Context
Aquí s’analitza l’origen estel·lar del sofre i la seva presència en la Terra. També la incorporació d’aquest element en molècules orgàniques com ara l’aminoàcid cisteïna i el valor d’aquest aminoàcid per la formació de ponts disulfur implicats de forma fonamental en la configuració de les proteïnes.
Origen del sofre
El sofre és un element de nombre atòmic 16 i símbol S. Es troba principalment en forma de sulfurs (S2-) i sulfats (SO₄2-). És un element vital per a tots els organismes donat que es troba en dos dels aminoàcids importants que formen les proteïnes, la metionina i la cisteïna. També es troba en el coenzim A, molècula clau del metabolisme de tots els éssers vius (vegeu un capítol posterior).
Figura 29. Àtom de sofre amb 16 protons, 16 neutrons i 16 electrons.
En un capítol anterior hem comentat que l’explosió d’una estrella nana blanca rica en oxigen i neó (ONe) podria desencadenar fusions productores de fòsfor, silici i sofre a partir de l’oxigen. El sofre també es pot generar, sembla, en estels massius en els quals predominen temperatures que provoquen la fusió entre un nucli de silici i un d’heli en el procés de nucleosíntesi de supernoves que crea elements com el sofre, potassi, calci, entre molts altres com ferro, cobalt i níquel. Com hem vist, una supernova és l’explosió d’una estrella. Sol passar quan una estrella massiva acaba produint ferro-56 en el seu procés de fusió nuclear que és el darrer element que pot produir-se per fusió exotèrmicament. Totes les reaccions de fusió nuclear des d’aquest punt en endavant són endotèrmiques, i l’estrella perd energia. La gravetat estel·lar llavors empeny les seves capes exteriors ràpidament cap a endins i l’estrella es col·lapsa i explota disseminant els elements produïts. La producció dels elements des del ferro fins a l’urani ocorre en segons en una explosió de supernova a causa de les grans quantitats d’energia alliberades i l’assoliment de temperatures altíssimes.
Molts elements disseminats contribueixen a formar nous estels i planetes. En els orígens de la Terra el camp gravitatori del planeta va produir la contracció i l’augment de la temperatura amb un enfonsament dels elements fosos més pesants com el ferro i níquel, cap al centre del planeta. L’oxigen, el silici i el magnesi formaren silicats més superficials (el mantell). És interessant el fet que els elements gasosos lleugers que formen la major part de l’univers s’han escapat de la gravetat i són rars en la Terra, amb l’excepció de l’oxigen pel fet que aquest pot formar compostos sòlids estables. En sentit contrari, elements relativament escassos en el cosmos es troben en la Terra amb molta abundància (ferro, silici i magnesi) o de forma significativa com el calci, el sodi i el sofre.
Com s’incorpora el sofre en els organismes vius? El sofre com ara el carboni, el fòsfor, l’oxigen, el nitrogen o molècules com l’aigua, té el seu propi cicle en la vida. Les plantes l’obtenen en la seva forma d’ió sulfat i els organismes que ingereixen aquestes plantes l’incorporen a les molècules de proteïna. En morir aquests organismes, el sofre arriba a transformar-se perquè les plantes puguin utilitzar-lo de nou com ió sulfat encara que els intercanvis de sofre es fan, principalment en la seva forma de diòxid de sofre (SO₂).
La principal molècula receptora del sofre en els organismes és l’aminoàcid cisteïna amb la fórmula química:
HS-CH2-CHNH2-COOH
És un aminoàcid no essencial, ja que pot ser sintetitzat pels organismes. Un altre aminoàcid ric en sofre és la metionina que en aquest cas és essencial. La cisteïna i la metionina es troben en la majoria dels aliments amb alt contingut proteic i després de la digestió d’aquests nutrients, els aminoàcids es desplacen a través de l’aparell digestiu i del plasma cap a les cèl·lules de tot l’organisme. Quan les cèl·lules han de sintetitzar cisteïna, el sofre deriva de la metionina.
Una de les funcions més rellevants de la cisteïna és la capacitat de formar ponts disulfur entre cadenes proteiques veïnes o bé diferents segments de la mateixa proteïna (vegeu figures 31 i 33). Els altres aminoàcids que també contenen sofre com la metionina no poden formar ponts disulfur. Els ponts disulfur tenen un paper important en l’assemblatge, plegament i l’estabilitat de moltes proteïnes en incrementar la seva rigidesa i conferir-les resistència proteolítica al trencament. Dins de la cèl·lula, els ponts disulfurs entre residus de cisteïna mantenen l’estructura secundària de polipèptids. La insulina és un exemple de proteïnes amb cisteïnes, on dues cadenes separades dels pèptids precursors estan connectades per un parell de ponts disulfur.
Així, un pont disulfur és un enllaç S-S (enllaç sofre-sofre) i és un fort enllaç covalent entre grups tiol encara que l’afinitat S-S és menor a la que hi ha entre un C i un H o bé entre dos C en les molècules orgàniques i, per tant, també és més reactiu. A partir de dues cisteïnes veïnes, els ponts disulfur es poden formar per deshidrogenació dels seus grups sulfhídric i, a l’inrevés, la hidrogenació d’un enllaç S-S dona lloc a dos grups sulfhídric (SH) i trencament del pont. En les cèl·lules eucariotes, el plegament de la proteïna i la formació dels ponts es fa en el reticle endoplasmàtic, ja que és on hi ha l’entorn òptim.
2 RSH → RS-SR + 2 H+ + 2 e-
Figura 30. Pont disulfur entre dues cisteïnes properes.
Figura 31. Cadena proteica plegada amb 5 ponts disulfur.