В химии дисульфид (или дисульфид в британском английском ) — это соединение, содержащее функциональную группу R− S−S −R′ или S 2−
2 анион . Связь также называется SS-связью или иногда дисульфидным мостиком и обычно образуется из двух тиоловых групп.
В неорганической химии анион встречается в нескольких редких минералах, но функциональная группа имеет огромное значение в биохимии . Дисульфидные мостики, образованные между тиоловыми группами в двух остатках цистеина , являются важным компонентом третичной и четвертичной структуры белков .
Соединения формы R−S−S−H обычно называют персульфидами .
Дисульфиды имеют двугранный угол CSSC, приближающийся к 90°. Длина связи SS составляет 2,03 Å в дифенилдисульфиде [1] , что аналогично таковой в элементарной сере.
Различают два вида дисульфидов: симметричные и несимметричные. Симметричные дисульфиды — это соединения формулы RSSR . Большинство дисульфидов, встречающихся в сероорганической химии, являются симметричными дисульфидами. Несимметричные дисульфиды (также называемые гетеродисульфидами или смешанными дисульфидами ) — это соединения формулы RSSR' . Несимметричные дисульфиды встречаются в органической химии реже, но многие дисульфиды в природе являются несимметричными. Примером симметричного дисульфида является цистин .
Дисульфидные связи прочны, с типичной энергией диссоциации связи 60 ккал/моль (251 кДж моль −1 ). Однако, будучи примерно на 40% слабее связей C−C и C−H , дисульфидная связь часто является «слабым звеном» во многих молекулах. Кроме того, отражая поляризуемость двухвалентной серы, связь S−S подвержена разрыву полярными реагентами, как электрофилами , так и особенно нуклеофилами (Nu): [2]
Дисульфидная связь имеет длину около 2,05 Å , что примерно на 0,5 Å длиннее связи C−C . Вращение вокруг оси S−S сопряжено с низким барьером. Дисульфиды демонстрируют явное предпочтение к двугранным углам, приближающимся к 90°. Когда угол приближается к 0° или 180°, дисульфид является значительно лучшим окислителем.
Дисульфиды, в которых две группы R одинаковы, называются симметричными, примерами являются дифенилдисульфид и диметилдисульфид . Когда две группы R не идентичны, соединение называется асимметричным или смешанным дисульфидом. [3]
Хотя гидрирование дисульфидов обычно нецелесообразно, константа равновесия реакции дает меру стандартного окислительно-восстановительного потенциала для дисульфидов:
Это значение составляет около −250 мВ по сравнению со стандартным водородным электродом (pH = 7). Для сравнения, стандартный восстановительный потенциал для ферродоксинов составляет около −430 мВ.
Дисульфидные связи обычно образуются в результате окисления сульфгидрильных ( −SH ) групп, особенно в биологических контекстах. [4] Трансформация изображается следующим образом:
В этой реакции участвуют различные окислители, включая кислород и перекись водорода . Считается, что такие реакции протекают через промежуточные продукты сульфеновой кислоты . В лабораторных условиях для окисления тиолов до дисульфидов обычно используют йод в присутствии основания. На эту реакцию влияют несколько металлов, таких как комплексы меди (II) и железа (III) . [5] В качестве альтернативы дисульфидные связи в белках часто образуются путем обмена тиол-дисульфид :
Такие реакции в некоторых случаях опосредуются ферментами, а в других случаях находятся под контролем равновесия, особенно в присутствии каталитического количества основания.
Алкилирование ди- и полисульфидов щелочных металлов дает дисульфиды. Полимеры «Тиокол» возникают при обработке полисульфида натрия алкилдигалогенидом. В обратной реакции карбанионные реагенты реагируют с элементарной серой, давая смеси тиоэфира, дисульфида и высших полисульфидов. Эти реакции часто неселективны , но могут быть оптимизированы для конкретных применений.
Разработано много специализированных методов для образования несимметричных дисульфидов. Реагенты, которые дают эквивалент " RS + ", реагируют с тиолами, давая асимметричные дисульфиды: [4]
где R″ 2 N — фталимидная группа. Соли Бунте , производные типа RSSO−3Na + также используются для получения несимметричных дисульфидов: [6]
Наиболее важным аспектом дисульфидных связей является их разрыв, поскольку связь S−S обычно является самой слабой связью в молекуле. Было разработано много специализированных органических реакций для расщепления этой связи.
Различные восстановители восстанавливают дисульфиды до тиолов . Гидридные агенты являются типичными реагентами, и обычная лабораторная демонстрация «разваривает» яйца с помощью борогидрида натрия . [7] Щелочные металлы действуют на ту же реакцию более агрессивно: с последующим протонированием полученного тиолята металла:
В лабораторных работах по биохимии тиолы, такие как β- меркаптоэтанол (β-ME) или дитиотреитол (DTT), служат восстановителями через тиол-дисульфидный обмен. Тиоловые реагенты используются в избытке, чтобы сместить равновесие вправо: Восстановитель трис(2-карбоксиэтил)фосфин (TCEP) полезен, помимо того, что не имеет запаха по сравнению с β-ME и DTT, поскольку он селективен, работает как в щелочных, так и в кислых условиях (в отличие от DTT), более гидрофилен и более устойчив к окислению на воздухе. Кроме того, часто не требуется удалять TCEP перед модификацией тиолов белка. [8]
В реакции расщепления Цинке галогены окисляют дисульфиды до сульфенилгалогенида : [9]
Более необычно, что окисление дисульфидов дает сначала тиосульфинаты , а затем тиосульфонаты : [10]
В тиол-дисульфидном обмене тиолатная группа −S − замещает один атом серы в дисульфидной связи −S−S− . Исходная дисульфидная связь разрывается, а ее другой атом серы высвобождается в виде нового тиолята, унося с собой отрицательный заряд. Между тем, между атакующим тиолатом и исходным атомом серы образуется новая дисульфидная связь. [11] [12]
Тиолаты, а не тиолы, атакуют дисульфидные связи. Следовательно, тиол-дисульфидный обмен ингибируется при низком pH (обычно ниже 8), где протонированная тиоловая форма предпочтительнее депротонированной тиоловой формы. ( P K a типичной тиоловой группы составляет примерно 8,3, но может меняться в зависимости от ее окружения.)
Тиол-дисульфидный обмен является основной реакцией, посредством которой дисульфидные связи образуются и перестраиваются в белке . Перестройка дисульфидных связей внутри белка обычно происходит посредством внутрибелковых реакций тиол-дисульфидного обмена; тиолатная группа остатка цистеина атакует одну из собственных дисульфидных связей белка. Этот процесс дисульфидной перестройки (известный как перестановка дисульфидов ) не изменяет количество дисульфидных связей внутри белка, а только их расположение (т. е. какие цистеины связаны). Перестановка дисульфидов обычно происходит намного быстрее, чем реакции окисления/восстановления, которые изменяют количество дисульфидных связей внутри белка. Окисление и восстановление дисульфидных связей белка in vitro также обычно происходит посредством реакций тиол-дисульфидного обмена. Обычно тиолат окислительно-восстановительного реагента, такого как глутатион , дитиотреитол атакует дисульфидную связь на белке, образуя смешанную дисульфидную связь между белком и реагентом. Эта смешанная дисульфидная связь, когда атакуется другим тиолатом из реагента, оставляет цистеин окисленным. По сути, дисульфидная связь переносится с белка на реагент в два этапа, оба из которых являются реакциями обмена тиол-дисульфид.
Окисление и восстановление дисульфидных связей белков in vivo путем тиол-дисульфидного обмена облегчается белком, называемым тиоредоксин . Этот небольшой белок, необходимый для всех известных организмов, содержит два остатка аминокислот цистеина в вицинальном расположении (т. е. рядом друг с другом), что позволяет ему образовывать внутреннюю дисульфидную связь или дисульфидные связи с другими белками. Таким образом, его можно использовать в качестве хранилища восстановленных или окисленных фрагментов дисульфидных связей.
Дисульфидные связи могут образовываться в окислительных условиях и играть важную роль в сворачивании и стабильности некоторых белков, обычно белков, секретируемых во внеклеточную среду. [3] Поскольку большинство клеточных отсеков являются восстановительными средами , в целом дисульфидные связи нестабильны в цитозоле , за некоторыми исключениями, как указано ниже, если только не присутствует сульфгидрилоксидаза . [13]
Дисульфидные связи в белках образуются между тиоловыми группами остатков цистеина в процессе окислительного сворачивания . Другая серосодержащая аминокислота, метионин , не может образовывать дисульфидные связи. Дисульфидная связь обычно обозначается путем написания через дефис сокращений для цистеина, например, при ссылке на рибонуклеазу А «дисульфидная связь Cys26–Cys84» или «дисульфидная связь 26–84» или, проще говоря, «C26–C84» [14] , где дисульфидная связь подразумевается и не нуждается в упоминании. Прототипом дисульфидной связи белка является двухаминокислотный пептид цистин , который состоит из двух аминокислот цистеина, соединенных дисульфидной связью. Структуру дисульфидной связи можно описать ее двугранным углом χ ss между атомами C β −S γ −S γ −C β , который обычно близок к ±90°.
Дисульфидная связь стабилизирует сложенную форму белка несколькими способами:
Дисульфидный вид представляет собой особую пару цистеинов в белке с дисульфидными связями и обычно обозначается перечислением дисульфидных связей в скобках, например, «(26–84, 58–110) дисульфидный вид». Дисульфидный ансамбль представляет собой группировку всех дисульфидных видов с одинаковым числом дисульфидных связей и обычно обозначается как ансамбль 1S, ансамбль 2S и т. д. для дисульфидных видов, имеющих одну, две и т. д. дисульфидных связей. Таким образом, дисульфидный вид (26–84) относится к ансамблю 1S, тогда как вид (26–84, 58–110) относится к ансамблю 2S. Отдельный вид без дисульфидных связей обычно обозначается как R, что означает «полностью восстановленный». В типичных условиях перестановка дисульфидных связей происходит намного быстрее, чем образование новых дисульфидных связей или их восстановление; следовательно, дисульфидные виды внутри ансамбля уравновешиваются быстрее, чем между ансамблями.
Нативная форма белка обычно представляет собой один вид дисульфида, хотя некоторые белки могут циклически переключаться между несколькими состояниями дисульфида в рамках своей функции, например, тиоредоксин . В белках с более чем двумя цистеинами могут образовываться ненативные виды дисульфида, которые почти всегда неправильно свернуты. По мере увеличения числа цистеинов число ненационных видов увеличивается факториально.
Дисульфидные связи играют важную защитную роль для бактерий как обратимый переключатель, который включает или выключает белок, когда бактериальные клетки подвергаются окислительным реакциям. Перекись водорода ( H 2 O 2 ) в частности может серьезно повредить ДНК и убить бактерию при низких концентрациях, если бы не защитное действие SS-связи. Археи обычно имеют меньше дисульфидов, чем высшие организмы. [15]
В эукариотических клетках, в общем, стабильные дисульфидные связи образуются в просвете RER (шероховатого эндоплазматического ретикулума) и митохондриальном межмембранном пространстве, но не в цитозоле . Это связано с более окислительной средой вышеупомянутых отсеков и более восстановительной средой цитозоля (см. глутатион ). Таким образом, дисульфидные связи в основном встречаются в секреторных белках, лизосомальных белках и экзоплазматических доменах мембранных белков.
Из этого правила есть заметные исключения. Например, многие ядерные и цитозольные белки могут стать дисульфидно-сшитыми во время некротической гибели клеток. [16] Аналогично, ряд цитозольных белков, которые имеют остатки цистеина в непосредственной близости друг от друга, функционируют как сенсоры окисления или окислительно-восстановительные катализаторы; когда восстановительный потенциал клетки терпит неудачу, они окисляются и запускают механизмы клеточного ответа. Вирус вакцинии также производит цитозольные белки и пептиды, которые имеют много дисульфидных связей; хотя причина этого неизвестна, предположительно, они оказывают защитное действие против внутриклеточного протеолизного аппарата.
Дисульфидные связи также образуются внутри и между протаминами в хроматине сперматозоидов многих видов млекопитающих .
Поскольку дисульфидные связи могут быть обратимо восстановлены и повторно окислены, окислительно-восстановительное состояние этих связей превратилось в сигнальный элемент. Например, в хлоропластах ферментативное восстановление дисульфидных связей было связано с контролем многочисленных метаболических путей, а также с экспрессией генов. До сих пор было показано, что восстановительная сигнальная активность осуществляется системой ферредоксин-тиоредоксин , направляющей электроны из световых реакций фотосистемы I для каталитического восстановления дисульфидов в регулируемых белках в зависимости от света. Таким образом, хлоропласты регулируют активность ключевых процессов, таких как цикл Кальвина-Бенсона , деградация крахмала , выработка АТФ и экспрессия генов в зависимости от интенсивности света. Кроме того, сообщалось, что дисульфиды играют важную роль в регуляции окислительно-восстановительного состояния двухкомпонентных систем (TCS), которые можно обнаружить у некоторых бактерий, включая фотогенные штаммы. Уникальные внутримолекулярные цистеиновые дисульфидные связи в АТФ-связывающем домене TC SrrAB, обнаруженные в Staphylococcus aureus, являются хорошим примером дисульфидов в регуляторных белках, в которых окислительно-восстановительное состояние молекулы SrrB контролируется цистеиновыми дисульфидными связями, что приводит к модификации активности SrrA, включая регуляцию генов. [17]
Более 90% сухого веса волоса составляют белки, называемые кератинами , которые имеют высокое содержание дисульфидов из аминокислоты цистеина. Прочность, отчасти обеспечиваемая дисульфидными связями, иллюстрируется извлечением практически неповрежденных волос из древнеегипетских гробниц. Перья имеют похожие кератины и чрезвычайно устойчивы к ферментам, расщепляющим белки. Жесткость волос и перьев определяется содержанием дисульфидов. Манипулирование дисульфидными связями в волосах является основой для перманентной завивки в парикмахерском деле. Реагенты, которые влияют на создание и разрыв связей S−S, являются ключевыми, например, тиогликолят аммония . Высокое содержание дисульфидов в перьях обуславливает высокое содержание серы в птичьих яйцах. Высокое содержание серы в волосах и перьях способствует неприятному запаху, который возникает при их сжигании.
Цистиноз — это состояние, при котором цистин выпадает в осадок в виде твердого вещества в различных органах. Это накопление нарушает функции организма и может быть фатальным. Это расстройство можно устранить с помощью лечения цистеамином . [18] Цистеамин действует, растворяя цистин путем (1) образования смешанного дисульфида цистеин-цистеамин, который более растворим и экспортируем, и (2) восстановления цистина до цистеина.
Дисульфидный анион — S2−
2, или − S−S − . В дисульфиде сера находится в восстановленном состоянии со степенью окисления −1. Тогда ее электронная конфигурация напоминает конфигурацию атома хлора . Таким образом, она имеет тенденцию образовывать ковалентную связь с другим центром S − , образуя S2−
2группа, подобная элементарному хлору, существующему как двухатомный Cl 2 . Кислород также может вести себя аналогично, например, в пероксидах, таких как H 2 O 2 . Примеры:
Тиосульфоксиды ортогонально изомерны дисульфидам, имея второй атом серы, ответвляющийся от первого и не участвующий в непрерывной цепи, т.е. >S=S, а не −S−S−.
Дисульфидные связи аналогичны, но более распространены, чем родственные пероксидные , тиоселенидные и диселенидные связи. Промежуточные соединения этих связей также существуют, например, тиопероксиды (также известные как оксасульфиды), такие как тиопероксид водорода , имеют формулу R 1 OSR 2 (эквивалентно R 2 SOR 1 ). Они изомерны сульфоксидам аналогично вышеприведенному; то есть >S=O, а не −S−O−.
Дисульфиды тиурама с формулой (R 2 NCSS) 2 являются дисульфидами, но ведут себя по-разному из-за тиокарбонильной группы.
Соединения с тремя атомами серы, такие как CH 3 S−S−SCH 3 , называются трисульфидами или трисульфидными связями.
Дисульфид также используется для обозначения соединений, содержащих два сульфидных (S 2− ) центра. Соединение дисульфид углерода , CS 2, описывается структурной формулой S=C=S. Эта молекула не является дисульфидом в том смысле, что в ней отсутствует связь SS. Аналогично, дисульфид молибдена , MoS 2 , не является дисульфидом в том смысле, что его атомы серы не связаны.
Вулканизация резины приводит к образованию сшивающих групп , которые состоят из дисульфидных (и полисульфидных) связей; по аналогии с ролью дисульфидов в белках, связи S−S в резине сильно влияют на стабильность и реологию материала . [19] Хотя точный механизм, лежащий в основе процесса вулканизации, не полностью понятен (поскольку присутствуют множественные пути реакции, но преобладающий из них неизвестен), было подробно показано, что степень, в которой процесс протекает, определяет физические свойства получаемой резины, а именно, большая степень сшивания соответствует более прочному и жесткому материалу. [19] [20] Современные традиционные методы производства резины, как правило, необратимы, поскольку нерегулируемые механизмы реакции могут приводить к сложным сетям сульфидных связей; как таковая, резина считается термореактивным материалом . [19] [21]
Из-за их относительно слабой энергии диссоциации связи (по сравнению со связями C−C и т. п.) дисульфиды использовались в системах ковалентной адаптивной сети (CAN) для обеспечения динамического разрыва и переформирования поперечных связей. [22] Включая дисульфидные функциональные группы в качестве поперечных связей между полимерными цепями, можно получать материалы, которые стабильны при комнатной температуре, а также допускают обратимую диссоциацию поперечных связей при применении повышенной температуры. [20] Механизм этой реакции можно отнести к расщеплению дисульфидных связей (RS−SR) на тиильные радикалы (2 RS•), которые впоследствии могут повторно ассоциироваться в новые связи, что приводит к характеристикам повторной переработки и самовосстановления для объемного материала. [22] Однако, поскольку энергия диссоциации связи дисульфидной связи все еще довольно высока, обычно необходимо усилить связь смежной химией, которая может стабилизировать неспаренный электрон промежуточного состояния. [21] [22] Таким образом, исследования обычно используют ароматические дисульфиды или дисульфиддиаминовые (RNS−SNR) функциональные группы для стимуляции динамической диссоциации связи S−S; эти химические реакции могут привести к снижению энергии диссоциации связи до половины (или даже меньше) ее первоначальной величины. [20] [21] [22]
На практике дисульфидсодержащие CAN могут использоваться для придания полимерным материалам возможности вторичной переработки , при этом сохраняя физические свойства, аналогичные свойствам термореактивных материалов. [21] [22] Обычно возможность вторичной переработки ограничивается термопластичными материалами, поскольку указанные материалы состоят из полимерных цепей, которые не связаны друг с другом на молекулярном уровне; в результате их можно расплавлять и реформировать (поскольку добавление тепловой энергии позволяет цепям распутываться, проходить мимо друг друга и принимать новые конфигурации), но это происходит за счет их физической прочности. [22] Между тем, обычные термореактивные материалы содержат постоянные сшивки, которые повышают их прочность , ударную вязкость , сопротивление ползучести и т. п. (поскольку связь между цепями обеспечивает сопротивление деформации на макроскопическом уровне), но из-за постоянства указанных сшивок эти материалы не могут быть переработаны подобно термопластам. [21] [22] Однако из-за динамической природы сшивок в дисульфидных CAN, они могут быть разработаны для демонстрации лучших свойств обоих вышеупомянутых типов материалов. Исследования показали, что дисульфидные CAN могут быть переработаны несколько раз с незначительным ухудшением производительности, а также демонстрируют сопротивление ползучести, стеклование и динамические значения модуля, сопоставимые с наблюдаемыми в аналогичных обычных термореактивных системах. [20] [21]
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)