La cisteina è un amminoacido solforato che svolge un ruolo chiave nella sintesi proteica e nella formazione delle strutture proteiche complesse.
In biochimica, un disolfuro (anche detto ponte disolfuro o legame disolfuro) si riferisce a un gruppo funzionale con la struttura . Il collegamento è anche chiamato legame SS o talvolta ponte disolfuro ed è solitamente derivato dall'accoppiamento di due gruppi tiolici.
I legami disolfuro sono forti, con un'energia di dissociazione del legame tipica di 60 kcal/mol (251 kJ mol−1).
Il legame disolfuro è lungo circa 2,05 Å, circa 0,5 Å più lungo di un legame C-C.
La rotazione attorno all'asse S−S è soggetta a una bassa barriera.
I disolfuri mostrano una netta preferenza per gli angoli diedri che si avvicinano a 90°.
I disolfuri in cui i due gruppi sono gli stessi sono chiamati simmetrici; esempi sono difenil disolfuro e dimetil disolfuro.
Questo valore è di circa -250 mV rispetto all'elettrodo standard a idrogeno (pH = 7).
I legami disolfuro sono solitamente formati dall'ossidazione di gruppi sulfidrilici (−SH), specialmente in contesti biologici. Una varietà di ossidanti partecipa a questa reazione tra cui ossigeno e perossido di idrogeno.
Si pensa che tali reazioni procedano attraverso intermedi dell'acido sulfenico.
In laboratorio, per ossidare i tioli a disolfuri viene comunemente impiegato lo iodio in presenza di basi.
Diversi metalli, come i complessi di rame(II) e ferro(III) influenzano questa reazione.
L'alchilazione di di- e polisolfuri di metalli alcalini dà disolfuri.
I polimeri "tiokol" sorgono quando il polisolfuro di sodio viene trattato con un dialogenuro alchilico.
Nella reazione inversa, i reagenti carbanionici reagiscono con lo zolfo elementare per fornire miscele di tioetere, disolfuro e polisolfuri superiori.
Molti metodi specializzati sono stati sviluppati per formare disolfuri asimmetrici.
Formazione e Ruolo dei Ponti Disolfuro nelle Proteine
Una delle caratteristiche distintive della cisteina è la sua capacità di formare ponti disolfuro attraverso il gruppo tiolico (-SH).
Quando due molecole di cisteina si ossidano, si uniscono formando un legame disolfuro (-S-S-), conferendo maggiore stabilità e resistenza alle proteine.
Formula di struttura della cistina - il legame -S-S- è noto come ponte disolfuro.
Due gruppi -SH, posti in ambiente ossidante possono legarsi tramite un ponte disolfuro (-S-S-).
Due molecole di cisteina legate da un ponte disolfuro formano una molecola di cistina.
I ponti disolfuro sono fondamentali anche per altre proteine strutturali ed enzimatiche, contribuendo alla loro funzionalità biologica.
I legami disolfuro possono formarsi in condizioni ossidanti e svolgono un ruolo importante nel ripiegamento e nella stabilità di alcune proteine, solitamente proteine secrete nel mezzo extracellulare.
I legami disolfuro nelle proteine si formano tra i gruppi tiolici dei residui di cisteina mediante il processo di ripiegamento ossidativo.
Il prototipo di un legame disolfuro proteico è la cistina peptidica a due amminoacidi, che è composta da due amminoacidi cisteinici uniti da un legame disolfuro.
Tiene insieme due porzioni della proteina, distorcendo la proteina verso la topologia ripiegata.
Relativamente a 1 e 2, il legame disolfuro collega due segmenti della catena proteica, aumenta l'effettiva concentrazione locale di residui proteici e riduce l'effettiva concentrazione locale di molecole d'acqua.
Ad esempio, i ricercatori hanno identificato diverse coppie di peptidi che non sono strutturati in isolamento, ma adottano una struttura secondaria e terziaria stabile dopo la formazione di un legame disolfuro tra di loro.
Una specie disolfuro è un particolare accoppiamento di cisteine situate in posizioni specifiche lungo una proteina legata al disolfuro ed è solitamente raffigurata elencando i legami disolfuro tra parentesi, ad esempio "le specie disolfuro (26-84, 58-110)".
Un insieme disolfuro è un raggruppamento di tutte le specie disolfuro con lo stesso numero di legami disolfuro ed è solitamente indicato come l'insieme 1S, l'insieme 2S, e così via per specie disolfuro aventi uno, due, ecc. legami disolfuro.
Pertanto, la specie disolfuro (26-84) appartiene all'insieme 1S, mentre la specie (26-84, 58-110) appartiene all'insieme 2S.
La singola specie senza legami disolfuro è solitamente indicata come per "completamente ridotta".
La forma nativa di una proteina appartiene solitamente a una singola specie disolfuro, sebbene alcune proteine possano passare attraverso vari stati disolfuro come fasi della loro funzione, ad esempio la tioredossina.
Nelle proteine con più di due cisteine si possono formare specie disolfuro non native, che sono quasi sempre mal ripiegate.
Un legame disolfuro è tipicamente indicato sillabando le abbreviazioni di cisteina: ad esempio, quando ci si riferisce alla ribonucleasi A il "legame disolfuro Cys26-Cys84 può essere indicato come "legame disolfuro 26-84", o più semplicemente come "C26-C84" dove il legame disolfuro è inteso e non è necessario menzionarlo.
Il Ruolo della Cisteina e della Metionina
La cisteina è un amminoacido non essenziale, perché viene sintetizzato nell'organismo a partire dalla L-metionina, la quale subisce reazione di transmetilazione ad opera dell'enzima metionina adenosil transferasi, che utilizza una molecola di ATP e porta alla formazione della L-omocisteina e dei sottoprodotti, 3 ioni fosfato (Pi) e S-adenosilmetionina (SAM).
Per l'organismo umano adulto non è un amminoacido essenziale, in quanto può essere ottenuto dalla metionina tramite due reazioni successive: la transmetilazione, che trasforma la metionina in omocisteina, seguita dalla transolforazione, che trasforma l'omocisteina in cisteina.
La cisteina entra anche nella formazione della cistina, che si ottiene per ossidazione di due molecole di cisteina, che determina la formazione del ponte disolfuro (-S-S-).
Questo composto è presente in quantità importanti nella cheratina del tessuto connettivo, che si trova in particolare nei peli, nei capelli e nelle unghie, oltre che nelle corna degli animali.
La cisteina è un amminoacido con catena laterale polare. È presente in natura nella configurazione L. Il suo nome IUPAC è acido 2(R)-ammino-3-mercaptopropanoico e viene indicata con le sigle Cys o C. Essa si presenta come un solido cristallino incolore ed è completamente solubile in acqua.
La cisteina è un amminoacido non essenziale (può essere sintetizzato dalla metionina) ed è tra gli amminoacidi meno frequenti (1÷2% dei residui totali), a eccezione della pelle e dei peli che ne contengono fino al 5%.
La cisteina si trova inoltre come amminoacido libero in quasi tutti i fluidi biologici.
Per riduzione reversibile dà origine a due molecole di cisteina: pertanto i due amminoacidi seguono nell’organismo le stesse vie metaboliche.
L-Cisteina e L-Metionina sono due amminoacidi essenziali per la salute del capello, perché rappresentano i mattoni fondamentali della cheratina, la principale proteina strutturale di cui sono composti capelli, unghie e pelle.
Cistina e Metionina sono due aminoacidi contenenti Zolfo in grado di conferire resistenza ed elasticità alla chioma.
La L-Cisteina è uno degli amminoacidi più importanti per la formazione della cheratina.
La L-Metionina è un amminoacido essenziale, cioè non prodotto dall’organismo, e rappresenta il precursore naturale della L-Cisteina.
Cistina e Metionina sono due aminoacidi fondamentali per il benessere di capelli e unghie.
Bassi livelli di questi aminoacidi si traducono in scarse concentrazioni di cheratina, una proteina generalmente presente nei capelli in una percentuale compresa tra il 65 e il 96%.
Tutto ciò si traduce in capelli e unghie più forti.
La metionina è proposta agli utenti per la sua funzione di precursore della SAM (S-Adenosil Metionina) e per il relativo effetto di catalizzazione nelle reazioni di metilazione.
All'integrazione di questo amminoacido vengono attribuite anche molte altre funzioni; tuttavia, molte di queste non sono state dimostrate.
Nonostante il suo ruolo essenziale, la metionina deve essere assunta con equilibrio.
Sul fronte estetico, la metionina si lega al benessere di capelli e unghie, offrendo un supporto naturale, seppur non miracoloso.
La DL-metionina viene talvolta usata come integratore alimentare per i cani.
Questo amminoacido, che abbassa sensibilmente il pH delle urine, li aiuterebbe a mantenere lo stato di salute anche mangiando erba potenzialmente contaminata.
La metionina è anche nota per la capacità di aumentare l'escrezione urinaria di chinidina.
Assumerla attraverso la dieta è fondamentale, ma senza eccedere.
Applicazioni e Implicazioni Biologiche dei Ponti Disolfuro
I ponti disolfuro sono essenziali per la struttura di molte proteine, tra cui la cheratina, che costituisce capelli, unghie e pelle.
Oltre alla sua funzione strutturale, la cisteina è un componente chiave nella sintesi del glutatione, uno dei più potenti antiossidanti naturali del corpo.
Il glutatione, composto da cisteina, glicina e acido glutammico, aiuta a combattere i radicali liberi e a proteggere le cellule dallo stress ossidativo.
Grazie alla sua presenza nella cheratina, la cisteina è essenziale per la salute di capelli, pelle e unghie.
Un altro importante utilizzo della cisteina è legato alla sua forma derivata, la N-acetilcisteina (NAC).
Questo composto viene spesso utilizzato in ambito medico per le sue proprietà mucolitiche, aiutando a fluidificare il muco nelle vie respiratorie.
Il derivato N-acetilico della cisteina, la N-acetil-cisteina (o NAC) è usato in medicina come antidoto nell'avvelenamento cronico da metalli pesanti e altre sostanze come il paracetamolo, dato che entra direttamente nella sintesi del glutatione.
Inoltre, esso è usato come antidoto in caso di avvelenamento da paracetamolo.
La cisteina è un amminoacido essenziale per il benessere dell’organismo, grazie alla sua capacità di stabilizzare le proteine, proteggere le cellule dallo stress ossidativo e supportare il sistema immunitario.
La cheratina è una proteina molto ricca di zolfo, responsabile della resistenza, elasticità e compattezza del fusto capillare.
Oltre il 90% del peso secco dei capelli è costituito da catene proteiche di cheratine, che hanno un alto contenuto di disolfuro, legato all'amminoacido cisteina.
Queste catene vengono tenute insieme proprio dalla formazione di ponti disolfuro.
In alcune persone la formazione di questi ponti fa sì che le catene proteiche si ripieghino parzialmente su sé stesse, dando così origine al fenomeno dei capelli ricci.
Invece il fenomeno della "stiratura" del capello si ottiene per trattamento dei capelli con composti riducenti, bisolfiti, che inizialmente aprono i ponti disolfuro della cheratina; il successivo trattamento con un debole ossidante, porta i ponti disolfuro della cheratina a rigenerarsi dopo che la "stiratura" meccanica ha avuto luogo.
La robustezza conferita in parte dai legami disolfuro è illustrata dal ritrovamento di capelli praticamente intatti da antiche tombe egizie.
Le piume hanno cheratine simili e sono estremamente resistenti agli enzimi digestivi proteici.
La rigidità di capelli e piume è determinata dal contenuto di disolfuro.
La manipolazione dei legami disolfuro nei capelli è la base per la permanente nell'acconciatura.
I reagenti che influenzano la formazione e la rottura dei legami S-S sono fondamentali, ad esempio il tioglicolato di ammonio.
L'alto contenuto di disolfuro delle piume giustifica l'alto contenuto di zolfo nelle uova di uccelli.
I ponti disolfuro si formano anche tra le proteine della farina, durante l'impastamento e in presenza di acqua.
La gliadina e la glutenina, proteine della farina, formano un complesso proteico che si chiama glutine.
Prolungando l'impastamento, il ponte disolfuro si spezzerà generando gruppi tiolici -S-H: questo non deve avvenire pena la buona lievitazione dell'impasto.
Farine forti (W intorno ai 350 o superiore) avranno molte proteine, farine deboli poche.
Nel primo caso si potranno ottenere prodotti da forno altamente lievitati, come pandoro o panettone.
I legami disolfuro svolgono un importante ruolo protettivo per i batteri in quanto interruttore reversibile che attiva o disattiva una proteina quando le cellule batteriche sono esposte a reazioni di ossidazione.
Il perossido di idrogeno (H2O2) in particolare potrebbe danneggiare gravemente il DNA e uccidere il batterio anche a basse concentrazioni se non fosse per l'azione protettiva del legame SS.
Nelle cellule eucariotiche, in generale, si formano legami disolfuro stabili nel lume del RER (reticolo endoplasmatico ruvido) e nello spazio intermembrana mitocondriale ma non nel citosol.
Ciò è dovuto all'ambiente più ossidante dei suddetti compartimenti e all'ambiente più riducente del citosol (si veda la voce glutatione).
Ci sono notevoli eccezioni a questa regola.
Ad esempio, molte proteine nucleari e citosoliche possono diventare disolfuro-reticolate durante la morte delle cellule necrotiche.
Allo stesso modo, un certo numero di proteine citosoliche, con residui di cisteina in prossimità l'uno dell'altro che funzionano come sensori di ossidazione o catalizzatori redox; quando il potenziale riduttivo della cellula viene meno, si ossidano e innescano meccanismi di risposta cellulare.
Poiché i legami disolfuro possono essere ridotti e riossidati in modo reversibile, lo stato redox di questi legami si è evoluto in un elemento di segnalazione.
Nei cloroplasti, ad esempio, la riduzione enzimatica dei legami disolfuro è stata collegata al controllo di numerose vie metaboliche e all'espressione genica.
È stato finora dimostrato che l'attività riducente di segnalazione viene svolta dal sistema della ferredossina tioredossina, incanalando gli elettroni ottenuti dalle reazioni alla luce del fotosistema I, per ridurre cataliticamente i disolfuri presenti nelle proteine, che vengono così regolate in modo dipendente dalla luce.
In questo modo i cloroplasti regolano in base all'intensità della luce l'attività di processi chiave come il ciclo di Calvin-Benson, la degradazione dell'amido, la produzione di ATP e l'espressione genica.
Inoltre, è stato riportato che i disolfuri svolgono un ruolo significativo sulla regolazione dello stato redox dei sistemi a due componenti (TCS), che si possono trovare in alcuni batteri, incluso il ceppo fotogenico.
Reazioni di Scissione e Scambio dei Ponti Disolfuro
L'aspetto più importante dei legami disolfuro è la loro scissione, che avviene tramite riduzione.
È possibile utilizzare una varietà di riducenti.
Il riducente tris(2-carbossietil)fosfina (TCEP) è utile, oltre ad essere inodore rispetto a β-ME e DTT, perché è selettivo, lavorando sia in condizioni alcaline che acide (a differenza del DTT), è più idrofilo e più resistente ossidazione nell'aria.
Nella sintesi organica, gli agenti idruri sono tipicamente impiegati per la scissione dei disolfuri, come il boroidruro di sodio.
Molte reazioni organiche specializzate sono state sviluppate per i disolfuri, ancora una volta principalmente associati alla scissione del legame S-S, che di solito è il legame più debole in una molecola.
Nelle reazioni di scissione del disolfuro di Zincke, i disolfuri vengono scissi dagli alogeni.
Lo scambio tiolo-disolfuro è una reazione chimica in cui un gruppo tiolato −S− attacca un atomo di zolfo di un legame disolfuro −S−S−.
Il legame disolfuro originale viene rotto e l'altro atomo di zolfo viene rilasciato come nuovo tiolato, portando via la carica negativa.
Scambio tiolo-disolfuro che mostra l'intermedio lineare in cui la carica è condivisa tra i tre atomi di zolfo.
I tiolati, non i tioli, attaccano i legami disolfuro.
Quindi, lo scambio tiolo-disolfuro è inibito a pH basso (tipicamente, inferiore a 8) dove la forma tiolo protonata è favorita rispetto alla forma tiolata deprotonata.
Lo scambio tiolo-disolfuro è la principale reazione mediante la quale i legami disolfuro si formano e si riorganizzano in una proteina.
Il riarrangiamento dei legami disolfuro all'interno di una proteina avviene generalmente tramite reazioni di scambio intro-proteina tiolo-disolfuro; un gruppo tiolato di un residuo di cisteina attacca uno dei legami disolfuro della proteina.
Questo processo di riarrangiamento del disolfuro (noto come mescolamento del disolfuro) non cambia il numero di legami disolfuro all'interno di una proteina, ma semplicemente la loro posizione (cioè quali cisteine sono legate).
Il rimescolamento del disolfuro è generalmente molto più veloce delle reazioni di ossidazione/riduzione, che modificano il numero di legami disolfuro all'interno di una proteina.
L'ossidazione e la riduzione dei legami disolfuro proteico in vitro avviene generalmente anche tramite reazioni di scambio tiolo-disolfuro.
Tipicamente, il tiolato di un reagente redox come il glutatione o il ditiotreitolo attacca il legame disolfuro su una proteina formando un legame disolfuro misto tra la proteina e il reagente.
Questo legame disolfuro misto quando viene attaccato da un altro tiolato del reagente, lascia la cisteina ossidata.
L'ossidazione e la riduzione in vivo dei legami disolfuro proteico mediante lo scambio tiolo-disolfuro è facilitata da una proteina chiamata tioredossina.
Questa piccola proteina, essenziale in tutti gli organismi conosciuti, contiene due residui di aminoacidi della cisteina in una disposizione vicinale (cioè uno accanto all'altro), che le consente di formare un legame disolfuro interno o legami disolfuro con altre proteine.
Carenze e Integrazione
Mentre la cisteina è presente in vari alimenti di origine animale e vegetale, nelle diete vegetariane o vegane potrebbe essere più difficile raggiungere livelli ottimali.
Gli integratori di cisteina o NAC possono essere utili in caso di fabbisogno aumentato, come in condizioni di stress ossidativo elevato, malattie respiratorie o carenze nutrizionali specifiche.
Al contrario, la maggior parte di frutta, verdura e legumi ne contiene livelli molto bassi.
La carenza di cisteina porta alla comparsa di sintomi correlati alle funzioni biologiche dell'amminoacido.
I più frequenti sono: debolezza, fatica e riduzione della massa muscolare (la cisteina, come tutti gli amminoacidi, è fondamentale per la sintesi delle proteine che costituiscono i muscoli) e fragilità dei capelli (la cisteina, sotto forma di cistina, costituisce la cheratina dei capelli).
Una popolazione di topi, geneticamente modificata per non produrre più l'aminoacido cisteina e privata di tale sostanza nella dieta, ha mostrato una modifica del metabolismo che ha indotto una perdita di peso del 30% in una settimana.
Nonostante le promesse di molti prodotti sul mercato, va detto che le evidenze scientifiche non sono ancora definitive.
Amminoacidi essenziali: triptofano, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, valina, leucina e isoleucina.
N.B.: il codone di inizio è sempre la metionina che però può essere rimosso
