disulfuro - Disulfide


De Wikipedia, la enciclopedia libre

En química , un disulfuro se refiere a un grupo funcional con la estructura R- S-S -R '. La unión también se denomina SS-bond o, a veces un puente disulfuro y por lo general se obtiene mediante el acoplamiento de dos tiol grupos. La conexión es una persulfide , en analogía con su congénere , peróxido de (R-O-O-R '), pero esta terminología se utiliza muy poco, excepto en referencia a hydrodisulfides (compuestos R-S-S-H).

En química inorgánica disulfuro por lo general se refiere a la correspondiente anión S 2-
2
( - S-S - ), por ejemplo en dicloruro de disulfuro .

disulfuros orgánicos

Una selección de disulfuros
Pirita-unidad de pilas-3D-balls.png
Disulfuro-dicloruro-3D-balls.png
Cistina-3D-balls.png
Lipoico-ácido-3D-balls.png
Difenil-disulfuro-from-xtal-3D-balls.png
FeS 2 ,
"oro de los tontos"
S 2 Cl 2 ,
un producto químico industrial común
cistina ,
agente de reticulación en muchas proteínas
ácido lipoico ,
una vitamina
Ph 2 S 2 ,
un disulfuro orgánico común

Disulfuros simétricos son compuestos de la fórmula R 2 S 2 . La mayoría de los disulfuros encontradas en la química del azufre orgánico son disulfuros simétricos. Disulfuros asimétricos (también llamados heterodisulfides ) son compuestos de la fórmula RSSR'. Son menos comunes en la química orgánica, pero la mayoría de disulfuros en la naturaleza son asimétricos.

propiedades

Los enlaces disulfuro son fuertes, con un típico energía de disociación de enlace de 60 kcal / mol (251 kJ mol -1 ). Sin embargo, siendo aproximadamente un 40% más débil que C-C y enlaces C-H , el enlace disulfuro es a menudo el "eslabón débil" en muchas moléculas. Además, lo que refleja la polarizabilidad de azufre divalente, el enlace S-S es susceptible a la escisión por reactivos polares, tanto electrófilos y especialmente nucleófilos (Nu):

RS-SR + Nu - → RS-Nu + RS -

El enlace disulfuro es de aproximadamente 2,05  Å de longitud, aproximadamente 0,5 Å más largo que un enlace C-C. La rotación alrededor del eje S-S está sujeta a una barrera baja. Disulfuros muestran una clara preferencia por los ángulos diedros se acercan a 90 °. Cuando el ángulo se aproxima a 0 ° o 180 °, entonces el disulfuro es una significativamente mejor oxidante.

Disulfuros donde los dos grupos R son el mismo se denominan simétrica, siendo ejemplos disulfuro de difenilo y disulfuro de dimetilo . Cuando los dos grupos R no son idénticos, se dice que el compuesto es un disulfuro asimétrico o mixta.

Aunque la hidrogenación de disulfuros no suele ser práctico, la constante de equilibrio para la reacción proporciona una medida del potencial redox estándar para disulfuros:

RSSR + H 2 → 2 RSH

Este valor es de aproximadamente -250 mV frente al electrodo normal de hidrógeno (pH = 7). En comparación, el potencial de reducción estándar para ferrodoxins es de aproximadamente -430 mV.

Síntesis

Los enlaces disulfuro se forman generalmente a partir de la oxidación de grupos sulfhidrilo (-SH) , especialmente en contextos biológicos. La transformación se representa como sigue:

2 RSH ⇌ RS-SR + 2 H + + 2 e -

Una variedad de oxidantes participan en esta reacción incluyendo oxígeno y peróxido de hidrógeno . Se cree que estas reacciones para proceder a través de ácido sulfénico intermedios. En el laboratorio, yodo en presencia de base se emplea comúnmente para oxidar los tioles a disulfuros. Varios metales, como el cobre (II) y (III) de hierro complejos afectan a esta reacción. Alternativamente, los enlaces disulfuro en las proteínas a menudo se forman por intercambio de tiol-disulfuro :

RS-SR + R'SH ⇌ erres-SR + RSH

Tales reacciones están mediadas por enzimas en algunos casos y en otros casos están bajo el control de equilibrio, especialmente en presencia de una cantidad catalítica de base.

La alquilación de di- metal alcalino y polisulfuros da disulfuros. Surgen polímeros "Thiokol" cuando polisulfuro de sodio se trata con un dihaluro de alquilo. En la reacción inversa, los reactivos carbaniónico reaccionan con azufre elemental para producir mezclas de tioéter, disulfuro, y polisulfuros superiores. Estas reacciones son a menudo no selectivo, pero se pueden optimizar para aplicaciones específicas.

Síntesis de disulfuros asimétricos (heterodisulfides)

Muchos métodos especializados se han desarrollado para la formación de disulfuros asimétricos. Los reactivos que proporcionan el equivalente de "RS + " reaccionan con tioles para dar disulfuros asimétricos:

RSH + R'SNR " 2 → RS-SR '+ HNR" 2

donde R " 2 N es el ftalimido grupo. Sales de Bunte , derivados del tipo RSSO 3 - Na + también se utilizan para generar disulfuros asimétricos: Na [O 3 S 2 R] + NaSR '→ RSSR' + Na 2 SO 3

reacciones

El aspecto más importante de enlaces disulfuro es su escisión, que se produce a través de la reducción. Una variedad de agentes reductores se puede usar. En bioquímica, tioles tales como β- mercaptoetanol (β-ME) o ditiotreitol (DTT) sirven como reductores; los reactivos de tiol se utilizan en exceso para conducir el equilibrio hacia la derecha:

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

El reductor tris (2-carboxietil) fosfina (TCEP) es útil, además de ser inodoro en comparación con ß-ME y DTT, debido a que es selectiva, trabajando en tanto alcalina y condiciones ácidas (a diferencia de DTT), es más hidrófilo y más resistente a oxidación en aire. Además, a menudo no se necesita para eliminar el TCEP antes de la modificación de tioles de proteínas.

En la síntesis orgánica, agentes de hidruro se emplean típicamente para la escisión de los disulfuros, tales como borohidruro de sodio . Metales más agresivo, alcalinos serán efectuar esta reacción:

RS-SR + 2 Na → 2 NaSR

Estas reacciones a menudo son seguidas por la protonación del tiolato de metal resultante:

NaSR + HCl → HSR + NaCl

Intercambio de tiol-disulfuro es una reacción química en la que un tiolato -S grupo - ataques un azufre átomo de un enlace disulfuro -S-S-. El enlace disulfuro original es rota, y su otro átomo de azufre (átomo de verde en la Figura 1) se libera como un nuevo tiolato, llevándose la carga negativa. Mientras tanto, se forma un nuevo enlace disulfuro entre el tiolato ataca (átomo de rojo en la Figura 1) y el átomo de azufre original (átomo de azul en la Figura 1).

Figura 1. intercambio de tiol-disulfuro que muestra el intermedio lineal en el que la carga se comparte entre los tres átomos de azufre. El grupo tiolato (mostrado en rojo) ataca a un átomo de azufre (que se muestra en azul) del enlace disulfuro, desplazando el otro átomo de azufre (en verde) y la formación de un nuevo enlace disulfuro.

Tiolatos, no tioles, bonos ataque disulfuro. Por lo tanto, el intercambio de tiol-disulfuro se inhibe a un bajo pH (por lo general, por debajo de 8) donde la forma tiol protonada se ve favorecida con respecto a la forma tiolato desprotonada. (El p K una de un grupo tiol típico es aproximadamente 8,3, pero puede variar debido a su medio ambiente.)

Intercambio de tiol-disulfuro es la reacción principal por el cual se forman y se reordenan en una enlaces disulfuro de proteína . La reordenación de los enlaces disulfuro dentro de una proteína generalmente se produce a través de reacciones de intercambio de tiol-disulfuro intra-proteína; un grupo tiolato de una cisteína ataques de residuos uno de los enlaces disulfuro propios de la proteína. Este proceso de reordenación de disulfuro (conocido como disulfuro de barajado ) no cambia el número de enlaces disulfuro dentro de una proteína, simplemente su ubicación (es decir, que las cisteínas están unidos). Disulfuro reorganización es generalmente mucho más rápido que las reacciones de oxidación / reducción, que cambian el número de enlaces disulfuro dentro de una proteína. La oxidación y la reducción de los enlaces disulfuro de proteínas in vitro también se produce generalmente a través de reacciones de intercambio de tiol-disulfuro. Típicamente, el tiolato de un reactivo redox tal como glutatión o ditiotreitol ataques el enlace disulfuro en una proteína que forma un enlace disulfuro mixto entre la proteína y el reactivo. Este enlace disulfuro mixto cuando atacado por otro tiolato del reactivo, deja la cisteína oxidada. En efecto, el enlace disulfuro se transfiere de la proteína al reactivo en dos etapas, ambas reacciones de intercambio de tiol-disulfuro.

La in vivo oxidación y la reducción de los enlaces disulfuro de proteínas por intercambio de tiol-disulfuro se ve facilitada por una proteína llamada tiorredoxina . Esta pequeña proteína, esencial en todos los organismos conocidos, contiene dos residuos de aminoácidos de cisteína en un vicinal disposición (es decir, uno junto al otro), que le permite formar un enlace disulfuro interno, o enlaces disulfuro con otras proteínas. Como tal, puede ser utilizado como un repositorio de restos de enlace disulfuro reducidos u oxidados.

Muchos especializados reacciones orgánicas se han desarrollado para disulfuros, de nuevo asociado principalmente con la escisión del enlace S-S, que es generalmente el enlace más débil en una molécula. En las reacciones de escisión de disulfuro Zincke , disulfuros se escinden para dar un haluro de sulfenilo por reacción con bromo o cloro .

Figura 2. Los enlaces disulfuro (presentación esquemática) en una proteína.

Ocurrencia en proteínas

Los enlaces disulfuro juegan un papel importante en el plegamiento y la estabilidad de algunas proteínas, por lo general las proteínas secretadas al medio extracelular. Como la mayoría de los compartimentos celulares están ambientes reductores , en general, los enlaces disulfuro son inestables en el citosol , con algunas excepciones como se indica a continuación, a menos que un sulfhidrilo oxidasa está presente.

Figura 3. La cistina se compone de dos cisteínas unidas por un enlace disulfuro (que se muestra aquí en su forma neutra).

Los enlaces disulfuro en las proteínas se forman entre las tiol grupos de cisteína residuos por el proceso de plegamiento oxidativo . El otro aminoácido, que contiene azufre, metionina , no puede formar enlaces disulfuro. Un enlace disulfuro está típicamente denota por separación silábica las abreviaturas de cisteína, por ejemplo, cuando se refiere a ribonucleasa A la "Cys26-Cys84 enlace disulfuro", o la "26-84 enlace disulfuro", o más simplemente como "C26-C84", donde el enlace disulfuro se entiende y no necesita ser mencionado. El prototipo de un enlace disulfuro de proteínas es el péptido de dos aminoácidos cistina , que se compone de dos cisteína aminoácidos unidos por un enlace disulfuro (que se muestra en la Figura 3 en su forma no ionizada). La estructura de un enlace disulfuro puede ser descrita por su χ ss ángulo diedro entre los C beta -S gamma -S gamma -C beta átomos, que es por lo general cerca de ± 90 °.

El enlace disulfuro estabiliza la forma plegada de una proteína de varias maneras:

  1. Se lleva a cabo dos porciones de la proteína juntos, sesgar la proteína hacia la topología de plegado. Esto es, el enlace disulfuro desestabiliza la forma desplegada de la proteína mediante la reducción de su entropía .
  2. El enlace disulfuro se puede formar el núcleo de un núcleo hidrófobo de la proteína plegada, es decir, residuos hidrófobos locales pueden condensarse alrededor del enlace disulfuro y uno sobre el otro a través de interacciones hidrófobas .
  3. Relacionado con 1 y 2, el enlace de enlace disulfuro dos segmentos de la cadena de proteína, el enlace disulfuro aumenta la concentración local eficaz de los residuos de proteínas y disminuye la concentración local eficaz de moléculas de agua. Dado que las moléculas de agua atacan amida-amida de enlaces de hidrógeno y rompen la estructura secundaria , un enlace disulfuro estabiliza la estructura secundaria en sus proximidades. Por ejemplo, los investigadores han identificado varios pares de péptidos que son no estructurados de forma aislada, pero adoptar estructura secundaria y terciaria estable sobre la formación de un enlace disulfuro entre ellos.

A especies disulfuro es un emparejamiento particular de cisteínas en una proteína unido por disulfuro y por lo general se representa por una lista de los enlaces disulfuro en paréntesis, por ejemplo, los "(26-84, 58-110) especies disulfuro". Un conjunto de disulfuro es una agrupación de todas las especies de disulfuro con el mismo número de enlaces disulfuro, y por lo general se denota como el conjunto 1S, el conjunto 2S, etc. para especies disulfuro que tienen uno, dos, etc. enlaces disulfuro. Por lo tanto, la especie (26-84) disulfuro pertenece al conjunto 1S, mientras que los (26-84, 58-110) especie pertenece al conjunto 2S. Las especies individuales con no hay enlaces disulfuro por lo general se indican como R para "totalmente reducida". En condiciones típicas, reorganización disulfuro es mucho más rápido que la formación de enlaces disulfuro nueva o su reducción; por lo tanto, la especie de disulfuro dentro de un conjunto equilibren más rápidamente que entre conjuntos.

La forma nativa de una proteína es por lo general una sola especie de disulfuro, aunque algunas proteínas pueden ciclo entre unos pocos estados disulfuro como parte de su función, por ejemplo, la tiorredoxina . En las proteínas con más de dos cisteínas, especies de disulfuro no nativos pueden estar formados, que casi siempre están mal plegada. A medida que el número de cisteína aumenta, el número de especies no nativas aumenta factorial.

En las bacterias y arqueas

Los enlaces disulfuro juegan un importante papel protector para bacterias como un interruptor reversible que convierte una proteína o desactivar cuando las células bacterianas están expuestos a oxidación reacciones. El peróxido de hidrógeno ( H 2 O 2 ), en particular, podría dañar gravemente ADN y matar la bacteria a bajas concentraciones si no fuera por la acción protectora de la SS-bonos. Arqueas suelen tener un menor número de disulfuros que los organismos superiores.

en eucariotas

En eucariotas células, en general, los enlaces disulfuro estables se forman en el lumen de la RER (retículo endoplásmico rugoso) y el espacio intermembrana mitocondrial pero no en el citosol . Esto es debido al ambiente más oxidante de los compartimientos mencionados anteriormente y el medio ambiente más reductor del citosol (véase glutatión ). Por lo tanto los enlaces disulfuro se encuentran principalmente en las proteínas secretoras, proteínas lisosomales, y los dominios exoplasmic de proteínas de membrana.

Hay notables excepciones a esta regla. Por ejemplo, muchas proteínas nucleares y citosólicas pueden convertirse disulfuro reticulado durante la muerte celular necrótica. Del mismo modo, un número de proteínas citosólicas que tienen residuos de cisteína en proximidad entre sí que funcionan como sensores de oxidación o redox catalizadores; cuando el potencial reductor de la célula falla, se oxidan y desencadenar mecanismos de respuesta celular. El virus Vaccinia también produce proteínas y péptidos que tienen muchos enlaces disulfuro citosólicas; aunque la razón de esto es desconocida, presumiblemente, tienen efectos protectores contra la maquinaria de la proteolisis intracelular.

Los enlaces disulfuro se forman también dentro y entre las protaminas en el esperma de la cromatina de muchos mamíferos especies.

Disulfuros en proteínas reguladoras

Como los enlaces disulfuro se pueden reducir de forma reversible y re-oxidados, el estado redox de estos bonos se ha convertido en un elemento de señalización. En los cloroplastos , por ejemplo, la reducción enzimática de los enlaces disulfuro se ha relacionado con el control de numerosas vías metabólicas, así como la expresión génica. La actividad de señalización reductora se ha demostrado, hasta ahora, para ser transportado por el sistema ferredoxina tiorredoxina , la canalización de electrones de las reacciones luminosas de fotosistema I para reducir catalíticamente disulfuros en proteínas reguladas de una manera dependiente de la luz. De esta manera cloroplastos ajustar la actividad de procesos clave tales como el ciclo de Calvin-Benson , almidón de degradación, ATP producción y la expresión génica de acuerdo con la intensidad de la luz.

En el pelo y las plumas

Más del 90% del peso seco de pelo comprende proteínas llamadas queratinas , que tienen un alto contenido de disulfuro, desde el aminoácido cisteína. La robustez conferida en parte por enlaces disulfuro se ilustra por la recuperación de pelo prácticamente intacto de tumbas del antiguo Egipto. Las plumas tienen queratinas similares y son extremadamente resistentes a las enzimas digestivas de proteínas. Diferentes partes del cabello y de la pluma tienen diferentes niveles de cisteína, dando lugar a un material más duro o más suave. La manipulación de los enlaces disulfuro en el cabello es la base de la onda permanente en peluquería. Reactivos que afectan a la realización y ruptura de enlaces S-S son clave, por ejemplo, el tioglicolato de amonio . El alto contenido de disulfuro de plumas dicta el alto contenido de azufre de los huevos de aves. El alto contenido de azufre de pelo y plumas contribuye al olor desagradable que se produce cuando se queman.

disulfuros inorgánicos

El disulfuro de anión es S 2-
2
, o - S-S - . El azufre se asigna normalmente al reducido número de oxidación -2, descrito como S 2- y llamado sulfuro . Tiene la configuración electrónica de un gas noble ( argón ). En disulfuro, azufre solamente se reduce a un estado con número de oxidación -1. Su configuración entonces se asemeja a la de un cloro átomo. Por lo tanto, tiende a formar un enlace covalente con otro S - centro para formar S 2-
2
grupo. El oxígeno también se comporta de manera similar, por ejemplo, en los peróxidos tales como H 2 O 2 . Ejemplos:

En la industria

Bonos (polisulfuro) disulfuro y son los grupos de reticulación que resultan de la vulcanización de caucho . En analogía con el papel de disulfuros en las proteínas, los enlaces S-S en caucho son agentes de reticulación, y afectan fuertemente la reología del material.

Compuestos relacionados

Thiosulfoxides son ortogonalmente isomérica con disulfuros, teniendo la segunda de azufre de ramificación de la primera y no participando en una cadena continua, es decir,> S = S en lugar de -S-S-.

Los enlaces disulfuro son análogas pero más común que relacionados peróxidos y diseleniuro bonos. También existen compuestos intermedios de estos, por ejemplo, thioperoxides , también conocidos como bonos oxaulfide, tienen la fórmula R 1 OSR 2 (equivalente R 2 SOR 1 ). Estos son isomérica a sulfóxidos de una manera similar a la anterior; es decir,> S = O en lugar de -S-O-.

Disulfuros de tiuram , con la fórmula (R 2 NCSS) 2 , son disulfuros pero se comportan claramente debido a la tiocarbonilo grupo.

Los compuestos con tres átomos de azufre, tales como CH 3 S-S-SCH 3 , se llaman trisulfuros, o bonos de trisulfuro.

términos incorrectos

Disulfuro también se utiliza para referirse a los compuestos que contienen dos sulfuro (S 2- ) centros. El compuesto disulfuro de carbono , CS 2 se describe con la fórmula estructural es decir, S = C = S. Esta molécula no es un disulfuro en el sentido de que carece de un enlace SS. Del mismo modo, disulfuro de molibdeno , de MoS 2 , no es un disulfuro en el sentido de nuevo que sus átomos de azufre no están enlazados.

Disulfuro de carbono-3D-balls.png
Molibdenita-3D-balls.png
CS 2
de MoS 2

referencias

Otras lecturas