Dissulfeto - Disulfide

Em bioquímica , um dissulfeto se refere a um grupo funcional com a estrutura R− S − S −R ′. A ligação também é chamada de ligação SS ou, às vezes, de ponte dissulfeto e geralmente é derivada do acoplamento de dois grupos tiol . Em biologia, as pontes dissulfeto formadas entre grupos tiol em dois resíduos de cisteína são um componente importante da estrutura secundária e terciária das proteínas . Persulfeto geralmente se refere a compostos R − S − S − H.

Em química inorgânica, dissulfeto geralmente se refere ao ânion S correspondente2−
2
( - S − S - ).

Dissulfetos orgânicos

Uma seleção de dissulfetos
FeS 2 , "ouro de tolo"
S 2 Cl 2 , um produto químico industrial comum
cistina , agente de reticulação em muitas proteínas
ácido lipóico , uma vitamina
Ph 2 S 2 , um dissulfeto orgânico comum

Dissulfuretos simétricos são os compostos da fórmula R 2 S 2 . A maioria dos dissulfetos encontrados na química organo-enxofre são dissulfetos simétricos. Dissulfetos assimétricos (também chamados heterodissulfetos ) são compostos da fórmula RSSR '. Eles são menos comuns em química orgânica, mas a maioria dos dissulfetos na natureza são assimétricos.

Propriedades

As ligações dissulfeto são fortes, com uma energia de dissociação de ligação típica de 60 kcal / mol (251 kJ mol -1 ). No entanto, sendo cerca de 40% mais fraca do que as ligações C − C e C − H , a ligação dissulfeto é frequentemente o "elo fraco" em muitas moléculas. Além disso, refletindo a polarizabilidade do enxofre divalente, a ligação S-S é suscetível à cisão por reagentes polares, tanto eletrófilos como especialmente nucleófilos (Nu):

RS − SR + Nu - → RS − Nu + RS -

A ligação dissulfeto tem cerca de 2,05  Å de comprimento, cerca de 0,5 Å mais longa do que uma ligação C-C. A rotação em torno do eixo S-S está sujeita a uma barreira baixa. Os dissulfetos mostram uma preferência distinta por ângulos diédricos próximos a 90 °. Quando o ângulo se aproxima de 0 ° ou 180 °, o dissulfeto é um oxidante significativamente melhor.

Os dissulfetos em que os dois grupos R são iguais são chamados simétricos, sendo exemplos o dissulfeto de difenila e o dissulfeto de dimetila . Quando os dois grupos R não são idênticos, diz-se que o composto é um dissulfureto assimétrico ou misto.

Embora a hidrogenação de dissulfetos geralmente não seja prática, a constante de equilíbrio para a reação fornece uma medida do potencial redox padrão para dissulfetos:

RSSR + H 2 → 2 RSH

Este valor é de cerca de -250 mV em comparação com o eletrodo de hidrogênio padrão (pH = 7). Em comparação, o potencial de redução padrão para ferrodoxinas é de cerca de -430 mV.

Síntese

As ligações dissulfeto são geralmente formadas a partir da oxidação de grupos sulfidrila (−SH) , especialmente em contextos biológicos. A transformação é descrita da seguinte forma:

2 RSH ⇌ RS-SR + 2 H + + 2 e -

Uma variedade de oxidantes participam dessa reação, incluindo oxigênio e peróxido de hidrogênio . Acredita-se que tais reações ocorram por meio de intermediários de ácido sulfênico . No laboratório, o iodo na presença de base é comumente empregado para oxidar tióis a dissulfetos. Vários metais, como os complexos de cobre (II) e ferro (III) , afetam essa reação. Alternativamente, ligações dissulfeto em proteínas frequentemente formadas por troca tiol-dissulfeto :

RS-SR + R′SH ⇌ R′S-SR + RSH

Essas reações são mediadas por enzimas em alguns casos e em outros casos estão sob controle de equilíbrio, especialmente na presença de uma quantidade catalítica de base.

A alquilação de di- e polissulfetos de metal alcalino dá dissulfetos. Os polímeros "tiokol" surgem quando o polissulfeto de sódio é tratado com um dihaleto de alquila. Na reação inversa, os reagentes carbaniônicos reagem com o enxofre elementar para proporcionar misturas de tioéter, dissulfeto e polissulfetos superiores. Essas reações geralmente não são seletivas, mas podem ser otimizadas para aplicações específicas.

Síntese de dissulfetos assimétricos (heterodissulfetos)

Muitos métodos especializados foram desenvolvidos para formar dissulfetos assimétricos. Os reagentes que entregam o equivalente a "RS + " reagem com tióis para dar dissulfetos assimétricos:

RSH + R′SNR ″ 2 → RS − SR ′ + HNR ″ 2

onde R ″ 2 N é o grupo ftalimido . Sais de Bunte , derivados do tipo RSSO 3 - Na + também são usados ​​para gerar dissulfetos assimétricos: Na [O 3 S 2 R] + NaSR '→ RSSR' + Na 2 SO 3

Reações

O aspecto mais importante das ligações dissulfeto é sua clivagem, que ocorre por redução. Uma variedade de redutores pode ser usada. Em bioquímica, tióis como β- mercaptoetanol (β-ME) ou ditiotreitol (DTT) servem como redutores; os reagentes tiol são usados ​​em excesso para direcionar o equilíbrio para a direita:

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

O redutor tris (2-carboxietil) fosfina (TCEP) é útil, além de ser inodoro em comparação com β-ME e DTT, pois é seletivo, atuando em condições alcalinas e ácidas (ao contrário do DTT), é mais hidrofílico e mais resistente a oxidação no ar. Além disso, muitas vezes não é necessário remover o TCEP antes da modificação dos tióis de proteína.

Na síntese orgânica, os agentes hidreto são tipicamente empregados para a cisão de dissulfetos, como o boro-hidreto de sódio . Mais agressivos, os metais alcalinos afetarão esta reação:

RS-SR + 2 Na → 2 NaSR

Essas reações são frequentemente seguidas pela protonação do tiolato de metal resultante:

NaSR + HCl → HSR + NaCl

A troca tiol-dissulfeto é uma reação química na qual um grupo tiolato −S - ataca um átomo de enxofre de uma ligação dissulfeto −S − S−. A ligação dissulfeto original é quebrada e seu outro átomo de enxofre é liberado como um novo tiolato, levando embora a carga negativa. Enquanto isso, uma nova ligação dissulfeto se forma entre o tiolato de ataque e o átomo de enxofre original.

Troca tiol-dissulfeto mostrando o intermediário linear no qual a carga é compartilhada entre os três átomos de enxofre. O grupo tiolato (mostrado em vermelho) ataca um átomo de enxofre (mostrado em azul) da ligação dissulfeto, deslocando o outro átomo de enxofre (mostrado em verde) e formando uma nova ligação dissulfeto.

Os tiolatos, não os tióis, atacam as ligações dissulfeto. Portanto, a troca tiol-dissulfeto é inibida em pH baixo (normalmente, abaixo de 8), onde a forma tiol protonada é favorecida em relação à forma tiolato desprotonada. (O p K a de um grupo tiol típico é aproximadamente 8,3, mas pode variar devido ao seu ambiente.)

A troca tiol-dissulfeto é a principal reação pela qual as ligações dissulfeto são formadas e reorganizadas em uma proteína . O rearranjo das ligações dissulfeto dentro de uma proteína geralmente ocorre por meio de reações de troca tiol-dissulfeto introproteínas; um grupo tiolato de um resíduo de cisteína ataca uma das próprias ligações dissulfeto da proteína. Este processo de rearranjo de dissulfeto (conhecido como embaralhamento de dissulfeto ) não altera o número de ligações dissulfeto dentro de uma proteína, apenas sua localização (ou seja, quais cisteínas estão ligadas). A reorganização de dissulfeto é geralmente muito mais rápida do que as reações de oxidação / redução, que alteram o número de ligações dissulfeto dentro de uma proteína. A oxidação e a redução das ligações dissulfeto de proteínas in vitro também geralmente ocorrem por meio de reações de troca tiol-dissulfeto. Normalmente, o tiolato de um reagente redox como a glutationa ou ditiotreitol ataca a ligação dissulfeto em uma proteína formando uma ligação dissulfeto mista entre a proteína e o reagente. Esta ligação dissulfeto mista, quando atacada por outro tiolato do reagente, deixa a cisteína oxidada. Na verdade, a ligação dissulfeto é transferida da proteína para o reagente em duas etapas, ambas reações de troca tiol-dissulfeto.

A oxidação e redução in vivo das ligações dissulfeto de proteínas pela troca tiol-dissulfeto são facilitadas por uma proteína chamada tiorredoxina . Essa pequena proteína, essencial em todos os organismos conhecidos, contém dois resíduos de aminoácidos de cisteína em um arranjo vicinal (ou seja, próximos um do outro), o que permite que ela forme uma ligação dissulfeto interna, ou ligações dissulfeto com outras proteínas. Como tal, pode ser usado como um repositório de porções de ligações dissulfeto reduzidas ou oxidadas.

Muitas reações orgânicas especializadas foram desenvolvidas para dissulfetos, novamente principalmente associadas à cisão da ligação S-S, que geralmente é a ligação mais fraca em uma molécula. Nas reações de clivagem de dissulfeto de Zincke, os dissulfetos são clivados por halogênios. Esta reação dá um haleto de sulfenil :

ArSSAr + Cl 2 → 2 ArSCl

Ocorrência em biologia

Esquema de regiões de reticulação de ligações dissulfeto de uma proteína

Ocorrência em proteínas

As ligações dissulfeto podem ser formadas em condições oxidantes e desempenham um papel importante no dobramento e estabilidade de algumas proteínas, geralmente proteínas secretadas para o meio extracelular. Uma vez que a maioria dos compartimentos celulares são ambientes redutores , em geral, as ligações dissulfeto são instáveis ​​no citosol , com algumas exceções, conforme observado abaixo, a menos que uma sulfidril oxidase esteja presente.

A cistina é composta por duas cisteínas ligadas por uma ligação dissulfeto (mostrada aqui em sua forma neutra).

As ligações dissulfeto em proteínas são formadas entre os grupos tiol de resíduos de cisteína pelo processo de dobramento oxidativo . O outro aminoácido contendo enxofre, a metionina , não pode formar ligações dissulfeto. Uma ligação dissulfeto é tipicamente denotada por hifenização das abreviaturas para cisteína, por exemplo, quando se refere à ribonuclease A a "ligação dissulfeto Cys26-Cys84", ou a "ligação dissulfeto 26-84", ou mais simplesmente como "C26-C84" onde o a ligação dissulfeto é compreendida e não precisa ser mencionada. O protótipo de uma ligação dissulfeto de proteína é o peptídeo de dois aminoácidos cistina , que é composto de dois aminoácidos de cisteína unidos por uma ligação dissulfeto. A estrutura de uma ligação dissulfeto pode ser descrita por seu ângulo diédrico χ ss entre os átomos C β −S γ −S γ −C β , que geralmente é próximo a ± 90 °.

A ligação dissulfeto estabiliza a forma dobrada de uma proteína de várias maneiras:

  1. Ele mantém duas porções da proteína juntas, enviesando a proteína em direção à topologia dobrada. Ou seja, a ligação dissulfeto desestabiliza a forma desdobrada da proteína, diminuindo sua entropia .
  2. A ligação dissulfeto pode formar o núcleo de um núcleo hidrofóbico da proteína dobrada, isto é, resíduos hidrofóbicos locais podem condensar em torno da ligação dissulfeto e uns sobre os outros por meio de interações hidrofóbicas .
  3. Em relação a 1 e 2, a ligação dissulfeto liga dois segmentos da cadeia de proteína, aumenta a concentração local efetiva de resíduos de proteína e diminui a concentração local efetiva de moléculas de água. Como as moléculas de água atacam as ligações de hidrogênio amida-amida e quebram a estrutura secundária , uma ligação dissulfeto estabiliza a estrutura secundária em sua vizinhança. Por exemplo, os pesquisadores identificaram vários pares de peptídeos que não são estruturados isoladamente, mas adotam estruturas secundárias e terciárias estáveis ​​após a formação de uma ligação dissulfeto entre eles.

Uma espécie de dissulfeto é um par particular de cisteínas em uma proteína com ligações dissulfeto e geralmente é representada listando as ligações dissulfeto entre parênteses, por exemplo, as "(26-84, 58-110) espécies de dissulfeto". Um conjunto de dissulfeto é um agrupamento de todas as espécies de dissulfeto com o mesmo número de ligações dissulfeto e é geralmente denotado como o conjunto 1S, o conjunto 2S, etc. para espécies de dissulfeto tendo uma, duas, etc. ligações dissulfeto. Assim, a espécie (26–84) de dissulfeto pertence ao conjunto 1S, enquanto a espécie (26–84, 58–110) pertence ao conjunto 2S. A única espécie sem ligações dissulfureto é geralmente denotada como R para "totalmente reduzida". Em condições típicas, o rearranjo de dissulfeto é muito mais rápido do que a formação de novas ligações de dissulfeto ou sua redução; portanto, as espécies de dissulfeto dentro de um conjunto se equilibram mais rapidamente do que entre conjuntos.

A forma nativa de uma proteína é geralmente uma única espécie de dissulfeto, embora algumas proteínas possam circular entre alguns estados de dissulfeto como parte de sua função, por exemplo, tiorredoxina . Em proteínas com mais de duas cisteínas, podem ser formadas espécies de dissulfeto não nativas, que quase sempre estão mal dobradas. Conforme o número de cisteínas aumenta, o número de espécies não nativas aumenta fatorialmente.

Em bactérias e arquéias

As ligações dissulfeto desempenham um papel protetor importante para as bactérias como um interruptor reversível que liga ou desliga uma proteína quando as células bacterianas são expostas a reações de oxidação . O peróxido de hidrogênio ( H 2 O 2 ) em particular pode danificar gravemente o DNA e matar a bactéria em baixas concentrações, se não pela ação protetora da ligação SS. Archaea normalmente tem menos dissulfetos do que organismos superiores.

Em eucariotos

Em células eucarióticas , em geral, ligações dissulfeto estáveis ​​são formadas no lúmen do RER (retículo endoplasmático rugoso) e no espaço intermembranar mitocondrial, mas não no citosol . Isso se deve ao ambiente mais oxidante dos compartimentos mencionados e ao ambiente mais redutor do citosol (ver glutationa ). Assim, as ligações dissulfeto são encontradas principalmente em proteínas secretoras, proteínas lisossomais e nos domínios exoplasmáticos de proteínas de membrana.

Existem exceções notáveis ​​a esta regra. Por exemplo, muitas proteínas nucleares e citosólicas podem se tornar reticuladas por dissulfeto durante a morte celular necrótica. Da mesma forma, uma série de proteínas citosólicas que possuem resíduos de cisteína próximos uns dos outros que funcionam como sensores de oxidação ou catalisadores redox ; quando o potencial redutor da célula falha, eles oxidam e desencadeiam mecanismos de resposta celular. O vírus Vaccinia também produz proteínas citosólicas e peptídeos que possuem muitas ligações dissulfeto; embora a razão para isso seja desconhecida, presumivelmente eles têm efeitos protetores contra a maquinaria de proteólise intracelular.

As ligações dissulfeto também são formadas dentro e entre as protaminas na cromatina do esperma de muitas espécies de mamíferos .

Dissulfetos em proteínas regulatórias

Como as ligações dissulfeto podem ser reversivelmente reduzidas e reoxidadas, o estado redox dessas ligações evoluiu para um elemento de sinalização. Em cloroplastos , por exemplo, a redução enzimática das ligações dissulfeto tem sido associada ao controle de numerosas vias metabólicas, bem como à expressão gênica. A atividade de sinalização redutiva mostrou, até agora, ser transportada pelo sistema ferredoxina tioredoxina , canalizando elétrons das reações de luz do fotossistema I para reduzir cataliticamente dissulfetos em proteínas reguladas de uma maneira dependente de luz. Desta forma, os cloroplastos ajustam a atividade de processos-chave, como o ciclo de Calvin-Benson , degradação do amido , produção de ATP e expressão gênica de acordo com a intensidade da luz. Além disso, foi relatado que os dissulfetos desempenham um papel significativo na regulação do estado redox de sistemas de dois componentes (TCSs), que podem ser encontrados em certas bactérias, incluindo cepas fotogênicas. Uma única ligação dissulfeto de cisteína intramolecular no domínio de ligação de ATP de SrrAB TCs encontrada em Staphylococcus aureus é um bom exemplo de dissulfeto em proteínas regulatórias, cujo estado redox da molécula de SrrB é controlado por ligações dissulfeto de cisteína, levando à modificação da atividade de SrrA incluindo a regulação gênica.

No cabelo e penas

Mais de 90% do peso seco do cabelo é composto por proteínas chamadas queratinas , que possuem um alto teor de dissulfeto, proveniente do aminoácido cisteína. A robustez conferida em parte pelas ligações dissulfeto é ilustrada pela recuperação de cabelos virtualmente intactos de tumbas egípcias antigas. As penas têm queratinas semelhantes e são extremamente resistentes às enzimas digestivas de proteínas. A rigidez do cabelo e das penas é determinada pelo teor de dissulfeto. A manipulação de ligações dissulfeto no cabelo é a base para a ondulação permanente no penteado. Os reagentes que afetam a formação e a quebra das ligações S-S são essenciais, por exemplo, tioglicolato de amônio . O alto teor de dissulfeto das penas determina o alto teor de enxofre dos ovos de aves. O alto teor de enxofre do cabelo e das penas contribui para o odor desagradável que surge quando são queimados.

Dissulfetos inorgânicos

O ânion dissulfeto é S2−
2
, ou - S − S - . No dissulfeto, o enxofre existe no estado reduzido com número de oxidação -1. Sua configuração eletrônica então se assemelha à de um átomo de cloro . É, portanto, tende a formar uma ligação covalente com uma outra S - centro para formar S2−
2
grupo, semelhante ao cloro elementar existente como o Cl 2 diatômico . O oxigênio também pode se comportar de maneira semelhante, por exemplo, em peróxidos como H 2 O 2 . Exemplos:

Na industria

As ligações dissulfeto e (polissulfeto) são os grupos de reticulação que resultam da vulcanização da borracha . Em analogia ao papel dos dissulfetos nas proteínas, as ligações S-S na borracha são reticulantes e afetam fortemente a reologia do material.

Compostos relacionados

CS 2
MoS 2

Os tiossulfóxidos são ortogonalmente isoméricos com dissulfetos, tendo o segundo enxofre ramificando-se do primeiro e não participando de uma cadeia contínua, ou seja,> S = S ao invés de −S − S−.

As ligações dissulfureto são análogas mas mais comum do que a relacionada com peróxido , thioselenide , e disseleneto de ligações. Também existem compostos intermediários destes, por exemplo tioperóxidos (também conhecidos como oxassulfuretos), tais como tioperóxido de hidrogênio , têm a fórmula R 1 OSR 2 (equivalentemente R 2 SOR 1 ). Estes são isoméricos aos sulfóxidos de uma maneira semelhante à anterior; ie> S = O em vez de −S − O−.

Tiuram dissulfuretos , com a fmula (R 2 NCSS) 2 , são dissulfuretos mas eles comportam-se distintamente, devido à tiocarbonilo grupo.

Os compostos com três átomos de enxofre, como CH 3 S-S-SCH 3 , são chamados de trissulfetos ou ligações trissulfeto.

Misnomers

O dissulfeto também é usado para se referir a compostos que contêm dois centros de sulfeto (S 2− ). O composto dissulfureto de carbono , CS 2 é descrito com a fórmula estrutural ou seja S = C = S. Esta molécula não é um dissulfeto no sentido de que não possui uma ligação SS. Da mesma forma, o dissulfeto de molibdênio , MoS 2 , não é um dissulfeto no sentido de que seus átomos de enxofre não estão ligados.

Referências

Leitura adicional

links externos