В химии дисульфид (или дисульфид в британском английском ) — это соединение, содержащее функциональную группу R- S-S -R' или S 2−
2 анион . Эту связь также называют SS-связью или иногда дисульфидным мостиком , и она обычно происходит от двух тиоловых групп.
В неорганической химии анион встречается в некоторых редких минералах, но функциональная группа имеет огромное значение в биохимии . Дисульфидные мостики, образующиеся между тиоловыми группами в двух остатках цистеина , являются важным компонентом вторичной и третичной структуры белков .
Вместо этого соединения формы R-S-S-H обычно называют персульфидами .
Симметричные дисульфиды представляют собой соединения формулы R 2 S 2 . Большинство дисульфидов, встречающихся в сероорганической химии, представляют собой симметричные дисульфиды. Несимметричные дисульфиды (также называемые гетеродисульфидами ) представляют собой соединения формулы RSSR' . В органической химии они встречаются реже, но большинство дисульфидов в природе несимметричны.
Дисульфидные связи прочные, 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): [1]
Дисульфидная связь имеет длину около 2,05 Å , что примерно на 0,5 Å длиннее, чем связь CC-C . Вращение вокруг оси S-S подвержено низкому барьеру. Дисульфиды отдают явное предпочтение двугранным углам , приближающимся к 90 °. Когда угол приближается к 0° или 180°, дисульфид оказывается значительно лучшим окислителем.
Дисульфиды, у которых две группы R одинаковы, называются симметричными, примерами являются дифенилдисульфид и диметилдисульфид . Когда две группы R не идентичны, соединение называют асимметричным или смешанным дисульфидом. [2]
Хотя гидрирование дисульфидов обычно нецелесообразно, константа равновесия реакции является мерой стандартного окислительно-восстановительного потенциала дисульфидов:
Это значение составляет около -250 мВ по сравнению со стандартным водородным электродом (рН = 7). Для сравнения, стандартный потенциал восстановления ферродоксинов составляет около -430 мВ.
Дисульфидные связи обычно образуются в результате окисления сульфгидрильных ( -SH ) групп, особенно в биологическом контексте . [3] Преобразование изображается следующим образом:
В этой реакции участвуют различные окислители, включая кислород и перекись водорода . Считается, что такие реакции протекают через промежуточные соединения сульфеновой кислоты . В лаборатории йод в присутствии основания обычно используется для окисления тиолов до дисульфидов. На эту реакцию влияют некоторые металлы, такие как комплексы меди (II) и железа (III) . [4] Альтернативно, дисульфидные связи в белках часто образуются в результате тиол-дисульфидного обмена :
Такие реакции в одних случаях опосредуются ферментами, а в других 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, образуя смеси тиоэфира, дисульфида и высших полисульфидов. Эти реакции часто неселективны, но могут быть оптимизированы для конкретных применений.
Для образования несимметричных дисульфидов было разработано множество специализированных методов. Реагенты, дающие эквивалент « RS + », реагируют с тиолами с образованием асимметричных дисульфидов: [3]
где R″ 2 N представляет собой фталимидогруппу .Соли Бунте , производные типа RSSO−3Na + также используются для получения несимметричных дисульфидов: [5]
Наиболее важным аспектом дисульфидных связей является их разрыв, поскольку связь S-S обычно является самой слабой связью в молекуле. Для разрыва связи было разработано множество специализированных органических реакций .
Различные восстановители восстанавливают дисульфиды до тиолов . Гидридные агенты являются типичными реагентами, и обычная лабораторная демонстрация «сваривает» яйца с помощью боргидрида натрия . [6] Щелочные металлы действуют на ту же реакцию более агрессивно:
В биохимических лабораторных работах тиолы, такие как β- меркаптоэтанол (β-ME) или дитиотреитол (DTT), служат восстановителями посредством тиол-дисульфидного обмена. Тиоловые реагенты используются в избытке, чтобы сдвинуть равновесие вправо:
При расщеплении Цинке галогены окисляют дисульфиды до сульфенилгалогенида : [ 8]
Что еще более необычно, окисление дисульфидов дает сначала тиосульфинаты , а затем тиосульфонаты : [9]
При тиол-дисульфидном обмене тиолатная группа -S- замещает один атом серы в дисульфидной связи -S-S- . Исходная дисульфидная связь разрывается, и другой атом серы высвобождается в виде нового тиолата, унося отрицательный заряд. Между тем между атакующим тиолатом и исходным атомом серы образуется новая дисульфидная связь. [10] [11]
Тиолаты, а не тиолы, атакуют дисульфидные связи. Следовательно, тиол-дисульфидный обмен ингибируется при низком pH (обычно ниже 8), когда протонированная тиоловая форма предпочтительнее депротонированной тиолатной формы. ( P K a типичной тиоловой группы составляет примерно 8,3, но может варьироваться в зависимости от окружающей среды.)
Тиол-дисульфидный обмен является основной реакцией образования и перегруппировки дисульфидных связей в белке . Перестройка дисульфидных связей внутри белка обычно происходит посредством реакций внутрибелкового тиол-дисульфидного обмена; тиолатная группа остатка цистеина атакует одну из собственных дисульфидных связей белка. Этот процесс дисульфидной перегруппировки (известный как дисульфидная перетасовка ) не меняет количество дисульфидных связей внутри белка, а только их расположение (т. е. то, какие цистеины связаны). Дисульфидная перетасовка обычно протекает 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 и дитиотреитол, атакует дисульфидную связь белка, образуя смешанную дисульфидную связь между белком и реагентом. Эта смешанная дисульфидная связь при воздействии другого тиолата из реагента оставляет цистеин окисленным. Фактически дисульфидная связь переносится от белка к реагенту в две стадии: обе реакции тиол-дисульфидного обмена.
Окислению и восстановлению дисульфидных связей белка in vivo за счет тиол-дисульфидного обмена способствует белок, называемый тиоредоксин . Этот небольшой белок, необходимый для всех известных организмов, содержит два аминокислотных остатка цистеина в вицинальном расположении (т. е. рядом друг с другом), что позволяет ему образовывать внутреннюю дисульфидную связь или дисульфидные связи с другими белками. По существу, его можно использовать в качестве хранилища восстановленных или окисленных фрагментов дисульфидной связи.
Дисульфидные связи могут образовываться в окислительных условиях и играют важную роль в сворачивании и стабильности некоторых белков, обычно белков, секретируемых во внеклеточную среду. [2] Поскольку большинство клеточных компартментов представляют собой восстанавливающую среду , в целом дисульфидные связи в цитозоле нестабильны , за некоторыми исключениями, указанными ниже, если только не присутствует сульфгидрилоксидаза . [12]
Дисульфидные связи в белках образуются между тиоловыми группами остатков цистеина в процессе окислительного сворачивания . Другая серосодержащая аминокислота — метионин — не может образовывать дисульфидные связи. Дисульфидную связь обычно обозначают путем переноса сокращений цистеина через дефис, например, при упоминании рибонуклеазы А «дисульфидная связь Cys26–Cys84» или «дисульфидная связь 26–84», или, проще всего, как «C26–C84» [13]. ] где дисульфидная связь понимается и ее не нужно упоминать. 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 свернутую форму белка несколькими способами:
Дисульфидные виды представляют собой особую пару цистеинов в белке с дисульфидными связями и обычно обозначаются путем перечисления дисульфидных связей в скобках, например, «(26–84, 58–110) дисульфидные виды». Дисульфидный ансамбль представляет собой группу всех дисульфидных разновидностей с одинаковым количеством дисульфидных связей и обычно обозначается как ансамбль 1S, ансамбль 2S и т. д. для дисульфидных разновидностей, имеющих одну, две и т. д. дисульфидные связи. Таким образом, дисульфидная разновидность (26–84) принадлежит к ансамблю 1S, а разновидность (26–84, 58–110) – к ансамблю 2S. Одиночный вид без дисульфидных связей обычно обозначается как R, что означает «полностью восстановленный». В типичных условиях дисульфидная перетасовка происходит значительно быстрее, чем образование новых дисульфидных связей или их восстановление; следовательно, дисульфидные частицы внутри ансамбля уравновешиваются быстрее, чем между ансамблями.
Нативная форма белка обычно представляет собой один вид дисульфида, хотя некоторые белки могут циклически переключаться между несколькими дисульфидными состояниями в рамках своей функции, например, тиоредоксин . В белках, содержащих более двух цистеинов, могут образовываться ненативные дисульфидные формы, которые почти всегда неправильно свернуты. По мере увеличения количества цистеинов число неместных видов увеличивается факториально.
Дисульфидные связи играют важную защитную роль для бактерий как обратимый переключатель, который включает или выключает белок, когда бактериальные клетки подвергаются реакциям окисления . Перекись водорода ( H 2 O 2 ), в частности, могла бы серьезно повредить ДНК и убить бактерию в низких концентрациях, если бы не защитное действие SS-связи. Археи обычно содержат меньше дисульфидов, чем высшие организмы. [14]
В эукариотических клетках, как правило, стабильные дисульфидные связи образуются в просвете RER (шероховатой эндоплазматической сети) и митохондриальном межмембранном пространстве, но не в цитозоле . Это связано с более окислительной средой вышеупомянутых компартментов и более восстановительной средой цитозоля (см. глутатион ). Таким образом, дисульфидные связи в основном обнаруживаются в секреторных белках, лизосомальных белках и экзоплазматических доменах мембранных белков.
Из этого правила есть заметные исключения. Например, многие ядерные и цитозольные белки могут становиться дисульфидно-сшитыми во время некротической гибели клеток. [15] Аналогичным образом, ряд цитозольных белков, которые имеют остатки цистеина рядом друг с другом, действуют как сенсоры окисления или окислительно-восстановительные катализаторы; когда восстановительный потенциал клетки падает, они окисляются и запускают механизмы клеточного ответа. Вирус осповакцины также продуцирует цитозольные белки и пептиды, имеющие множество дисульфидных связей; хотя причина этого неизвестна, предположительно они обладают защитным действием против механизмов внутриклеточного протеолиза.
Дисульфидные связи также образуются внутри и между протаминами в хроматине сперматозоидов многих видов млекопитающих .
Поскольку дисульфидные связи могут обратимо восстанавливаться и повторно окисляться, окислительно-восстановительное состояние этих связей превратилось в сигнальный элемент. Например, в хлоропластах ферментативное восстановление дисульфидных связей связано с контролем многочисленных метаболических путей, а также экспрессией генов. На данный момент было показано, что восстановительная сигнальная активность осуществляется системой ферредоксин-тиоредоксин , направляя электроны от световых реакций фотосистемы I для каталитического восстановления дисульфидов в регулируемых белках светозависимым образом. Таким образом, хлоропласты регулируют активность ключевых процессов, таких как цикл Кальвина-Бенсона , деградация крахмала , производство АТФ и экспрессия генов, в зависимости от интенсивности света. Кроме того, сообщалось, что дисульфиды играют значительную роль в регуляции окислительно-восстановительного состояния двухкомпонентных систем (TCS), которые можно обнаружить у некоторых бактерий, включая фотогенные штаммы. Уникальные внутримолекулярные дисульфидные связи цистеина в АТФ-связывающем домене ТК SrrAB, обнаруженные у Staphylococcus aureus , являются хорошим примером дисульфидов в регуляторных белках, окислительно-восстановительное состояние молекулы SrrB контролируется дисульфидными связями цистеина, что приводит к модификации активности SrrA. включая регуляцию генов. [16]
Более 90% сухого веса волос состоит из белков, называемых кератинами , с высоким содержанием дисульфидов, образующихся из аминокислоты цистеина. Прочность, обеспечиваемая частично дисульфидными связями, иллюстрируется обнаружением практически неповрежденных волос из древнеегипетских гробниц. Перья имеют похожий кератин и чрезвычайно устойчивы к пищеварительным ферментам белка. Жесткость волос и перьев определяется содержанием дисульфидов. Управление дисульфидными связями в волосах является основой перманентной завивки в парикмахерском искусстве. Ключевыми являются реагенты, влияющие на образование и разрыв связей S-S, например тиогликолят аммония . Высокое содержание дисульфидов в перьях обусловливает высокое содержание серы в птичьих яйцах. Высокое содержание серы в волосах и перьях способствует появлению неприятного запаха, возникающего при их сжигании.
Дисульфид - анион S2−
2, или − S−S − . В дисульфиде сера находится в восстановленном состоянии со степенью окисления -1. Его электронная конфигурация тогда напоминает конфигурацию атома хлора . Таким образом, он имеет тенденцию образовывать ковалентную связь с другим центром S - с образованием S.2−
2группа, подобная элементарному хлору, существующему в виде двухатомного Cl 2 . Кислород также может вести себя аналогичным образом, например, в пероксидах , таких как H 2 O 2 . Примеры:
Тиосульфоксиды ортогонально изомерны дисульфидам, имея вторую серу, разветвленную от первой и не вступающую в непрерывную цепь, т.е. >S=S, а не -S-S-.
Дисульфидные связи аналогичны, но более распространены, чем родственные пероксидные , тиоселенидные и диселенидные связи. Также существуют их промежуточные соединения, 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 указанному выше; т.е. >S=O, а не -S-O-.
Дисульфиды тиурама с формулой (R 2 NCSS) 2 являются дисульфидами, но они ведут себя иначе из-за тиокарбонильной группы.
Соединения с тремя атомами серы, например CH 3 S-S-SCH 3 , называются трисульфидами, или трисульфидными связями.
Дисульфид также используется для обозначения соединений, которые содержат два сульфидных (S 2- ) центра. Соединение сероуглерода CS 2 описывается структурной формулой, то есть S=C=S. Эта молекула не является дисульфидом в том смысле, что у нее отсутствует связь SS. Точно так же дисульфид молибдена , MoS 2 , не является дисульфидом в том смысле, что его атомы серы не связаны между собой.
Вулканизация каучука приводит к образованию сшивающих групп, состоящих из дисульфидных (и полисульфидных) связей ; По аналогии с ролью дисульфидов в белках связи S-S в каучуке сильно влияют на стабильность и реологию материала. [17] Хотя точный механизм, лежащий в основе процесса вулканизации, не совсем понятен (поскольку существует несколько путей реакции, но преобладающий из них неизвестен), было широко показано, что степень, в которой разрешено протекать процессу, определяет физические свойства полученного каучука, а именно, большая степень сшивки соответствует более прочному и жесткому материалу. [17] [18] Современные традиционные методы производства каучука, как правило, необратимы, поскольку нерегулируемые механизмы реакции могут привести к образованию сложных сетей сульфидных связей; как таковая резина считается термореактивным материалом. [17] [19]
Из-за их относительно слабой энергии диссоциации связи (по сравнению со связями CC и т.п.) дисульфиды использовались в системах ковалентной адаптируемой сети (CAN), чтобы обеспечить динамический разрыв и реформирование поперечных связей. [20] Путем включения дисульфидных функциональных групп в качестве сшивок между полимерными цепями можно получить материалы, которые стабильны при комнатной температуре, а также допускают обратимую диссоциацию поперечных связей при применении повышенной температуры. [18] Механизм этой реакции можно объяснить расщеплением дисульфидных связей (RS-SR) на тиильные радикалы (2 RS•), которые впоследствии могут повторно ассоциироваться с новыми связями, что приводит к перерабатываемости и характеристикам самовосстановления сыпучего материала. . [20] Однако, поскольку энергия диссоциации дисульфидной связи все еще довольно высока, обычно необходимо дополнить связь соседними химическими веществами, которые могут стабилизировать неспаренный электрон промежуточного состояния. [19] [20] Таким образом, в исследованиях обычно используются функциональные группы ароматических дисульфидов или дисульфидиамина (RNS-SNR), чтобы стимулировать динамическую диссоциацию связи S-S; эти химические процессы могут привести к уменьшению энергии диссоциации связи до половины (или даже меньше) от ее предыдущей величины. [18] [19] [20]
С практической точки зрения, дисульфидсодержащие CAN можно использовать для придания полимерным материалам возможности вторичной переработки , сохраняя при этом физические свойства, аналогичные свойствам реактопластов. [19] [20] Обычно возможность вторичной переработки ограничивается термопластическими материалами, поскольку указанные материалы состоят из полимерных цепей, которые не связаны друг с другом на молекулярном уровне; в результате их можно расплавить 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. [20] Между тем, обычные термореактивные материалы содержат постоянные сшивки, которые повышают их прочность , ударную вязкость , сопротивление ползучести и тому подобное (поскольку связь между цепями обеспечивает устойчивость к деформации на макроскопическом уровне), но из-за постоянства указанных сшивок эти материалы не подлежит повторной обработке, как термопласты. [19] [20] Однако из-за динамического характера поперечных связей в дисульфидных CAN, они могут быть разработаны так, чтобы демонстрировать лучшие характеристики обоих вышеупомянутых типов материалов. Исследования показали, что дисульфидные CAN могут подвергаться многократной переработке с незначительным ухудшением характеристик, а также демонстрируют сопротивление ползучести, стеклование и значения динамического модуля , сравнимые с теми, которые наблюдаются в аналогичных традиционных термореактивных системах. [18] [19]
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)