Disulfid - Disulfide

v chemie, a disulfid označuje a funkční skupina se strukturou R−S - S−R ′. Vazba se také nazývá SS vazba nebo někdy a disulfidový most a je obvykle odvozen spojením dvou thiol skupiny. V biologii jsou disulfidové můstky vytvořené mezi thiolovými skupinami ve dvou cysteinových zbytcích důležitou složkou sekundární a terciární struktury bílkoviny. Spojení je a persulfid, analogicky k jeho kongener, peroxid (R-O-O-R '), ale tato terminologie se používá zřídka, s výjimkou odkazu na hydrodisulfidy (sloučeniny R-S-S-H).

v anorganická chemie disulfid obvykle označuje odpovídající anion S2−
2 (−S - S−).

Organické disulfidy

Výběr disulfidů
FeS2, "Bláznovo zlato"
S2Cl2, běžná průmyslová chemikálie
cystin, síťovadlo v mnoha proteinech
kyselina lipoová, vitamin
Ph2S2, běžný organický disulfid

Symetrické disulfidy jsou sloučeniny vzorce R2S2. Většina disulfidů, se kterými se v chemii organosíry setkáváme, jsou symetrické disulfidy. Nesymetrické disulfidy (také zvaný heterodisulfidy) jsou sloučeniny vzorce RSSR '. Jsou méně časté v organické chemii, ale většina disulfidů v přírodě je nesymetrická.

Vlastnosti

Disulfidové vazby jsou silné, typické energie disociace vazby 60 kcal / mol (251 kJ mol−1). Je však asi o 40% slabší než C-C a Vazby C-H, disulfidová vazba je často „slabým článkem“ v mnoha molekulách. Dále odráží polarizovatelnost dvojmocné síry je vazba S-S náchylná k štěpení polárními činidly elektrofily a hlavně nukleofily (Nu):[1]

RS - SR + Nu− → RS − Nu + RS−

Disulfidová vazba je asi 2,05A na délku, asi 0,5 Å delší než vazba C-C. Rotace kolem osy S-S je vystavena nízké bariéře. Disulfidy vykazují zřetelnou preferenci pro vzepětí blížící se 90 °. Když se úhel blíží 0 ° nebo 180 °, pak je disulfid výrazně lepším oxidantem.

Disulfidy, kde jsou dvě skupiny R stejné, se nazývají symetrické, příklady jsou difenyldisulfid a dimethyldisulfid. Pokud dvě skupiny R nejsou totožné, říká se, že sloučeninou je asymetrický nebo smíšený disulfid.[2]

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

RSSR + H2 → 2 RSH

Tato hodnota je asi −250 mV oproti standardní vodíková elektroda (pH = 7). Pro srovnání, standardní redukční potenciál pro ferrodoxiny je asi -430 mV.

Syntéza

Disulfidové vazby se obvykle tvoří z oxidace z sulfhydryl (-SH) skupiny, zejména v biologických kontextech.[3] Transformace je znázorněna následovně:

2 RSH ⇌ RS − SR + 2 H+ + 2 e−

Na této reakci se podílí celá řada oxidantů, včetně kyslíku a peroxid vodíku. Předpokládá se, že takové reakce probíhají prostřednictvím kyselina sulfenová meziprodukty. V laboratoři jód v přítomnosti báze se běžně používá k oxidaci thiolů na disulfidy. Několik kovů, jako je měď (II) a železo (III) komplexy ovlivnit tuto reakci.[Citace je zapotřebí ] Alternativně mohou disulfidové vazby v proteinech často tvořit thiol-disulfidová výměna:

RS − SR + R′SH ⇌ R′S − SR + RSH

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

The alkylace di- a alkalických kovů polysulfidy dává disulfidy. Polymery „Thiokol“ vznikají, když polysulfid sodný se zpracuje alkyldihalogenidem. V obrácené reakci reagují karbaniontová činidla s elementární sírou za vzniku směsí thioetheru, disulfidu a vyšších polysulfidů. Tyto reakce jsou často neselektivní, ale lze je optimalizovat pro konkrétní aplikace.

Syntéza nesymetrických disulfidů (heterodisulfidů)

Pro tvorbu nesymetrických disulfidů bylo vyvinuto mnoho specializovaných metod. Reagencie dodávající ekvivalent „RS+"reagují s thioly za vzniku asymetrických disulfidů:[3]

RSH + R′SNR ″2 → RS − SR ′ + HNR ″2

kde R ″2N je ftalimido skupina.Bunte soli, deriváty typu RSSO3–Na+ se také používají ke generování nesymetrických disulfidů:[4]Na [O.3S2R] + NaSR '→ RSSR' + Na2TAK3

Reakce

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

RS - SR + 2 HOCH2CH2SH ⇌ HOCH2CH2S-SCH2CH2OH + 2 RSH

Redukční činidlo tris (2-karboxyethyl) fosfin (TCEP) je užitečný, kromě toho, že je bez zápachu ve srovnání s β-ME a DTT, protože je selektivní, pracuje v alkalických i kyselých podmínkách (na rozdíl od DTT), je více hydrofilní a odolnější vůči oxidaci na vzduchu. Kromě toho často není nutné odstraňovat TCEP před modifikací proteinových thiolů.[5]

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

RS - SR + 2 Na → 2 NaSR

Po těchto reakcích často následuje protonace výsledného thiolátu kovu:

NaSR + HCl → HSR + NaCl

Thiol – disulfidová výměna je a chemická reakce ve kterém a thiolát skupina −S− útoky a síra atom disulfidové vazby −S − S−. Původní disulfidová vazba je přerušena a její další atom síry se uvolňuje jako nový thiolát, který odnáší negativní náboj. Mezitím se mezi útočícím thiolátem a původním atomem síry vytvoří nová disulfidová vazba.[6][7]

Thiol – disulfidová výměna ukazující lineární meziprodukt, ve kterém je náboj sdílen mezi třemi atomy síry. Thiolátová skupina (zobrazena červeně) napadá atom síry (zobrazen modře) disulfidové vazby, vytěsňuje druhý atom síry (zobrazen zeleně) a vytváří novou disulfidovou vazbu.

Thioláty, ne thioly, útočí na disulfidové vazby. Výměna thiol-disulfidu je tedy potlačena na nízké úrovni pH (typicky pod 8), kde je protonovaná thiolová forma zvýhodněna ve srovnání s deprotonovanou thiolátovou formou. (The strK.A typické thiolové skupiny je zhruba 8,3, ale může se lišit vzhledem k jejímu prostředí.)

Thiol – disulfidová výměna je hlavní reakcí, při které se disulfidové vazby tvoří a přeskupují v a protein. K přeskupení disulfidových vazeb v proteinu obvykle dochází prostřednictvím intra-proteinových výměnných reakcí thiol-disulfid; thiolátová skupina a cystein zbytek 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). Přeskupení 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 se obecně vyskytuje prostřednictvím výměnných reakcí thiol – disulfid. Typicky je thiolát redoxního činidla, jako je glutathion nebo dithiothreitol napadá disulfidovou vazbu na protein tvořící a smíšená disulfidová vazba 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 do reagentu ve dvou krocích, obě thioldisulfidové výměnné reakce.

The in vivo oxidaci a redukci proteinových disulfidových vazeb výměnou thiol-disulfidu usnadňuje protein zvaný thioredoxin. Tento malý protein, nezbytný ve všech známých organismech, obsahuje dva cysteinové aminokyselinové zbytky v a vicinální uspořádání (tj. vedle sebe), které mu umožňuje vytvořit vnitřní disulfidovou vazbu nebo disulfidové vazby s jinými proteiny. Jako takový může být použit jako úložiště redukovaných nebo oxidovaných skupin disulfidové vazby.

Mnoho specializovaných organické reakce byly vyvinuty pro disulfidy, opět hlavně spojené s rozštěpením vazby S-S, což je obvykle nejslabší vazba v molekule. V Zincke disulfidové štěpné reakce, disulfidy jsou štěpeny halogeny. Tato reakce dává a sulfenylhalogenid:[8][9]

ArSSAr + Cl2 → 2 ArSCl

Výskyt v biologii

Schéma disulfidových vazeb zesíťujících oblasti proteinu

Výskyt v bílkovinách

Disulfidové vazby mohou být tvořeny pod oxidační podmínky a hrají důležitou roli při skládání a stabilitě některých proteinů, obvykle proteinů vylučovaných do extracelulárního média.[2] Protože většina celulárních oddělení je redukující prostředí obecně jsou disulfidové vazby v cytosol, s některými výjimkami, jak je uvedeno níže, pokud a sulfhydryl oxidáza je přítomen.[10]

Cystine se skládá ze dvou cysteiny vázané disulfidovou vazbou (zde zobrazeno v neutrální formě).

Mezi. Se tvoří disulfidové vazby v proteinech thiol skupiny cystein zbytky procesem oxidační skládání. Další aminokyselina obsahující síru, methionin, nemohou vytvářet disulfidové vazby. Disulfidová vazba je typicky označována spojovníkem zkratek pro cystein, např. Když se odkazuje na ribonukleáza A „disulfidová vazba Cys26 – Cys84“ nebo „disulfidová vazba 26–84“, nebo nejjednodušeji jako „C26 – C84“[11] kde je disulfidová vazba chápána a není třeba ji uvádět. Prototypem proteinové disulfidové vazby je peptid se dvěma aminokyselinami cystin, který se skládá ze dvou cystein aminokyseliny spojené disulfidovou vazbou. Strukturu disulfidové vazby lze popsat jejím χss vzepětí úhel mezi C.β−Sy−Sy- C.β atomů, což je obvykle blízké ± 90 °.

Disulfidová vazba stabilizuje skládanou formu proteinu několika způsoby:

  1. Drží dvě části proteinu pohromadě a předpíná protein směrem ke složené topologii. To znamená disulfidová vazba destabilizuje rozvinutou formu bílkoviny snížením jeho entropie.
  2. Disulfidová vazba může tvořit jádro a hydrofobní jádro složeného proteinu, tj. místní hydrofobní zbytky mohou kondenzovat kolem disulfidové vazby a na sebe navzájem prostřednictvím hydrofobní interakce.
  3. Vztahující se k 1 a 2, vazba disulfidové vazby dva segmenty proteinového řetězce, disulfidová vazba zvyšuje efektivní lokální koncentrace proteinových zbytků a snižuje efektivní lokální koncentrace molekul vody. Protože molekuly vody útočí na amid-amid Vodíkové vazby a rozejít se sekundární struktura disulfidová vazba stabilizuje sekundární strukturu ve svém okolí. Vědci například identifikovali několik párů peptidů, které jsou izolovány nestrukturovaně, ale po vytvoření disulfidové vazby mezi nimi mají stabilní sekundární a terciární strukturu.

A disulfidové druhy je konkrétní párování cysteinů v disulfidově vázaném proteinu a je obvykle znázorněno uvedením disulfidových vazeb v závorkách, např. „(26–84, 58–110) disulfidové druhy“. A disulfidový celek je seskupení všech disulfidových druhů se stejným počtem disulfidových vazeb a je obvykle označováno jako 1S soubor, 2S soubor atd. pro disulfidové druhy mající jednu, dvě atd. disulfidové vazby. Druhy (26–84) disulfidů tedy patří do souboru 1S, zatímco druhy (26–84, 58–110) patří do souboru 2S. Jediný druh bez disulfidových vazeb se obvykle označuje jako R pro „plně redukovaný“. Za typických podmínek přeskupení disulfidů je mnohem rychlejší než tvorba nových disulfidových vazeb nebo jejich redukce; proto se disulfidové druhy v souboru ekvilibrují rychleji než mezi soubory.

Nativní formou proteinu je obvykle jeden disulfidový druh, i když některé proteiny mohou v rámci své funkce cyklovat mezi několika disulfidovými stavy, např. thioredoxin. V proteinech s více než dvěma cysteiny mohou vznikat nepůvodní disulfidové druhy, které jsou téměř vždy špatně poskládány. Se zvyšujícím se počtem cysteinů se faktoriálně zvyšuje počet nepůvodních druhů.

V bakteriích a archaeách

Disulfidové vazby hrají důležitou ochrannou roli bakterie jako reverzibilní spínač, který zapíná nebo vypíná protein, když jsou vystaveny bakteriálním buňkám oxidace reakce. Peroxid vodíku (H2Ó2) by zejména mohl vážně poškodit DNA a zabít bakterie při nízkých koncentracích, pokud ne pro ochranný účinek vazby SS. Archaea obvykle mají méně disulfidů než vyšší organismy.[12]

U eukaryot

v eukaryotický buňky obecně tvoří stabilní disulfidové vazby v lumen RER (hrubé endoplazmatické retikulum) a mitochondriální mezimembránový prostor ale ne v cytosol. To je způsobeno více oxidujícím prostředím výše uvedených kompartmentů 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 významné výjimky. Například mnoho jaderných a cytosolických proteinů se může během smrti nekrotických buněk stát zesítěným disulfidem.[13] Podobně řada cytosolických proteinů, které mají cysteinové zbytky ve vzájemné blízkosti, které fungují jako oxidační senzory nebo redox katalyzátory; když redukční potenciál buňky selže, oxidují a spouštějí mechanismy buněčné odezvy. Virus Vaccinia také produkuje cytosolické proteiny a peptidy, které mají mnoho disulfidových vazeb; ačkoli důvod toho není znám, pravděpodobně mají ochranné účinky proti intracelulární proteolýze.

Disulfidové vazby se také tvoří uvnitř a mezi nimi protaminy v spermie chromatin z mnoha savčí druh.

Disulfidy v regulačních proteinech

Protože disulfidové vazby mohou být reverzibilně redukovány a reoxidovány, redoxní stav těchto vazeb se vyvinul do signálního prvku. v chloroplasty například enzymatická redukce disulfidových vazeb byla spojena s kontrolou mnoha metabolických drah a také s genovou expresí. Ukázalo se, že redukční signální aktivita je dosud přenášena systém ferredoxin thioredoxin, směrování elektronů ze světelných reakcí fotosystém I katalyticky redukovat disulfidy v regulovaných proteinech způsobem závislým na světle. Tímto způsobem chloroplasty upravují aktivitu klíčových procesů, jako je Calvin – Bensonův cyklus, škrob degradace, ATP produkce a genová exprese podle intenzity světla.

Ve vlasech a peří

Více než 90% suché hmotnosti vlasy obsahuje tzv. proteiny keratiny, které mají vysoký obsah disulfidů, z aminokyseliny cystein. Robustnost způsobená částečně disulfidovými vazbami je ilustrována obnovou prakticky neporušených vlasů ze staroegyptských hrobek. Peří mají podobné keratiny a jsou extrémně odolné vůči proteinovým trávicím enzymům. Tuhost vlasů a peří je dána obsahem disulfidu. Manipulace s disulfidovými vazbami ve vlasech je základem pro trvalá ondulace v kadeřnictví. Klíčová jsou činidla, která ovlivňují tvorbu a rozbití vazeb S-S, např. amonný thioglykolát. Vysoký obsah disulfidů v peří určuje vysoký obsah síry ve ptačích vejcích. Vysoký obsah síry ve vlasech a peří přispívá k nepříjemnému zápachu, který vzniká při spálení.

Anorganické disulfidy

Disulfid anion je S2−
2nebo −S - S−. V disulfidu síra existuje ve sníženém stavu s oxidačním číslem -1. Jeho elektronová konfigurace se potom podobá a chlór atom. Má tedy tendenci vytvářet kovalentní vazbu s dalším S− centrum tvořit S2−
2 skupina, podobná elementárnímu chloru existujícímu jako diatomic Cl2. Kyslík se mohou chovat podobně, např. v peroxidy jako je H2Ó2. Příklady:

V průmyslu

Disulfidové a (polysulfidové) vazby jsou zesíťující skupiny, které jsou výsledkem vulkanizace z guma. Analogicky k roli disulfidů v proteinech jsou vazby S-S v kaučuku síťovadla a silně ovlivňují reologie materiálu.

Související sloučeniny

CS2
MoS2

Thiosulfoxidy jsou ortogonálně izomerní s disulfidy, přičemž druhá síra se rozvětvuje od prvního a neúčastní se spojitého řetězce, tj.> S = S spíše než −S − S−.

Disulfidové vazby jsou analogické, ale běžnější než příbuzné peroxid, thioselenid, a diselenid vazby. Existují také meziprodukty těchto sloučenin, například thioperoxidy (také známé jako oxasulfidy), jako jsou thioperoxid vodíku, mají vzorec R1OSR2 (ekvivalentně R2SOR1). Jsou izomerní s sulfoxidy podobným způsobem jako výše; tj.> S = O spíše než −S − O−.

Thiuram disulfidy, se vzorcem (R.2NCSS)2, jsou disulfidy, ale chovají se zřetelně kvůli thiokarbonyl skupina.

Sloučeniny se třemi atomy síry, jako je CH3S-S-SCH3, se nazývají trisulfidy nebo trisulfidové vazby.

Nesprávná pojmenování

Disulfid se také používá k označení sloučenin, které obsahují dva sulfidy (S2−) centra. Sloučenina sirouhlík, CS2 je popsán strukturním vzorcem, tj. S = C = S. Tato molekula není disulfid v tom smyslu, že jí chybí vazba S-S. Podobně, disulfid molybdenu, MoS2„není disulfid v tom smyslu, že jeho atomy síry nejsou spojeny.

Reference

  1. ^ Cremlyn, R. J. (1996). Úvod do chemie organosíry. Chichester: John Wiley and Sons. ISBN  0-471-95512-4.
  2. ^ A b Sevier, C. S .; Kaiser, C. A. (2002). "Tvorba a přenos disulfidových vazeb v živých buňkách". Nature Reviews Molecular Cell Biology . 3 (11): 836–847. doi:10.1038 / nrm954. PMID  12415301. S2CID  2885059.
  3. ^ A b Witt, D. (2008). "Poslední vývoj ve vytváření disulfidových vazeb". Syntéza. 2008 (16): 2491–2509. doi:10.1055 / s-2008-1067188.
  4. ^ M. E. Alonso a H. Aragona (1978). "Sulfidová syntéza při přípravě nesymetrických dialkyldisulfidů: Sec-butylisopropyldisulfid". Org. Synth. 58: 147. doi:10.15227 / orgsyn.058.0147.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  5. ^ Technické informace TCEP, z Interchim
  6. ^ Gilbert, H.F. (1990). "Molekulární a buněčné aspekty výměny thiol-disulfidu". Pokroky v enzymologii a souvisejících oblastech molekulární biologie. Pokroky v enzymologii a souvisejících oblastech molekulární biologie. 63. str. 69–172. doi:10.1002 / 9780470123096.ch2. ISBN  9780470123096. PMID  2407068.
  7. ^ Gilbert, H.F. (1995). "Thiol / disulfidové výměnné rovnováhy a stabilita disulfidové vazby". Biothioly, část A: Monothioly a dithioly, proteinové thioly a thiyl radikály. Metody v enzymologii. 251. s. 8–28. doi:10.1016/0076-6879(95)51107-5. ISBN  9780121821524. PMID  7651233.
  8. ^ Například převod di-Ó-nitrofenyldisulfid na Ó-nitrofenylsulfur chlorid Hubacher, Max H. (1935). "Ó-Nitrofenylsulfur Chlorid “. Organické syntézy. 15: 45. doi:10.15227 / orgsyn.015.00452.
  9. ^ Methylsulfenylchlorid: Douglass, Irwin B .; Norton, Richard V. (1960). "Methansulfinylchlorid". Organické syntézy. 40: 62. doi:10.15227 / orgsyn.040.0062.
  10. ^ Hatahet, F .; Nguyen, V. D .; Salo, K. E .; Ruddock, L. W. (2010). „Narušení redukčních drah není nezbytné pro efektivní tvorbu disulfidové vazby v cytoplazmě E-coli". Továrny na mikrobiální buňky. 9 (67): 67. doi:10.1186/1475-2859-9-67. PMC  2946281. PMID  20836848.
  11. ^ Ruoppolo, M .; Vinci, F .; Klink, T. A .; Raines, R. T .; Marino, G. (2000). "Příspěvek jednotlivých disulfidových vazeb k oxidačnímu skládání ribonukleázy A". Biochemie. 39 (39): 12033–12042. doi:10.1021 / bi001044n. PMID  11009618.
  12. ^ Ladenstein, R .; Ren, B. (2008). „Přehodnocení raného dogmatu, rčení„ neexistují důkazy o disulfidových vazbách v bílkovinách z archea"". Extremophiles. 12 (1): 29–38. doi:10.1007 / s00792-007-0076-z. PMID  17508126. S2CID  11491989.
  13. ^ Samson, Andre L .; Knaupp, Anja S .; Sashindranath, Maithili; Borg, Rachael J .; Au, Amanda E.-L .; Policajti, Elisa J .; Saunders, Helen M .; Cody, Stephen H .; McLean, Catriona A. (2012-10-25). „Nukleocytoplazmatická koagulace: agregační událost vyvolaná poškozením, která disulfid zesíťuje proteiny a usnadňuje jejich odstranění plazminem“. Zprávy buněk. 2 (4): 889–901. doi:10.1016 / j.celrep.2012.08.026. ISSN  2211-1247. PMID  23041318.

Další čtení

externí odkazy

  • Média související s Disulfidy na Wikimedia Commons