Disulfid - Disulfide

In der Biochemie bezeichnet ein Disulfid eine funktionelle Gruppe mit der Struktur R− S−S− R′. Die Bindung wird auch als SS-Bindung oder manchmal als Disulfidbrücke bezeichnet und wird normalerweise durch die Kopplung zweier Thiolgruppen abgeleitet . In der Biologie sind Disulfidbrücken, die zwischen Thiolgruppen in zwei Cysteinresten gebildet werden, ein wichtiger Bestandteil der Sekundär- und Tertiärstruktur von Proteinen . Persulfid bezieht sich normalerweise auf R-S-S-H-Verbindungen.

In der anorganischen Chemie bezieht sich Disulfid normalerweise auf das entsprechende Anion S2−
2
( S−S ).

Organische Disulfide

Eine Auswahl an Disulfiden
FeS 2 , "Narrengold"
S 2 Cl 2 , eine gängige Industriechemikalie
Cystin , Crosslinker in vielen Proteinen
Liponsäure , ein Vitamin
Ph 2 S 2 , ein übliches organisches Disulfid

Symmetrische Disulfide sind Verbindungen der Formel R 2 S 2 . Die meisten Disulfide, die in der Organoschwefelchemie vorkommen, sind symmetrische Disulfide. Unsymmetrische Disulfide (auch Heterodisulfide genannt ) sind Verbindungen der Formel RSSR'. Sie sind in der organischen Chemie weniger verbreitet, aber die meisten Disulfide in der Natur sind unsymmetrisch.

Eigenschaften

Die Disulfidbindungen sind stark, mit einer typischen Bindungsdissoziationsenergie von 60 kcal/mol (251 kJ mol −1 ). Da sie jedoch etwa 40 % schwächer als C‐C‐ und C‐H‐Bindungen ist , ist die Disulfidbrücke in vielen Molekülen oft das „schwache Glied“. Darüber hinaus ist die S‐S‐Bindung aufgrund der Polarisierbarkeit von zweiwertigem Schwefel anfällig für eine Spaltung durch polare Reagentien, sowohl Elektrophile als auch insbesondere Nukleophile (Nu):

RS−SR + Nu → RS−Nu + RS

Die Disulfidbindung ist etwa 2,05  Å in der Länge, etwa 0,5 Å länger als eine C-C - Bindung. Die Drehung um die S−S-Achse unterliegt einer geringen Barriere. Disulfide zeigen eine deutliche Präferenz für Diederwinkel nahe 90°. Nähert sich der Winkel 0° oder 180°, dann ist das Disulfid ein deutlich besseres Oxidationsmittel.

Disulfide, bei denen die beiden R-Gruppen gleich sind, werden als symmetrisch bezeichnet, Beispiele sind Diphenyldisulfid und Dimethyldisulfid . Wenn die beiden R-Gruppen nicht identisch sind, wird die Verbindung als asymmetrisches oder gemischtes Disulfid bezeichnet.

Obwohl die Hydrierung von Disulfiden normalerweise nicht praktikabel ist, liefert die Gleichgewichtskonstante der Reaktion ein Maß für das Standard-Redoxpotential für Disulfide:

RSSR + H 2 → 2 RSH

Dieser Wert beträgt etwa −250 mV gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode (pH = 7). Im Vergleich dazu beträgt das Standard-Reduktionspotential für Ferrodoxine etwa –430 mV.

Synthese

Disulfidbrücken werden normalerweise durch die Oxidation von Sulfhydryl(−SH)-Gruppen gebildet , insbesondere in biologischen Zusammenhängen. Die Transformation wird wie folgt dargestellt:

2 RSH ⇌ RS−SR + 2 H + + 2 e

An dieser Reaktion nehmen verschiedene Oxidationsmittel teil, einschließlich Sauerstoff und Wasserstoffperoxid . Es wird angenommen, dass solche Reaktionen über Sulfensäure- Zwischenstufen ablaufen . Im Labor wird üblicherweise Jod in Gegenwart einer Base verwendet, um Thiole zu Disulfiden zu oxidieren. Mehrere Metalle wie Kupfer(II)- und Eisen(III) -Komplexe beeinflussen diese Reaktion. Alternativ werden Disulfidbrücken in Proteinen oft durch Thiol-Disulfid-Austausch gebildet :

RS−SR + R′SH ⇌ R′S−SR + RSH

Solche Reaktionen werden in einigen Fällen durch Enzyme vermittelt und stehen in anderen Fällen unter Gleichgewichtskontrolle, insbesondere in Gegenwart einer katalytischen Menge an Base.

Die Alkylierung von Alkalimetalldi- und -polysulfiden liefert Disulfide. "Thiokol"-Polymere entstehen, wenn Natriumpolysulfid mit einem Alkyldihalogenid behandelt wird. Bei der umgekehrten Reaktion reagieren carbanionische Reagenzien mit elementarem Schwefel, um Mischungen aus Thioether, Disulfid und höheren Polysulfiden zu ergeben. Diese Reaktionen sind oft unselektiv, können aber für spezifische Anwendungen optimiert werden.

Synthese unsymmetrischer Disulfide (Heterodisulfide)

Zur Bildung unsymmetrischer Disulfide wurden viele spezialisierte Verfahren entwickelt. Reagenzien, die das Äquivalent von "RS + " liefern, reagieren mit Thiolen zu asymmetrischen Disulfiden:

RSH + R′SNR″ 2 → RS−SR′ + HNR″ 2

wobei R″ 2 N die Phthalimidogruppe ist. Bunte Salze , Derivate vom Typ RSSO 3 Na + werden auch zur Erzeugung unsymmetrischer Disulfide verwendet: Na[O 3 S 2 R] + NaSR' → RSSR' + Na 2 SO 3

Reaktionen

Der wichtigste Aspekt von Disulfidbindungen ist ihre Spaltung, die durch Reduktion erfolgt. Eine Vielzahl von Reduktionsmitteln kann verwendet werden. In der Biochemie dienen Thiole wie β- Mercaptoethanol (β-ME) oder Dithiothreitol (DTT) als Reduktionsmittel; die Thiolreagenzien werden im Überschuss verwendet, um das Gleichgewicht nach rechts zu treiben:

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

Das Reduktionsmittel Tris(2-carboxyethyl)phosphin (TCEP) ist im Vergleich zu β-ME und DTT geruchlos, da es selektiv ist, sowohl unter alkalischen als auch sauren Bedingungen arbeitet (im Gegensatz zu DTT), hydrophiler und widerstandsfähiger gegen Oxidation an der Luft. Darüber hinaus ist es häufig nicht erforderlich, TCEP vor der Modifizierung von Proteinthiolen zu entfernen.

In der organischen Synthese werden typischerweise Hydridagenzien zur Spaltung von Disulfiden, wie Natriumborhydrid, verwendet . Aggressivere Alkalimetalle bewirken diese Reaktion:

RS−SR + 2 Na → 2 NaSR

Auf diese Reaktionen folgt oft die Protonierung des resultierenden Metallthiolats:

NaSR + HCl → HSR + NaCl

Thiol-Disulfid-Austausch ist eine chemische Reaktion, bei der eine Thiolatgruppe –S ein Schwefelatom einer Disulfidbindung –S–S– angreift . Die ursprüngliche Disulfidbindung wird gebrochen und das andere Schwefelatom wird als neues Thiolat freigesetzt, das die negative Ladung abtransportiert. Währenddessen bildet sich zwischen dem angreifenden Thiolat und dem ursprünglichen Schwefelatom eine neue Disulfidbrücke.

Thiol-Disulfid-Austausch zeigt das lineare Intermediat, bei dem die Ladung auf die drei Schwefelatome verteilt ist. Die Thiolatgruppe (rot dargestellt) greift ein Schwefelatom (blau dargestellt) der Disulfidbindung an, verdrängt das andere Schwefelatom (grün dargestellt) und bildet eine neue Disulfidbindung.

Thiolate, nicht Thiole, greifen Disulfidbrücken an. Daher wird der Thiol-Disulfid-Austausch bei niedrigen pH-Werten (typischerweise unter 8) gehemmt , wo die protonierte Thiolform gegenüber der deprotonierten Thiolatform bevorzugt wird. (Der p K a einer typischen Thiolgruppe beträgt ungefähr 8,3, kann jedoch aufgrund ihrer Umgebung variieren.)

Der Thiol-Disulfid-Austausch ist die Hauptreaktion, bei der Disulfidbrücken in einem Protein gebildet und umgelagert werden . Die Umlagerung von Disulfidbrücken innerhalb eines Proteins erfolgt im Allgemeinen über Intra-Protein-Thiol-Disulfid-Austauschreaktionen; eine Thiolatgruppe eines Cysteinrestes greift eine der proteineigenen Disulfidbrücken an. Dieser Prozess der Disulfid-Umlagerung (bekannt als Disulfid-Shuffling ) ändert nicht die Anzahl der Disulfidbindungen innerhalb eines Proteins, sondern lediglich ihre Position (dh welche Cysteine ​​gebunden sind). Die Umordnung von Disulfiden ist im Allgemeinen viel schneller als Oxidations-/Reduktionsreaktionen, die die Anzahl der Disulfidbrücken innerhalb eines Proteins ändern. Die Oxidation und Reduktion von Proteindisulfidbrücken erfolgt in vitro im Allgemeinen auch über Thiol-Disulfid-Austauschreaktionen. Typischerweise greift das Thiolat eines Redoxreagens, wie Glutathion oder Dithiothreitol, die Disulfidbindung an einem Protein an und bildet eine gemischte Disulfidbindung zwischen dem Protein und dem Reagens. Diese gemischte Disulfidbindung lässt das Cystein oxidiert, wenn es von einem anderen Thiolat aus dem Reagens angegriffen wird. Tatsächlich wird die Disulfidbindung in zwei Schritten vom Protein auf das Reagens übertragen, beides Thiol-Disulfid-Austauschreaktionen.

Die In-vivo- Oxidation und Reduktion von Proteindisulfidbrücken durch Thiol-Disulfid-Austausch wird durch ein Protein namens Thioredoxin erleichtert . Dieses kleine Protein, das in allen bekannten Organismen essentiell ist, enthält zwei Cystein-Aminosäurereste in einer vicinalen Anordnung (dh nebeneinander), wodurch es eine interne Disulfidbindung oder Disulfidbindungen mit anderen Proteinen bilden kann. Als solches kann es als Speicher für reduzierte oder oxidierte Disulfidbindungseinheiten verwendet werden.

Für Disulfide wurden viele spezialisierte organische Reaktionen entwickelt, die wiederum hauptsächlich mit der Spaltung der S‐S‐Bindung verbunden sind, die normalerweise die schwächste Bindung in einem Molekül ist. Bei den Zincke-Disulfid-Spaltungsreaktionen werden Disulfide durch Halogene gespalten. Diese Reaktion ergibt ein Sulfenylhalogenid :

ArSSAr + Cl 2 → 2 ArSCl

Vorkommen in der Biologie

Schema der Disulfidbindungen, die Regionen eines Proteins vernetzen

Vorkommen in Proteinen

Disulfidbindungen können unter oxidierenden Bedingungen gebildet werden und spielen eine wichtige Rolle bei der Faltung und Stabilität einiger Proteine, normalerweise Proteine, die in das extrazelluläre Medium sezerniert werden. Da die meisten zellulären Kompartimente reduzierende Umgebungen sind , sind Disulfidbindungen im Allgemeinen im Cytosol instabil , mit einigen Ausnahmen, wie unten angegeben, es sei denn, eine Sulfhydryloxidase ist vorhanden.

Cystin besteht aus zwei Cysteinen, die durch eine Disulfidbindung verbunden sind (hier in seiner neutralen Form gezeigt).

Disulfidbrücken in Proteinen werden zwischen den Thiolgruppen von Cysteinresten durch den Prozess der oxidativen Faltung gebildet . Die andere schwefelhaltige Aminosäure Methionin kann keine Disulfidbrücken bilden. Eine Disulfidbrücke ist in der Regel gekennzeichnet durch die Abkürzungen für Cystein Silbentrennung, zum Beispiel , wenn es um eine Ribonuklease die „Cys26-Cys84 Disulfidbrücke“ oder die „26-84 Disulfidbrücke“, oder am einfachsten als „C26-C84“ , wo die Disulfidbindung ist selbstverständlich und braucht nicht erwähnt zu werden. Der Prototyp einer Protein-Disulfid-Bindung ist das Zwei-Aminosäuren-Peptid Cystin , das aus zwei Cystein- Aminosäuren besteht, die durch eine Disulfid-Bindung verbunden sind. Die Struktur einer Disulfidbrücke kann durch ihren χ ss Diederwinkel zwischen den C β −S γ −S γ −C β Atomen beschrieben werden, der normalerweise nahe ±90° liegt.

Die Disulfidbindung stabilisiert die gefaltete Form eines Proteins auf verschiedene Weise:

  1. Es hält zwei Teile des Proteins zusammen und lenkt das Protein in Richtung der gefalteten Topologie. Das heißt, die Disulfidbindung destabilisiert die ungefaltete Form des Proteins, indem sie seine Entropie senkt .
  2. Die Disulfidbindung kann den Kern eines hydrophoben Kerns des gefalteten Proteins bilden, dh lokale hydrophobe Reste können durch hydrophobe Wechselwirkungen um die Disulfidbindung und aneinander kondensieren .
  3. Bezogen auf 1 und 2 ist die Disulfidbindung verknüpft zwei Segmente der Proteinkette, erhöht die wirksame lokale Konzentration von Proteinresten und senkt die wirksame lokale Konzentration an Wassermolekülen. Da Wassermoleküle Amid-Amid- Wasserstoffbrückenbindungen angreifen und die Sekundärstruktur aufbrechen , stabilisiert eine Disulfidbindung die Sekundärstruktur in ihrer Umgebung. Forscher haben beispielsweise mehrere Peptidpaare identifiziert, die isoliert unstrukturiert sind, aber bei Bildung einer Disulfidbindung zwischen ihnen eine stabile Sekundär- und Tertiärstruktur annehmen.

Eine Disulfid-Spezies ist eine besondere Paarung von Cysteinen in einem Disulfid-gebundenen Protein und wird normalerweise durch Auflisten der Disulfid-Bindungen in Klammern dargestellt, z. B. die "(26–84, 58–110) Disulfid-Spezies". Ein Disulfid-Ensemble ist eine Gruppierung aller Disulfid-Spezies mit der gleichen Anzahl von Disulfidbindungen und wird normalerweise als 1S-Ensemble, 2S-Ensemble usw. für Disulfid-Spezies mit einer, zwei usw. Disulfidbindungen bezeichnet. So gehört die (26–84)-Disulfid-Spezies zum 1S-Ensemble, während die (26–84, 58–110)-Spezies zum 2S-Ensemble gehört. Die einzelne Spezies ohne Disulfidbindungen wird normalerweise als R für "vollständig reduziert" bezeichnet. Unter typischen Bedingungen erfolgt die Disulfid-Umordnung viel schneller als die Bildung neuer Disulfidbindungen oder deren Reduktion; daher äquilibrieren die Disulfidspezies innerhalb eines Ensembles schneller als zwischen Ensembles.

Die native Form eines Proteins ist normalerweise eine einzelne Disulfidspezies, obwohl einige Proteine ​​als Teil ihrer Funktion zwischen einigen wenigen Disulfidzuständen zirkulieren können, zB Thioredoxin . In Proteinen mit mehr als zwei Cysteinen können nicht-native Disulfid-Spezies gebildet werden, die fast immer fehlgefaltet sind. Mit steigender Anzahl an Cysteinen nimmt die Anzahl nicht-nativer Spezies faktoriell zu.

Bei Bakterien und Archaeen

Disulfidbrücken spielen eine wichtige Schutzfunktion für Bakterien als reversibler Schalter, der ein Protein ein- oder ausschaltet, wenn Bakterienzellen Oxidationsreaktionen ausgesetzt sind . Insbesondere Wasserstoffperoxid ( H 2 O 2 ) könnte ohne die schützende Wirkung der SS-Bindung in geringen Konzentrationen die DNA schwer schädigen und das Bakterium abtöten . Archaea haben typischerweise weniger Disulfide als höhere Organismen.

Bei Eukaryoten

In eukaryotischen Zellen werden im Allgemeinen stabile Disulfidbrücken im Lumen des RER (raues endoplasmatisches Retikulum) und im mitochondrialen Intermembranraum, jedoch nicht im Zytosol gebildet . Dies liegt an der stärker oxidierenden Umgebung der oben genannten Kompartimente und der stärker reduzierenden Umgebung des Zytosols (siehe Glutathion ). Disulfidbindungen werden daher hauptsächlich in sekretorischen Proteinen, lysosomalen Proteinen und den exoplasmatischen Domänen von Membranproteinen gefunden.

Es gibt bemerkenswerte Ausnahmen von dieser Regel. Zum Beispiel können viele nukleäre und zytosolische Proteine ​​während des nekrotischen Zelltods disulfidvernetzt werden. In ähnlicher Weise eine Reihe von cytosolischen Proteinen, die Cysteinreste in unmittelbarer Nähe zueinander aufweisen, die als Oxidationssensoren oder Redoxkatalysatoren fungieren ; Wenn das Reduktionspotential der Zelle versagt, oxidieren sie und lösen zelluläre Reaktionsmechanismen aus. Das Virus Vaccinia produziert auch zytosolische Proteine ​​und Peptide, die viele Disulfidbrücken aufweisen; obwohl der Grund dafür unbekannt ist, haben sie vermutlich Schutzwirkungen gegen die intrazelluläre Proteolysemaschinerie.

Disulfidbindungen sind ebenfalls innerhalb und zwischen den gebildeten Protamine im Spermium Chromatin vieler Säugetierarten.

Disulfide in regulatorischen Proteinen

Da Disulfidbrücken reversibel reduziert und reoxidiert werden können, hat sich der Redoxzustand dieser Bindungen zu einem Signalelement entwickelt. In Chloroplasten beispielsweise wurde die enzymatische Reduktion von Disulfidbrücken mit der Kontrolle zahlreicher Stoffwechselwege sowie der Genexpression in Verbindung gebracht. Bisher wurde gezeigt, dass die reduktive Signalaktivität vom Ferredoxin-Thioredoxin-System getragen wird, das Elektronen aus den Lichtreaktionen des Photosystems I leitet, um Disulfide in regulierten Proteinen lichtabhängig katalytisch zu reduzieren. Auf diese Weise regulieren Chloroplasten die Aktivität von Schlüsselprozessen wie dem Calvin-Benson-Zyklus , dem Stärkeabbau , der ATP- Produktion und der Genexpression entsprechend der Lichtintensität. Darüber hinaus wurde berichtet, dass Disulfide eine bedeutende Rolle bei der Regulierung des Redoxzustands von Zweikomponentensystemen (TCSs) spielen, die in bestimmten Bakterien, einschließlich photogenen Stämmen, gefunden werden können. Eine einzigartige intramolekulare Cystein-Disulfid-Bindung in der ATP-Bindungsdomäne von SrrAB-TCs in Staphylococcus aureus ist ein gutes Beispiel für Disulfide in regulatorischen Proteinen, bei denen der Redoxzustand des SrrB-Moleküls durch Cystein-Disulfid-Bindungen kontrolliert wird, was zur Modifikation der SrrA-Aktivität führt einschließlich Genregulation.

In Haaren und Federn

Über 90 % des Trockengewichts der Haare bestehen aus Proteinen, den sogenannten Keratinen , die einen hohen Disulfidgehalt aufweisen, aus der Aminosäure Cystein. Die zum Teil durch Disulfidbindungen verliehene Robustheit wird durch die Gewinnung von praktisch intaktem Haar aus altägyptischen Gräbern veranschaulicht. Federn haben ähnliche Keratine und sind extrem resistent gegen Protein-Verdauungsenzyme. Die Steifheit von Haaren und Federn wird durch den Disulfidgehalt bestimmt. Die Manipulation von Disulfidbrücken im Haar ist die Grundlage für die Dauerwelle beim Hairstyling. Reagenzien, die das Knüpfen und Brechen von S-S-Bindungen beeinflussen, sind der Schlüssel, zB Ammoniumthioglycolat . Der hohe Disulfidgehalt von Federn bestimmt den hohen Schwefelgehalt von Vogeleiern. Der hohe Schwefelgehalt von Haaren und Federn trägt zu dem unangenehmen Geruch bei, der beim Verbrennen entsteht.

Anorganische Disulfide

Das Disulfid- Anion ist S2−
2
, oder S−S . In Disulfid liegt Schwefel im reduzierten Zustand mit der Oxidationszahl -1 vor. Seine Elektronenkonfiguration ähnelt dann der eines Chloratoms . Es neigt daher dazu, eine kovalente Bindung mit einem anderen S Zentrum einzugehen, um S . zu bilden2−
2
Gruppe, ähnlich dem elementaren Chlor, das als zweiatomiges Cl 2 existiert . Ähnlich kann sich auch Sauerstoff verhalten, zB in Peroxiden wie H 2 O 2 . Beispiele:

In der Industrie

Disulfid- und (Polysulfid-)Bindungen sind die vernetzenden Gruppen, die bei der Vulkanisation von Kautschuk entstehen . In Analogie zur Rolle von Disulfiden in Proteinen sind die S‐S‐Bindungen in Kautschuk Vernetzer und beeinflussen stark die Rheologie des Materials.

Verwandte Verbindungen

CS 2
MoS 2

Thiosulfoxide sind zu Disulfiden orthogonal isomer, wobei der zweite Schwefel vom ersten abzweigt und nicht an einer kontinuierlichen Kette teilnimmt, dh >S=S statt -S−S−.

Disulfidbindungen sind analog, aber häufiger als verwandte Peroxid- , Thioselenid- und Diselenidbindungen . Es existieren auch Zwischenverbindungen davon, beispielsweise Thioperoxide (auch als Oxasulfide bekannt) wie Hydrogenthioperoxid haben die Formel R 1 OSR 2 (entspricht R 2 SOR 1 ). Diese sind in ähnlicher Weise wie oben zu Sulfoxiden isomer ; dh >S=O statt −S−O−.

Thiuramdisulfide mit der Formel (R 2 NCSS) 2 sind Disulfide, verhalten sich jedoch aufgrund der Thiocarbonylgruppe deutlich .

Verbindungen mit drei Schwefelatomen wie CH 3 S−S−SCH 3 werden als Trisulfide oder Trisulfidbindungen bezeichnet.

Fehlbezeichnungen

Disulfid wird auch verwendet, um Verbindungen zu bezeichnen, die zwei Sulfid-(S 2– )-Zentren enthalten. Die Verbindung Schwefelkohlenstoff , CS 2 wird mit der Strukturformel S=C=S beschrieben. Dieses Molekül ist kein Disulfid in dem Sinne, dass ihm eine SS-Bindung fehlt. Ebenso ist Molybdändisulfid , MoS 2 , kein Disulfid in dem Sinne, dass seine Schwefelatome nicht verknüpft sind.

Verweise

Weiterlesen

Externe Links

  • Medien im Zusammenhang mit Disulfiden bei Wikimedia Commons