（亚硝酰基O对N原子）进行H键键合的性质有关。量子力学，混合量子力学和分子力学计算有助于阐明实验上优选的NO取向的起源。在少数情况下，仅当考虑到整个蛋白质时，这些计算才能重现实验观察到的方向。