International Conference on the Applications of the Mössbauer Effect / Conférence Internationale sur les Applications de l'Effet Mössbauer

J. Phys. Colloques 37 (1976) C6-209-C6-215
DOI: 10.1051/jphyscol:1976644

MODEL Fe(III) PORPHYRIN SYSTEMS : AXIAL LIGATION IN OXIDIZED CYTOCHROME P-450.S

G. C. PAPAEFTHYMIOU¹, R. B. FRANKEL¹, S. FONER¹, S. C. TANG^{2, 3}, S. KOCH^{2, 4} and R. H. HOLM<sup>5

1</sup>  Francis Bitter National Magnet Laboratory (†) Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, U. S. A.
²  Department of Chemistry, Massachusetts Institute of Technology Cambridge, Massachusetts 02139, U. S. A.
³  Shell Development Company Bel Aire Laboratory Houston, Texas, U. S. A.
⁴  Department of Chemistry, Texas A M College Station, Texas, U. S. A.
⁵  Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, California 94305, U. S. A.

Résumé
Nous avons préparé et étudié par la spectroscopie Mössbauer les composés modèles synthétiques de coordination axiale d'oxygène (Fe(PPIXDME) (OEt) et Fe(PPIXDME) (OC₆H₄NO₂)) et de soufre (Fe(PPIXDME) (SC₆H₄NO₂) et Fe(OEP) (SPh)) pour développer des critères expérimentaux utiles à distinguer entre les possibilités des ligatures axiales viables de O, N et S dans le cytochrome P-450.S (à l'état ferrique, spin-fort). Nous avons fait usage d'hémoglobine et myoglobine ferriques comme composés modèles avec N - à la coordination axiale. Les déplacements isomériques (δ) et les éclatements quadrupolaires (ΔE_Q) observés sont typiques des porphyrines ferriques de spin-fort et comparables aux résultats pour cytochrome P-450.S oxydé. Cependant, ces paramètres ne présentent pas une dépendance caractéristique de la nature de la ligature axiale et ne peuvent pas être utilisés pour l'identification de la ligature axiale dans l'enzyme. Nous avons donc obtenu des spectres Mössbauer à la présence des champs magnétiques (H₀ ≤ 120 kOe) et mesures de magnétisation (H₀ ≤ 60 kOe) et nous les avons analysés supposant un hamiltonien de spin de la forme H_e= D[S_z² - 1/3 S(S + 1)] + E(S_x ² - S_y²) + 2 β H. S pour évaluer les paramètres de champ crystallin, D et E, et le champ magnétique hyperfin saturé, H_hf⁰ dans la série des complexes de PPIXDME. - H_hf⁰ ≥ 500 kOe pour hémoglobine ferrique et des porphyrines de coordination axiale d'oxygène qui est considérablement plus grand que la valeur de - 450 kOe observée pour le cytochrome P-450.S oxydé. Seulement la valeur de H_hf⁰ pour le complexe de soufre Fe(PPIXDME) (SC₆H₄NO₂), H_hf⁰ = - 467 ± l0 kOe, s'approche-t-elle de la valeur de H_hf⁰ obtenue pour l'enzyme. Aussi, les mesures de RPE et de magnétisation indiquent que les composés avec O- et N- comme ligatures axiales ont des symmétries axiale ou presque axiale pendant que Fe(PPIXDME) (SC₆H₄NO₂) et Fe(OEP) (SPh) devient de symmétrie axiale, E/D ≈ 0,05, qui compare plus favorablement à l'inhabituellement grand degré de symmétrie rhombique, E/D ≈ 0,087, observé pour le cytochrome P-450. S oxydé. Ces observations supportent la désignation de S comme la ligature axiale de cytochrome P-450.S oxydé.

Abstract
In an effort to develop useful expérimental criteria to distinguish among the viable axial ligation possibilities of O, N, and S coordination in oxidized cytochrome P-450. S (substrate-bound, high-spin), syntheticmodel compounds with O-(Fe(PPIXDME) (OEt) and Fe(PPIXDME) (OC₆H₄NO₂)) and S-(Fe(PPIXDME) (S₆H₄NO₂) and Fe(OEP) (SPh)) donor axial ligands were prepared and studied by Mössbauer spectroscopy. Ferric hemoglobin and myoglobin were used as model compounds with N-axial coordination. The isomer shifts (δ) and quadrupole splittings (ΔE_Q) observed are typical of high-spin Fe(III) porphyrins and are comparable with results for ox-P-450.S. However, these parameters do not exhibit a cleSarcut dependence on the nature of the axial ligand and cannot be used for identification of enzyme ligation. Mössbauer spectra in external magnetic fields (H₀ ≤ 120 kOe) together with magnetization measurements (H₀ ≤ 60kOe) were, therefore, obtained and analyzed assuming a spin-Hamiltonian, H_e = D[S_z² - 1/3 S(S + 1] + E(S²_x - S_y²) + 2 βH.S, in. order to obtain estimates of the crystal field parameters, D and E, and the saturation magnetic hyperfine field, H_hf⁰, in the PPIXDME series. For ferric myoglobin and the oxygen-ligated porphyrins - H_hf⁰ ≥ 500 kOe, Considerably larger than the value of - 450 kOe observed for ox-P-450. S. Only in the thiolate complex Fe(PPIXDME) (SC₆H₄NO₂) for which - H_hf⁰ = 476 ± 10 kOe is the enzyme value reasonably closely approached. In addition, magnetization and EPR measurements show that complexes with O- and N- donor ligands have axial or near axial symmetry while Fe(PPIXDME) (SC₆H₄NO₂) and Fe(OEP) (SPh) show deviations from axial symmetry with E/D ≈ 0.05, which compares more favorably with the unusually large degree of rhombicity, E/D ≈ 0.087, observed for ox-P-450.S. Thèse observations support the designation of cysteinate sulfur as the axial ligand in ox-P-450. S.