Ponte disulfuro

Unha ponte disulfuro ou enlace disulfuro é un enlace covalente S-S que une por oxidación dous grupos tiol de dúas moléculas. As pontes disulfuro máis importantes danse nas proteínas entre dous residuos do aminoácido cisteína, que ten un grupo tiol (-SH) na súa cadea lateral. A molécula que se orixina pola unión de dúas cisteínas chámase cistina. Pero as pontes disulfuro están presentes tamén noutros compostos, como o caucho vulcanizado.

Formación dunha ponte disulfuro.

A ponte disulfuro é un elemento importante das estruturas terciaria (repregamento da proteína) e cuaternaria (asociación de varias cadeas polipeptídicas) das proteínas. A formación dunha ponte disulfuro a partir de dúas cisteínas ten lugar espontaneamente en condicións oxidantes, en particular en presenza de O₂. Pero estas condicións non se dan en xeral no citoplasma, que é un ambiente redutor, polo que non se poden formar alí, senón cando as proteínas son secretadas ou expostas na superficie celular. O retículo endoplasmático ten encimas que poden catalizar a formación destes enlaces.

En bioquímica, a redución dunha ponte disulfuro pode facerse con redutores, como o 2-mercaptoetanol ou o ditiotreitol (DTT ou reactivo de Cleland).

Á esquerda o aminoácido cisteína. Á dereita a cistina, molécula formada por dúas cisteínas unidas por ponte disulfuro.

Propiedades

A ponte disulfuro é un enlace covalente forte, cunha enerxía de disociación de enlace de 60 kcal/mol. Porén, é un 40% máis feble ca un enlace C-C ou C-H, polo que é o "enlace feble" en moitas moléculas. Ademais, o enlace S-S é susceptible de escisión por reactivos polares, tanto electrófilos coma especialmente nucleófilos:

RS-SR + Nu^- → RS-Nu + RS^-

O enlace disulfuro ten unha lonxitude duns 2,05 Å, polo que é 0,5 Å máis longo ca o enlace C-C. A rotación sobre o eixe S-S ten unha barreira baixa. Os disulfuros mostran clara preferencia polo ángulo recto. Cando o ángulo se aproxima a 0° ou 180°, o disulfuro é un oxidante significativamente mellor.

Os disulfuros onde os dous grupos R son iguais, chámanse simétricos, por exemplo o difenil disulfuro ou o dimetil disulfuro. Cando os dous grupos R non son idénticos, dise que o composto é asimétrico ou un disulfuro mixto.

Aínda que a hidroxenación de disulfuros é normalmente inviable, a constante de equilibrio da reacción dá unha medida do potencial estándar de redución dos disulfuros:

RSSR + H₂ → 2 RSH

Este valor é de aproximadamente -250 mV vs NHE (pH = 7). Por comparación, o potencial estándar de redución das ferrodoxinas é de aproximadamente -430 mV.

Funcións biolóxicas

É un enlace necesario para a estabilización da estrutura de certas proteínas. Por exemplo, algunhas pequenas proteínas como as toxinas presentes no veleno de serpes ou de escorpións non poden adoptar unha conformación activa se as pontes disulfuro non pechan a súa estrutura.

Na ricina, as pontes disulfuro enlazan as súas dúas cadeas A e B de funcións completamente diferentes. A cadea B permite que a toxina se fixe á parede celular e a cadea A, responsable das propiedades tóxicas, pode inhibir a síntese proteica atacando ao ARN dos ribosomas, o que comporta a morte celular. A destrución da ponte disulfuro fai que a toxina sexa totalmente inactiva (non pode penetrar na célula).

Noutras proteínas as pontes disulfuro serven para manter o enlace entre as diferentes cadeas polipeptídicas ou subunidades da proteína. É o caso dos anticorpos producidos polas células do sistema inmunitario, que están compostos por catro cadeas unidas por pontes disulfuro. Outro exemplo é a hormona insulina, composta por dúas cadeas unidas por tres pontes disulfuro.

Nalgúns casos hai pontes disulfuro no sitio activo de certos encimas ou en proteínas implicadas en procesos de oxidorredución ou de transporte de electróns. Por exemplo, as tiorredoxinas que participan na homeostase do estado redox da célula.

As protaminas do núcleo dos espermatozoides de mamíferos conteñen moitas pontes disulfuro. A dureza e resistencia química dos diversos tipos de queratinas do pelo, plumas ou uñas dependen do número e disposición das súas pontes disulfuro.

En proteínas regulatorias

Como as pontes disulfuro poden ser reducidas reversiblemente e reoxidadas, o estado redox destes enlaces acabou evolucionando a un elemento sinalizador usado na regulación. Nos cloroplastos, por exemplo, a redución encimática das pontes disulfuro foi relacionada co control de numerosas vías metabólicas e coa expresión xénica. Esta actividade sinalizadora redutiva parece que a leva a cabo o sistema ferredoxina-tiorredoxina, canalizando electróns desde as reaccións luminosas do fotosistema I para reducir cataliticamente disulfuros en proteínas reguladas dun modo dependente da luz. Deste modo, os cloroplastos axustan a actividade de procesos chave como o ciclo de Calvin, a degradación do amidón, a produción de ATP e a expresión xénica de acordo coa intensidade da luz.

Bioxénese e localización celular

Nas proteínas que conteñen gran número de cisteínas, a disposición correcta das pontes disulfuro necesita ás veces a intervención dun encima específico que posúa unha actividade de disulfuro isomerase como a PDI (proteína disulfuro isomerase). Este labor realízano os encimas do retículo endoplasmático rugoso, pero non os do citosol. O citosol das células é un ambiente moi redutor, e consecuentemente as proteínas citoplásmicas conteñen poucas ou ningunhas pontes disulfuro. Estas encóntrase sobre todo en proteínas exportadas a outros compartimentos celulares, como o lisosoma, ou fóra da célula. Tamén se encontran nos dominios extracelulares das proteínas de membrana, e interveñen en concreto na oligomerización das subunidades de certos receptores como o receptor da insulina.

A reacción principal por medio da cal se forman ou rearranxan as pontes disulfuro nas proteínas é a reacción de intercambio tiol-disulfuro. Esta reacción non fai variar o número de pontes (como fai a oxidación-redución) senón que cambia a súa posición.

O intercambio tiol-disulfuro é unha reacción química na que un grupo tiolato -S^- ataca a un átomo de xofre dunha ponte disulfuro -S-S-. A ponte disulfuro orixinal rompe, e o seu outro átomo de xofre (verde na figura) libérase como un novo tiolato, levando con el a carga negativa. Mentres, fórmase unha nova ponte disulfuro entre o tiolato que ataca (vermello na figura) e o átomo de xofre da ponte orixinal (azul na figura).

Figure 1: Reacción de intercambio tiol-disulfuro mostrando o intermediato linear no cal se comparte a carga entre os tres átomos de xofre. O grupo tiolato (en vermello) ataca un átomo de xofre (en azul) da ponte disulfuro, desprazando o outro xofre (en verde) e formando unha nova ponte disulfuro.

Os tiolatos (-S^-) e non os grupos tiol (-SH) son os que atacan as pontes disulfuro. Por tanto, o intercambio tiol-disulfuro queda inhibido normalmente a pH por debaixo de 8, no cal a forma tiol protonado (-SH) está favorecida con respecto á forma tiolato desprotonado (-S^-). O pKa dun grupo tiol típico rolda o 8,3, pero pode variar debido ao seu ambiente.

No pelo

Os cabelos están constituídos nun 90% por queratina, á que están asociadas outras moléculas como os pigmentos que lle dan ao cabelo o seu brillo e ton. As moléculas de queratina están enlazadas entre si por pontes disulfuro, cuxo número e situación dan ao pelo a súa forma. Unha permanente consiste en dúas reaccións químicas sucesivas. A primeira (unha redución) rompe un certo número de pontes disulfuro e a estrutura da proteína reláxase. Peitéase entón o cabelo formando as ondulacións coa forma desexada. Esta operación pon en fronte as cisteínas das moléculas de queratina, que orixinariamente estaban separadas. A segunda reacción (unha oxidación) restablece as pontes disulfuro, que se forman entre cisteínas que nunca se terían enlazado espontaneamente, creando unha tensión que dobra o cabelo, que queda de forma relativamente duradeira coa forma do peiteado: é a permanente.

As reaccións empregadas para ondular ou rizar un cabelo liso poden usarse tamén para estirar un cabelo rizado.

Véxase tamén

Bibliografía

• Sela M, Lifson S. (1959). "The reformation of disulfide bridges in proteins". Biochim Biophys Acta 36 (2): 471–8. PMID 14444674. doi:10.1016/0006-3002(59)90188-X. 
• Stark GR.; Stern, K; Atala, A; Yoo, J (1977). "Cleavage at cysteine after cyanylation". Methods Enzymol 47 (2): 129–32. PMID 927170. doi:10.1016/j.ymeth.2008.09.005. 
• Thornton JM. (1981). "Disulphide bridges in globular proteins". J Mol Biol 151 (2): 261–87. PMID 7338898. doi:10.1016/0022-2836(81)90515-5. 
• Thannhauser TW, Konishi Y, Scheraga HA. (1984). "Sensitive quantitative analysis of disulfide bonds in polypeptides and proteins". Anal Biochem 138 (1): 181–8. PMID 6547275. doi:10.1016/0003-2697(84)90786-3. 
• Wu J, Watson JT. (1998). "Optimization of the cleavage reaction for cyanylated cysteinyl proteins for efficient and simplified mass mapping". Anal Biochem 258 (2): 268–76. PMID 9570840. doi:10.1006/abio.1998.2596. 
• Futami J, Tada H, Seno M, Ishikami S, Yamada H. (2000). "Stabilization of human RNase 1 by introduction of a disulfide bond between residues 4 and 118". J Biochem 128 (2): 245–50. PMID 10920260. 
• Wittenberg, G, Danon, A (2008). "Disulfide bond formation in chloroplasts: Formation of disulfide bonds in signaling chloroplast proteins". Plant Science 175 (4): 459–466. doi:10.1016/j.plantsci.2008.05.011. 
• Kadokura, Hiroshi; Katzen, Federico; Beckwith, Jon (2003). "Protein Disulfide Bond Formation in Prokaryotes". Annual Review of Biochemistry 72 (1): 111. PMID 12524212. doi:10.1146/annurev.biochem.72.121801.161459. 
• Tu, B. P.; Weissman, JS (2004). "Oxidative protein folding in eukaryotes: mechanisms and consequences". The Journal of Cell Biology 164 (3): 341. PMC 2172237. PMID 14757749. doi:10.1083/jcb.200311055. 
• Ellgaard, Lars; Ruddock, Lloyd W. (2005). "The human protein disulphide isomerase family: substrate interactions and functional properties". EMBO reports 6 (1): 28. PMC 1299221. PMID 15643448. doi:10.1038/sj.embor.7400311. 

Outros artigos

• Cisteína (aminoácido)
• Tiol (grupo químico)