Disulfid - Disulfide

V biochemii se disulfid vztahuje na funkční skupinu se strukturou R -S -S -R '. Spojení se také nazývá vazba SS nebo někdy disulfidový můstek a je obvykle odvozeno spojením dvou thiolových skupin. V biologii jsou disulfidové můstky vytvořené mezi thiolovými skupinami ve dvou cysteinových zbytcích důležitou složkou sekundární a terciární struktury proteinů . Persulfid se obvykle týká sloučenin R -S -S -H.

V anorganické chemii se disulfid obvykle týká odpovídajícího aniontu S2-
2
( - S − S - ).

Organické disulfidy

Výběr disulfidů
FeS 2 , „bláznivé zlato“
S 2 Cl 2 , běžná průmyslová chemikálie
cystin , síťovadlo v mnoha proteinech
kyselina lipoová , vitamín
Ph 2 S 2 , běžný organický disulfid

Symetrické disulfidy jsou sloučeniny obecného vzorce R 2 S 2 . Většina disulfidů, se kterými se setkáváme v chemii organických sir, jsou symetrické disulfidy. Nesymetrické disulfidy (také nazývané heterodisulfidy ) jsou sloučeniny vzorce RSSR '. V organické chemii jsou méně časté, ale většina disulfidů v přírodě je nesymetrická.

Vlastnosti

Disulfidové vazby jsou silné, s typickou disociační energií vazeb 60 kcal/mol (251 kJ mol −1 ). Disulfidová vazba je však asi o 40% slabší než vazby C -C a C -H a je často „slabým článkem“ v mnoha molekulách. Kromě toho, vzhledem k polarizovatelnosti dvojmocné síry, je vazba S -S náchylná k štěpení polárními činidly, a to jak elektrofily, tak zejména nukleofily (Nu):

RS − SR + Nu - → RS − Nu + RS -

Disulfidová vazba je dlouhá asi 2,05  Á , asi o 0,5 Á delší než vazba C -C. Rotace kolem osy S -S je vystavena nízké bariéře. Disulfidy vykazují zřetelnou preferenci vzepjatých úhlů blížících se 90 °. Když se úhel blíží 0 ° nebo 180 °, pak je disulfid výrazně lepším oxidantem.

Disulfidy, kde jsou obě skupiny R stejné, se nazývají symetrické, například difenyldisulfid a dimethyl disulfid . Pokud dvě skupiny R nejsou identické, je sloučenina považována za asymetrický nebo smíšený disulfid.

Ačkoli hydrogenace disulfidů obvykle není praktická, rovnovážná konstanta pro reakci poskytuje měřítko standardního redoxního potenciálu pro disulfidy:

RSSR + H 2 → 2 RSH

Tato hodnota je asi −250 mV oproti standardní vodíkové elektrodě (pH = 7). Pro srovnání, standardní redukční potenciál ferrodoxinů je asi −430 mV.

Syntéza

Disulfidové vazby jsou obvykle vytvořeny z oxidace z thiolovou (-SH) skupin , a to zejména v biologických souvislostech. Transformace je znázorněna následovně:

2 RSH ⇌ RS − SR + 2 H + + 2 e -

Na této reakci se podílí řada oxidantů, včetně kyslíku a peroxidu vodíku . Předpokládá se, že takové reakce probíhají prostřednictvím meziproduktů kyseliny sulfenové . V laboratoři se k oxidaci thiolů na disulfidy běžně používá jod v přítomnosti báze. Tuto reakci ovlivňuje několik kovů, jako jsou komplexy mědi (II) a železa (III) . Alternativně disulfidové vazby v proteinech často tvořené thiol-disulfidovou výměnou :

RS − SR + R’SH ⇌ R′S − SR + RSH

Takové reakce jsou v některých případech zprostředkovány enzymy a v jiných případech jsou pod rovnovážnou kontrolou, zejména v přítomnosti katalytického množství báze.

Alkylace di- a alkalického kovu polysulfidů dává disulfidy. Polymery "Thiokol" vznikají, když je polysulfid sodný ošetřen alkyl dihalogenidem. V opačné reakci reagují karbaniontová činidla s elementární sírou za vzniku směsí thioetheru, disulfidu a vyšších polysulfidů. Tyto reakce jsou často neselektivní, ale mohou být optimalizovány pro konkrétní aplikace.

Syntéza nesymetrických disulfidů (heterodisulfidů)

Bylo vyvinuto mnoho specializovaných metod pro vytváření nesymetrických disulfidů. Činidla, která dodávají ekvivalent „RS + “, reagují s thioly za vzniku asymetrických disulfidů:

RSH + R'SNR ″ 2 → RS − SR ′ + HNR ″ 2

kde R ″ 2 N je skupina ftalimido . Dobrovolné soli , deriváty typu RSSO 3 - Na + se také používají ke generování nesymetrických disulfidů: Na [O 3 S 2 R] + NaSR '→ RSSR' + Na 2 SO 3

Reakce

Nejdůležitějším aspektem disulfidových vazeb je jejich štěpení, ke kterému dochází prostřednictvím redukce. Lze použít celou řadu redukčních činidel. V biochemii slouží jako redukční činidla thioly, jako je p- merkaptoethanol (p-ME) nebo dithiothreitol (DTT); thiolová činidla se používají v přebytku k dosažení rovnováhy doprava:

RS − SR + 2 HOCH 2 CH 2 SH ⇌ HOCH 2 CH 2 S − SCH 2 CH 2 OH + 2 RSH

Redukční činidlo tris (2-karboxyethyl) fosfin (TCEP) je užitečné, kromě toho, že je ve srovnání s β-ME a DTT bez zápachu, protože je selektivní, pracuje jak v zásaditých, tak v kyselých podmínkách (na rozdíl od DTT), je hydrofilnější a odolnější vůči oxidace na vzduchu. Kromě toho často není nutné odstraňovat TCEP před modifikací proteinových thiolů.

V organické syntéze se pro štěpení disulfidů obvykle používají hydridová činidla, jako je borohydrid sodný . Agresivnější, alkalické kovy ovlivní tuto reakci:

RS − SR + 2 Na → 2 NaSR

Tyto reakce jsou často následovány protonací výsledného thiolátu kovu:

NaSR + HCl → HSR + NaCl

Výměna thiol – disulfid je chemická reakce, při které thiolátová skupina −S - útočí na atom síry disulfidové vazby −S − S−. Původní disulfidová vazba se rozbije a její další atom síry se uvolní jako nový thiolát, který odnese záporný náboj. Mezitím se mezi útočícím thiolátem a původním atomem síry vytvoří nová disulfidová vazba.

Výměna thiol -disulfid ukazující lineární meziprodukt, ve kterém je náboj sdílen mezi tři atomy síry. Thiolátová skupina (zobrazená červeně) napadá atom síry (zobrazený modře) disulfidové vazby, vytlačí druhý atom síry (zobrazen zeleně) a vytvoří novou disulfidovou vazbu.

Thioláty, nikoli thioly, útočí na disulfidové vazby. Výměna thiol -disulfid je proto inhibována při nízkém pH (typicky pod 8), kde je preferována protonovaná thiolová forma ve srovnání s deprotonovanou thiolátovou formou. ( P K a typické thiolové skupiny je zhruba 8,3, ale může se lišit v závislosti na prostředí.)

Výměna thiol -disulfid je hlavní reakcí, při které se v proteinu vytvářejí a přeskupují disulfidové vazby . K přeskupení disulfidových vazeb v proteinu obvykle dochází prostřednictvím intra-proteinových thiol-disulfidových výměnných reakcí; thiolátová skupina cysteinového zbytku napadá jednu z vlastních disulfidových vazeb proteinu. Tento proces disulfidového přesmyku (známý jako disulfidové míchání ) nemění počet disulfidových vazeb v proteinu, pouze jejich umístění (tj. Které cysteiny jsou vázány). Přeskupování disulfidů je obecně mnohem rychlejší než oxidační/redukční reakce, které mění počet disulfidových vazeb v proteinu. Oxidace a redukce proteinových disulfidových vazeb in vitro také obecně probíhá prostřednictvím thiol -disulfidových výměnných reakcí. Thiolát redoxního činidla, jako je glutathion nebo dithiothreitol, typicky napadá disulfidovou vazbu na protein, který tvoří smíšenou disulfidovou vazbu mezi proteinem a činidlem. Tato smíšená disulfidová vazba, když je napadena jiným thiolátem z činidla, zanechává cystein oxidovaný. Ve skutečnosti je disulfidová vazba přenesena z proteinu na činidlo ve dvou krocích, obě thiol -disulfidové výměnné reakce.

In vivo oxidace a redukce disulfidových vazeb protein podle thiol-disulfid výměny je usnadněno proteinu nazývaného thioredoxin . Tento malý protein, nezbytný ve všech známých organismech, obsahuje dva zbytky cysteinových aminokyselin v vicinálním uspořádání (tj. Vedle sebe), což mu umožňuje vytvořit vnitřní disulfidovou vazbu nebo disulfidové vazby s jinými proteiny. Jako takový může být použit jako úložiště redukovaných nebo oxidovaných disulfidových vazebných skupin.

Pro disulfidy bylo vyvinuto mnoho specializovaných organických reakcí , opět převážně spojených se štěpením vazby S -S, která je obvykle nejslabší vazbou v molekule. Při Zinckeových disulfidových štěpných reakcích jsou disulfidy štěpeny halogeny. Tato reakce dává sulfenylhalogenid :

ArSSAr + Cl 2 → 2 ArSCl

Výskyt v biologii

Schéma zesíťujících oblastí disulfidových vazeb proteinu

Výskyt v bílkovinách

Disulfidové vazby mohou být vytvořeny za oxidačních podmínek a hrají důležitou roli při skládání a stabilitě některých proteinů, obvykle proteinů vylučovaných do extracelulárního média. Protože většina buněčných kompartmentů je redukční prostředí , jsou disulfidové vazby obecně v cytosolu nestabilní , s některými výjimkami, jak je uvedeno níže, pokud není přítomna sulfhydryl oxidáza .

Cystin se skládá ze dvou cysteinů spojených disulfidovou vazbou (zde je znázorněna v neutrální formě).

Disulfidové vazby v proteinech se tvoří mezi thiolovými skupinami cysteinových zbytků procesem oxidačního skládání . Druhá aminokyselina obsahující síru, methionin , nemůže vytvářet disulfidové vazby. Disulfidová vazba je typicky označována dělením zkratek pro cystein, např. Když se odkazuje na ribonukleázu A „Cys26 – Cys84 disulfidová vazba“ nebo „26–84 disulfidová vazba“, nebo nejjednodušeji jako „C26 – C84“, kde disulfidová vazba je chápána a není třeba ji zmiňovat. Prototypem proteinové disulfidové vazby je dvouaminokyselinový peptid cystin , který je složen ze dvou cysteinových aminokyselin spojených disulfidovou vazbou. Strukturu disulfidové vazby lze popsat jejím χ ss dihedrálním úhlem mezi atomy C β −S γ −S γ −C β , který se obvykle blíží ± 90 °.

Disulfidová vazba stabilizuje skládanou formu proteinu několika způsoby:

  1. Drží dvě části proteinu pohromadě a předepíná protein směrem ke skládané topologii. To znamená, že disulfidová vazba destabilizuje rozloženou formu proteinu snížením jeho entropie .
  2. Disulfidová vazba může tvořit jádro hydrofobního jádra skládaného proteinu, tj. Místní hydrofobní zbytky mohou kondenzovat kolem disulfidové vazby a na sebe navzájem prostřednictvím hydrofobních interakcí .
  3. Ve vztahu k 1 a 2 disulfidová vazba spojuje dva segmenty proteinového řetězce, zvyšuje efektivní lokální koncentraci proteinových zbytků a snižuje efektivní lokální koncentraci molekul vody. Protože molekuly vody útočí na amid-amidové vodíkové vazby a rozbíjejí sekundární strukturu , disulfidová vazba stabilizuje sekundární strukturu v její blízkosti. Vědci například identifikovali několik párů peptidů, které nejsou strukturované izolovaně, ale po vytvoření disulfidové vazby mezi nimi zaujímají stabilní sekundární a terciární strukturu.

A disulfidové druh je konkrétní dvojice z cysteinů v proteinu disulfidem vázané a je obvykle zobrazen uvedením disulfidové vazby v závorkách, například, v „(26-84, 58-110) disulfid druhy“. Disulfid soubor je seskupení všech druhů disulfidových se stejným počtem disulfidových vazeb, a je obvykle označován jako souboru 1S, 2S souboru atd disulfidové druhy, které mají jeden, dva, atd disulfidové vazby. (26–84) disulfidové druhy tedy patří do souboru 1S, zatímco druhy (26–84, 58–110) patří do souboru 2S. Jednotlivé druhy bez disulfidových vazeb se obvykle označují jako R pro „plně redukované“. Za typických podmínek je přeskupování disulfidů mnohem rychlejší než tvorba nových disulfidových vazeb nebo jejich redukce; proto se disulfidové druhy v souboru vyrovnávají rychleji než mezi soubory.

Nativní forma proteinu je obvykle jediným disulfidovým druhem, ačkoli některé proteiny mohou v rámci své funkce cyklovat mezi několika disulfidovými stavy, např. Thioredoxin . V bílkovinách s více než dvěma cysteiny mohou vznikat nepůvodní disulfidové druhy, které jsou téměř vždy špatně složeny. Se zvyšujícím se počtem cysteinů se faktoricky zvyšuje počet nepůvodních druhů.

U bakterií a archea

Disulfidové vazby hrají důležitou ochrannou roli pro bakterie jako reverzibilní spínač, který zapíná nebo vypíná protein, když jsou bakteriální buňky vystaveny oxidačním reakcím. Zvláště peroxid vodíku ( H 2 O 2 ) by mohl vážně poškodit DNA a usmrtit bakterii v nízkých koncentracích, pokud ne kvůli ochrannému účinku vazby SS. Archaea má obvykle méně disulfidů než vyšší organismy.

V eukaryotech

V eukaryotických buňkách se obecně tvoří stabilní disulfidové vazby v lumenu RER (hrubé endoplazmatické retikulum) a mitochondriálním mezimembránovém prostoru, ale ne v cytosolu . To je způsobeno více oxidačním prostředím výše uvedených oddílů a více redukujícím prostředím cytosolu (viz glutathion ). Disulfidové vazby se tedy většinou nacházejí v sekrečních proteinech, lysozomálních proteinech a exoplazmatických doménách membránových proteinů.

Z tohoto pravidla existují výrazné výjimky. Například mnoho jaderných a cytosolických proteinů se může během nekrotické buněčné smrti disulfidově síťovat. Podobně řada cytosolických proteinů, které mají v blízkosti sebe cysteinové zbytky, které fungují jako oxidační senzory nebo redoxní katalyzátory; když selhává redukční potenciál buňky, oxidují a spouští mechanismy buněčné reakce. Virus Vaccinia také produkuje cytosolické proteiny a peptidy, které mají mnoho disulfidových vazeb; i když důvod není znám, pravděpodobně mají ochranné účinky proti intracelulárnímu proteolýznímu aparátu.

Disulfidové vazby se také tvoří uvnitř a mezi protaminy v chromatinu spermií mnoha druhů savců .

Disulfidy v regulačních proteinech

Jelikož disulfidové vazby lze reverzibilně redukovat a znovu oxidovat, redoxní stav těchto vazeb se vyvinul do signalizačního prvku. V chloroplastech byla například enzymatická redukce disulfidových vazeb spojena s kontrolou mnoha metabolických cest a také s genovou expresí. Ukázalo se, že doposud je reduktivní signální aktivita nesena ferredoxinovým thioredoxinovým systémem , směřujícím elektrony ze světelných reakcí fotosystému I ke katalytické redukci disulfidů v regulovaných proteinech způsobem závislým na světle. Chloroplasty tímto způsobem upravují aktivitu klíčových procesů, jako je Calvin -Bensonův cyklus , degradace škrobu , produkce ATP a genová exprese podle intenzity světla. Kromě toho bylo oznámeno, že disulfidy hrají významnou roli v regulaci redoxního stavu dvoukomponentních systémů (TCS), které lze nalézt v určitých bakteriích včetně fotogenického kmene. Unikátní intramolekulární cysteinové disulfidové vazby v ATP vazebné doméně SrrAB TC nalezené v Staphylococcus aureus jsou dobrým příkladem disulfidů v regulačních proteinech, jejichž redoxní stav molekuly SrrB je řízen cysteinovými disulfidovými vazbami, což vede k modifikaci aktivity SrrA včetně genové regulace.

Ve vlasech a peří

Více než 90% suché hmotnosti vlasů obsahuje bílkoviny zvané keratiny , které mají vysoký obsah disulfidů, z aminokyseliny cysteinu. Robustnost částečně poskytovaná disulfidovými vazbami je ilustrována získáním prakticky neporušených vlasů ze staroegyptských hrobek. Peří má podobné keratiny a je extrémně odolné vůči proteinovým trávicím enzymům. Tuhost vlasů a peří je dána obsahem disulfidu. Manipulace s disulfidovými vazbami ve vlasech je základem pro trvalou vlnu při kadeřnictví. Klíčová jsou činidla, která ovlivňují tvorbu a lámání vazeb S -S, např. Thioglykolát amonný . Vysoký obsah disulfidů v peří diktuje vysoký obsah síry v ptačích vejcích. Vysoký obsah síry ve vlasech a peří přispívá k nepříjemnému zápachu, který vzniká při jejich spálení.

Anorganické disulfidy

Disulfidový anion je S2-
2
, nebo - S − S - . V disulfidu existuje síra ve sníženém stavu s oxidačním číslem −1. Jeho elektronová konfigurace pak připomíná atom chloru . Má tedy tendenci vytvářet kovalentní vazbu s jiným S - centrem za vzniku S2-
2
skupina, podobná elementárnímu chloru existujícímu jako diatomický Cl 2 . Kyslík může také chovat podobně, například v peroxidy , jako je H 2 O 2 . Příklady:

V průmyslu

Disulfid a (polysulfidové) vazby jsou zesíťovací skupiny, které vyplývají z vulkanizace z pryže . Analogicky k roli disulfidů v proteinech jsou vazby S -S v kaučuku zesíťovadla a silně ovlivňují reologii materiálu.

Související sloučeniny

CS 2
MoS 2

Thiosulfoxidy jsou ortogonálně izomerní s disulfidy, které mají druhou síru rozvětvenou od prvního a neúčastní se v souvislém řetězci, tj.> S = S spíše než −S − S−.

Disulfidové vazby jsou analogické, ale častější než příbuzné peroxidové , thioselenidové a diselenidové vazby. Meziprodukty tyto také existují, například thioperoxides (také známý jako oxasulfides), jako je například vodík thioperoxide , mají vzorec R 1 OSR 2 (ekvivalentně R 2 SOR 1 ). Ty jsou izomerní na sulfoxidy podobným způsobem jako výše; tj.> S = O spíše než −S − O−.

Thiuram disulfidy , obecného vzorce: (R 2 NCSS) 2 , jsou disulfidy ale chovají odlišně, protože thiokarbonylovou skupinu.

Sloučeniny s třemi atomy síry, jako je například CH 3 S-S-SCH 3 , se nazývají trisulfides nebo sulfidu vazeb.

Nesprávná jména

Disulfid se také používá k označení sloučenin, které obsahují dvě sulfidová (S 2− ) centra. Sloučenina sirouhlík , CS 2, je popsána strukturním vzorcem, tj. S = C = S. Tato molekula není disulfidem v tom smyslu, že postrádá vazbu SS. Podobně disulfid molybdenu , MoS 2 , není disulfidem v tom smyslu, že jeho atomy síry nejsou spojeny.

Reference

Další čtení

externí odkazy

  • Média související s disulfidy na Wikimedia Commons