4.2 Disulfid
Disulfide sind relativ stabile Produkte der Thioloxidation und spielen eine wichtige Rolle in den sekundären, tertiären und quaternären Strukturen von Proteinen. Die Faltung neu synthetisierter Polypeptide wird von einer enzymkatalysierten Disulfidbindungsbildung begleitet. Kurz gesagt, im endoplasmatischen Retikulum wird die Proteinoxidation durch Proteindisulfid–Isomerasen über ihre intramolekularen redoxaktiven Cys–x–x–Cys–Disulfidbindungen vermittelt, und im mitochondrialen Intermembranraum ist das Mia40-Enzym für die Oxidation der ankommenden Proteine über sein Cys-Pro-Cys-Motiv verantwortlich (siehe in ). Es wurde lange Zeit angenommen, dass einmal gebildete strukturelle Disulfidbindungen stabile und inerte Einheiten in einem physiologischen Milieu sind. Eine Reihe von Proteinen enthält jedoch Disulfidbindungen, die enzymatisch reduziert werden können, was auf eine viel dynamischere Situation hindeutet. Es wurde gezeigt, dass dieser Prozess an der Aktivierung einer Reihe von regulatorischen Proteinen beteiligt ist, einschließlich Thrombospondin, Zelloberflächenrezeptoren und Gewebefaktor (überprüft in ).
Disulfidbildung ist eine häufige Folge von oxidativem Stress. Sulfensäuren, Sulfenylhalogenide und Sulfenylthiocyanate an Proteinen oder kleinen Molekülen sind im Allgemeinen Zwischenprodukte und werden durch Reaktion mit einem zusätzlichen Thiol unter Bildung von Disulfiden schnell abgeschreckt. Nitrosothiole und Sulfenamide reagieren auch langsam mit Thiolen zu Disulfiden. Höhere Oxidationsstufen wie Thiosulfinat- oder Thiosulfonatester können durch Reduktion oder Hydrolyse in Disulfide umgewandelt werden. Radikalisch vermittelte Thioloxidation kann zu Disulfiden führen (siehe die späteren Abschnitte). Für Proteine mit vicinalen Thiolen ist das Produkt ein intramolekulares Disulfid. Für andere Proteinthiole ist die bevorzugte Reaktion des oxidierten Zwischenprodukts mit dem in hohen intrazellulären Konzentrationen vorhandenen GSH, um ein glutathionyliertes Protein zu bilden. Es wird angenommen, dass die Proteinglutathionylierung als Mechanismus zum Schutz funktioneller Proteinthiole unter oxidativem Stress wichtig ist. Obwohl dies das Protein inaktiv machen kann, kann die Entfernung des Glutathions die Aktivität wiederherstellen. Auch die reversible Proteinglutathionylierung wird zunehmend als Regulationsmechanismus bei der Signaltransduktion erkannt.
Die Bildung von Disulfiden an redoxaktiven Thiolen ist ein dynamischer und reversibler Prozess. Trx und Glutaredoxin sind zusammen mit Trx-Reduktase und GR weitgehend für die intrazelluläre Disulfidreduktion verantwortlich. Diese Enzyme selbst funktionieren über reversible inter- und intramolekulare Thiol-Disulfid– (oder Selensulfid-) Zyklen . Disulfide unterliegen auch Austauschreaktionen. Der spontane Thiol-Disulfid-Austausch ist relativ langsam; Die Größenordnung ihrer Geschwindigkeitskonstanten zweiter Ordnung bei pH 7 beträgt ~ 10-3 M-1 s−1. Sie verläuft über einen nukleophilen Angriff des Thiolats auf die elektrophileren Schwefelzentren in der Disulfidbindung. Daher hängen sowohl die thermodynamischen als auch die kinetischen Eigenschaften dieser Reaktionen weitgehend von den entsprechenden Thiol-pKa-Werten und Redoxpotentialen ab. Diese Reaktionen werden verwendet, um Protein-Redoxpotentiale und pKa-Werte zu bestimmen (reviewed in ). Unkatalysierte Austauschreaktionen sind zu langsam, um in einer dynamischen zellulären Umgebung einen großen Einfluss zu haben. Enzymkatalysierte Austauschreaktionen, die hauptsächlich durch Glutaredoxin und Trx katalysiert werden, spielen jedoch eine wichtige Rolle nicht nur bei der Umkehrung der Oxidation, sondern auch bei der Regulierung der Proteinglutathionylierung und der redoxempfindlichen Signalwege (überprüft in ).
Es wird angenommen, dass Thiole als intrazelluläre Redoxpuffer wirken, und die Redoxpotentiale der GSH / GSSG-, Trxred / Trxox- und Cystein / Cystin-Paare liefern ein nützliches Maß für zellulären oxidativen Stress. Interessanterweise sind diese Paare nicht im Gleichgewicht, sondern kinetisch isoliert. Mit anderen Worten, aufgrund der deutlichen Unterschiede in den Thioloxidations- und Disulfid-Reduktionsraten (vis-à-vis katalysierte und nichtkatalysierte Ereignisse) wird der Redoxstatus der Zelle eher kinetisch als thermodynamisch gesteuert, was ein dynamisches Nichtgleichgewichts-Steady-State-System darstellt .