Отщепление кислорода от оксимиоглобина (MbO2) кашалота, как мы ранее показали, происходит только при взаимодействии его с митохондриями (МХ) и полностью определяется интенсивностью их дыхания. Аналогично протекает дезоксигенация и других оксиглобинов из разных организмов, поэтому можно предполагать сходный механизм их взаимодействия с фосфолипидными МХ мембранами. В работе проанализирована роль электростатических взаимодействий в стабилизации нативной конформации гемовой полости в структурах девяти Mb-подобных глобинов: мономерных миоглобинов (кашалота, лошади, моллюска Aplysia limacina) и гемоглобинов (комара Сhironomus thummi thummi, плодовой мушки Drosophila melanogaster, моллюска Lucina pectinata и леггемоглобина сои), а также димерных гемоглобинов (моллюска Lucina pectinata и личинок овода Gasterophilus intestinalis). Имея гомологичные 3D-структуры и проксимальный His в качестве пятого лиганда гема, эти глобины различаются дистальной частью гемовой полости и сродством к кислороду (в ~ 100 раз). Показано, что нативная структура гемовой полости поддерживается сетью водородных и ионных связей с участием проксимального His, дистального остатка белка, обоих A- и D-пропионатов гема и соседних Arg и Lys белка. С проксимальной стороны гема эта сеть контролирует положение атома Fe вне- или в плоскости протопорфирина, влияющее на сродство к лиганду, а в дистальной части – позицию дистального His, Gln или Arg, в которой тот способен образовать H-связь с лигандом кислородом, препятствуя его быстрой диссоциации. При связывании с митохондриями найденные сети ионных и H-связей должны нарушаться под влиянием отрицательного поля митохондриальной мембраны и контактов головок фосфолипидов, конкурирующих с A- и D-пропионатами за связывание с экспонированными в сторону мембраны Arg и Lys белка. Это приводит к уменьшению сродства глобина к кислороду, облегчая его отщепление при значениях pО2 ~15 mmHg в условиях гипоксии.

The detachment of O2 from sperm whale MbO2, as we showed earlier, occurs only when it interacts with mitochondria (MCh) and is completely determined by the intensity of their respiration. Since deoxygenation of other oxyglobins from different organisms proceeds similary, one can assume a similar mechanism of their interaction with phospholipid membranes of MCh. In this work, it was analyzed the role of electrostatic interactions in stabilization of the native conformation of the heme cavity in nine Mb-like globins: monomeric myoglobins (sperm whale, horse, gastropod mollusk Aplysia limacina) and hemoglobins (chironomid larvae Chironomus thummi thummi, fruit fly Drosophila melanogaster, bivalve mollusk Lucina pectinata and soybean leghemoglobin), as well as dimeric hemoglobins (Lucina pectinata and botfly Gasterophilus intestinalis). Having homologous 3D-structures and the proximal His as the fifth heme ligand, these globins differ in the distal part of the heme cavity and in their affinity for oxygen (in ~100 times). It has been shown that the structure of the heme cavity is maintained by a network of hydrogen and ionic bonds, involving the proximal His, the distal protein residue, both A- and D- heme propionates, and neighboring to them Arg and Lys residues. On the proximal side of the heme, this network controls the position of the Fe atom outside or in the protoporphyrin plane, which affects the affinity for the ligand, and in the distal part – the position of the distal protein residue (His, Gln or Arg), in which it is able to form the H-bond with the oxygen ligand, preventing its fast dissociation. When binding to MCh, the found network of ionic and H-bonds should be disturbed due to influence of the negative field of MCh membrane and contacts of phospholipid heads, competing with the A- and D-heme propionates for binding to the membrane-exposed Arg and Lys of the protein. This leads to a decreasing the globin affinity for O2, facilitating its elimination at pO2 values of ~15 mmHg under hypoxic conditions in the cell.