Кіріспе

Химиялық құрылымы R−S−S−R′ функционалдық тобы бар. Химияда дисульфид (немесе британдық ағылшын тілінде дисульфид) – R\s'S\sS'\sR′ функционалдық тобы немесе S22− анионын қамтитын қосылыс. Бұл байланыс SS байланысы немесе кейде дисульфид көпірі деп аталады және әдетте екі тиол тобынан түзіледі. Органикалық емес химияда анион сирек кездесетін бірнеше минералдарда ғана кездеседі, бірақ функционалдық топ биохимияда өте маңызды. Тиол топтары арасындағы екі цистеин қалдығында түзілген дисульфид көпірлері – ақуыздардың екінші және үшінші құрылымдарының маңызды құрауышы болып табылады. R\sS\sS\sH түріндегі қосылыстар көбінесе персульфидтер деп аталады.

Құрылымы

Дисульфидтердің C S S C диэдрлі бұрышы 90°-қа жуықтайды. S S байланысының ұзындығы дифенил дисульфидінде 2,03 Å, бұл элементтік күкірттегідей. Дисульфидтердің екі түрі бар: симметриялық және симметриялық емес. Симметриялық дисульфидтер – RSSR формуласына ие қосылыстар. Органокүкірт химиясында кездесетін дисульфидтердің көп бөлігі симметриялық дисульфидтер болып табылады. Симметриялық емес дисульфидтер (гетеродисульфидтер немесе аралас дисульфидтер деп те аталады) – RSSR' формуласына ие қосылыстар. Симметриялық емес дисульфидтер органикалық химияда сирек кездеседі, бірақ табиғаттағы көптеген дисульфидтер симметриялық емес. Симметриялық дисульфидтерге цистин мысал болады.

Тиол-дисульфид алмасуы

Тиол-дисульфид алмасуында тиолат тобы дисульфид байланысындағы бір күкірт атомын ығыстырады. Бұл бастапқы дисульфид байланысын үзеді, ал оның екінші күкірт атомы теріс зарядты алып кететін жаңа тиолат түрінде босатылады. Сонымен қатар, шабуылдаушы тиолат пен бастапқы күкірт атомы арасында жаңа дисульфид байланысы қалыптасады. Дисульфид байланыстарына тиолаттар шабуыл жасайды, тиолдар емес. Сондықтан, тиол-дисульфид алмасуы төмен pH-та (әдетте, 8-ден төмен) тежеледі, онда протонталған тиол түрі депротонталған тиолат түріне қарағанда қолайлырақ болады. (Тиол тобының pKa шамамен 8.3-ке тең, бірақ оның ортасына байланысты өзгеруі мүмкін.) Тиол-дисульфид алмасуы – ақуыздағы дисульфид байланыстарының қалыптасуы мен қайта құрылуындағы басты реакция. Ақуыз ішіндегі дисульфид байланыстарының қайта құрылуы көбінесе ақуыз ішіндегі тиол-дисульфид алмасу реакциялары арқылы жүреді; цистеин қалдығының тиолат тобы ақуыздың өзінің дисульфид байланыстарының біріне шабуыл жасайды. Бұл дисульфидті қайта құру процесі (дисульфидтік араластыру деп те аталады) ақуыздағы дисульфид байланыстарының санын өзгертпейді, тек олардың орналасқан жерін ғана өзгертеді (яғни, қай цистеиндер байланысқан). Дисульфидтік қайта араластыру, әдетте, ақуыздағы дисульфид байланыстарының санын өзгертетін тотығу/тотықсыздану реакцияларынан әлдеқайда жылдам. Ақуыздың дисульфид байланыстарының in vitro тотығуы және тотықсыздануы көбінесе тиол-дисульфид алмасу реакциялары арқылы жүреді. Әдетте, глютатион, дитиотрейтол сияқты тотығу-тотықсыздану реагентінің тиолаты ақуыздағы дисульфид байланысына шабуыл жасайды, нәтижесінде ақуыз бен реагент арасында аралас дисульфид байланысы пайда болады. Бұл аралас дисульфид байланысына реагенттен келген тағы бір тиолат шабуыл жасағанда цистеин тотығады. Нәтижесінде, дисульфид байланысы екі қадамда, екеуі де тиол-дисульфид алмасу реакциялары арқылы ақуыздан реагентке ауысады. Тиол-дисульфид алмасу арқылы ақуыздың дисульфид байланыстарының in vivo тотығуы және тотықсыздануы тиоредоксин деп аталатын ақуыз арқылы жеңілдетіледі. Бұл кішкентай ақуыз, барлық белгілі организмдерде маңызды, екі цистеин аминқышқылының қалдықтарын көршілес орналасуда (яғни, біріне-бірі жақын) қамтиды, бұл оған ішкі дисульфид байланысын немесе басқа ақуыздармен дисульфид байланыстарын құруға мүмкіндік береді. Осылайша, ол тотыққан немесе тотықсызданған дисульфид байланыс бөліктерінің қоймасы ретінде пайдаланылуы мүмкін.

Бактериялар мен археяларда

Дисульфидтік байланыстар бактериялар үшін маңызды қорғаныс рөлін атқарады, себебі бактериялық жасушалар тотығу реакцияларына ұшырағанда, ақуызды іске қосу немесе тоқтатуды қамтамасыз ететін қайтымды механизм ретінде әрекет етеді. Егер SS байланысының қорғау әсері болмаса, сутек пероксиді (H2O2) тіпті төмен концентрацияда ДНК-ға ауыр зақым келтіріп, бактерияны өлтіруі мүмкін. Археяларда, жоғары сатыдағы организмдерге қарағанда, дисульфидтердің саны аз болады.

Эукариоттарда

Эукариоттық жасушаларда, әдетте, тұрақты дисульфидтік байланыстар RER (дөңгелек эндоплазмалық тор) және митохондриялық мембранааралық кеңістікте қалыптасады, бірақ цитозолда емес. Бұл аталған бөліктердің күшті тотығу ортасымен және цитозолдың көбірек тотығуға төзімді ортасымен (мысалы, глутатион) байланысты. Сондықтан дисульфидтік байланыстар көбінесе секреторлық ақуыздарда, лизосомалық ақуыздарда және мембраналық ақуыздардың экзоплазмалық домендерінде кездеседі. Бұл ережеден ерекше жағдайлар бар. Мысалы, көптеген ядролық және цитозолдық ақуыздар некроздық жасуша өлімі кезінде дисульфидтік байланыс арқылы байланыса алады. Сонымен қатар, цитозольдік ақуыздардың кейбіреулерінде бір-біріне жақын орналасқан цистеин қалдықтары болады, олар тотығу сенсорлары немесе тотығу катализаторлары ретінде жұмыс істейді; жасушаның тотығуға төзімділігі төмендеген кезде, олар тотығады және жасушалық жауап механизмдерін іске қосады. Вакцина вирусы цитозольдік ақуыздар мен пептидтерді де шығарады, оларда көптеген дисульфидтік байланыстар бар; себебі әлі белгісіз, бірақ олардың ішкі жасушалық протеолиз машинасына қарсы қорғаныш әсері болуы мүмкін. Дисульфидтік байланыстар сонымен қатар көптеген сүтқоректілердің сперма хроматиніндегі протаминдердің ішінде де, олардың арасында да қалыптасады.

Регуляторлық ақуыздардағы дисульфидтер

Дисульфидтік байланыстар қайтымды түрде тотығып, кері тотығуы мүмкін болғандықтан, осы байланыстардың тотығу-тотығу күйі сигнал беру элементіне айналды. Мысалы, хлоропластарда дисульфидтік байланыстардың ферменттік түрде тотығуы көптеген метаболизмдік жолдарды, сондай-ақ гендік экспрессияны бақылаумен байланысты. Редукциялық сигнал беру белсенділігі ферредоксин-тиоредоксин жүйесі арқылы жүзеге асатыны көрсетілді, ол I фотожүйенің жарық реакциясынан электронды арналар арқылы реттелетін ақуыздардағы дисульфидтерді жарыққа тәуелді түрде катализдік тотығуға ұшыратады. Осылайша хлоропластар жарық интенсивтілігіне қарай Кальвин-Бенсон циклы, крахмалдың ыдырауы, АТФ өндірісі және гендік экспрессия сияқты негізгі процестердің белсенділігін реттейді. Сонымен қатар, дисульфидтер фотогенді штаммдарды қоса алғанда, кейбір бактерияларда кездесетін екі компонентті жүйелердің (ЕКЖ) тотығу-тотығу күйін реттеуде маңызды рөл атқаратыны хабарланды. Staphylococcus aureus-те табылған SrrAB ЕКЖ-нің АТФ байланысатын доменіндегі бірегей молекулалық цистеин дисульфидтік байланыстары – бұл реттегіш ақуыздардағы дисульфидтердің жақсы мысалы, онда SrrB молекуласының тотығу-тотығу күйі цистеин дисульфидтік байланыстарымен бақыланады, бұл SrrA белсенділігін, соның ішінде гендік реттеуді өзгертуге әкеледі.

Шаш пен қауырсыннан жасалған

Шаштың құрғақ салмағының 90% астамы кератин деп аталатын ақуыздардан тұрады, олар цистеин аминқышқылынан құралған дисульфидтің жоғары мөлшерін қамтиды. Дисульфидтік байланыстардың шашқа берген беріктігін ежелгі Египет қабірлерінен табылған дерлік зақымдалмаған шаштардың сақталуы көрсетеді. Қауырсындардың кератиндері де ұқсас және белокты қорыту ферменттеріне өте төзімді. Шаш пен қауырсынның қаттылығы дисульфид мөлшерімен анықталады. Шаштағы дисульфидтік байланыстарды өзгерту шаштанудағы тұрақты толқын жасаудың негізі болып табылады. S-S байланыстарын жасауға және бұзуға әсер ететін реагенттер маңызды, мысалы, аммоний тиогликолат. Қауырсындардың жоғары дисульфидтік құрамы құс жұмыртқаларының жоғары күкірт құрамына себеп болады. Шаш пен қауырсынның жоғары күкірт мөлшері оларды жаққанда жағымсыз иіс шығуына әкеледі.

Ауру кезінде

Цистиноз – цистиннің әртүрлі органдарда қатты түрінде жиналуымен сипатталатын жағдай. Бұл жинақ организмнің жұмысына кедергі келтіріп, қатерлі болуы мүмкін. Бұл ауру цистеаминмен емдеу арқылы емделеді. Цистеамин цистинді (1) ерігіштігі жоғары және экспортталатын аралас дисульфид – цистеин цистеаминін түзілуі және (2) цистинді цистеинге дейін тотығу арқылы ерітуге көмектеседі.

Қауысқан қосылыстар

Тиосульфоксидтер дисульфидтермен ортогональды изомерлі, екінші күкірт атомы біріншісінен тармақталып, үздіксіз тізбек құрамайды, яғни >S=S, −S−S− емес. Дисульфидтік байланыстар пероксид, тиоселенид және диселенидтік байланыстарға ұқсас, бірақ олардан жиі кездеседі. Олардың аралық қосылыстары да бар, мысалы, тиопероксидтер (оксасульфидтер деп те аталады), мысалы, сутегі тиопероксиді, формуласы R1OSR2 (немесе R2SOR1). Бұлар жоғарыда айтылғандай сульфоксидтерге изомерлі; яғни, >S=O, −S−O− емес. Тиурам дисульфидтері (R2NCSS)2 формуласымен дисульфидтер болып табылады, бірақ тиокарбонил тобының болуынан ерекше қасиеттер көрсетеді. CH3S−S−SCH3 сияқты үш күкірт атомы бар қосылыстар трисульфидтер немесе трисульфидтік байланыстар деп аталады.

Қате атаулар

Дисульфид екі сульфид (S2−) орталығын қамтитын қосылыстарды атау үшін де қолданылады. Көміртек дисульфиді, CS2 қосылысы S=C=S құрылымдық формуласымен сипатталады. Бұл молекула S–S байланысы болмағандықтан дисульфид емес. Сол сияқты, молибден дисульфиді, MoS2 да күкірт атомдары бір-бірімен байланыспағандықтан дисульфид болып табылмайды.

Резеңке өндіру

Резеңке вулканизациясы дисульфидтік (және полисульфидтік) байланыстардан тұратын байланыстыру топтарын құрайды; ақуыздардағы дисульфидтердің атқаратын рөліне ұқсас, резеңкедегі S-S байланыстары материалдың тұрақтылығы мен реологиясына күшті әсер етеді. Вулканизация процесінің нақты механизмі толыққанды түсіндірілмегенмен (көптеген реакция жолдары бар, бірақ басымдығы белгісіз), осы процеске қаншалықты мүмкіндік берілгені, алынған резеңкенің физикалық қасиеттерін анықтайтыны көптеген зерттеулерде көрсетілді, атап айтқанда, байланыстырудың жоғары дәрежесі күштірек және қатаң материалға сәйкес келеді. Резеңке өндірудің қазіргі дәстүрлі әдістері көбінесе қайтымсыз болып табылады, себебі бақытталмаған реакциялық механизмдер сульфидтік байланыстардың күрделі желісін құруы мүмкін; осылайша, резеңке термопластикалық материал саналады.

Ковалентті бейімделетін желілер

Олардың салыстырмалы түрде әлсіз байланыс үзілу энергиясына байланысты (C-C байланыстарымен және т.б. салыстырғанда), дисульфидтер ковалентті бейімделетін желілерде (CAN) қолданылады, бұл кросс-байланыстардың динамикалық үзілуі мен қайта құрылуына мүмкіндік береді. Дисульфид функционалдық топтарды полимер тізбектері арасындағы кросс-байланыс ретінде енгізу арқылы, бөлме температурасында тұрақты, бірақ температура жоғарылағанда кросс-байланыстардың қайтымды үзілуіне мүмкіндік беретін материалдар жасауға болады. Бұл реакцияның механизмі дисульфидтік байланыстардың (RS-SR) тиил радикалдарына (2 RS•) ыдырауына байланысты, олар кейіннен жаңа байланыстарды құрап, материалдың қайта өңделуіне және өзін-өзі жазу қабілетіне әкеледі. Алайда, дисульфидтік байланыстың байланыс үзілу энергиясы салыстырмалы түрде жоғары болғандықтан, аралық күйдегі жұптаспаған электронды тұрақтандыруға көмектесетін жақын химиялық элементтерді қосу қажет. Сондықтан, зерттеулерде көбінесе ароматикалық дисульфидтер немесе дисульфид диаминдері (RNS-SNR) қолданылады, бұл S-S байланысының динамикалық үзілуін ынталандырады; мұндай химиялық элементтер байланыс үзілу энергиясын бұрынғы мәнінің жартысына (немесе одан да азырақ) дейін төмендетуі мүмкін. Практикалық тұрғыда, дисульфидтерді қамтитын CAN-дар полимерлік материалдарға қайта өңдеу қабілетін беру үшін қолданылады, сонымен бірге термореактивтерге ұқсас физикалық қасиеттерді сақтайды. Әдетте, қайта өңдеу мүмкіндігі термопластикалық материалдармен шектеледі, себебі олардың полимер тізбектері молекулалық деңгейде бір-бірімен байланыспаған; нәтижесінде, оларды балқытып, қайта қалыптастыруға болады (жылу энергиясының қосылуы тізбектердің араласуына, бір-бірінен өтуіне және жаңа конфигурацияларды қабылдауына мүмкіндік береді), бірақ бұл олардың физикалық беріктігіне әсер етеді. Ал, дәстүрлі термореактивтерде беріктігін, тұтқырлығын, сырғуға төзімділігін және т.б. арттыратын тұрақты кросс-байланыстар бар (тізбектер арасындағы байланыс макроскопиялық деңгейде деформацияға қарсы тұруды қамтамасыз етеді), бірақ осы кросс-байланыстардың тұрақтылығына байланысты оларды термопластикалық материалдар сияқты қайта өңдеуге болмайды. Алайда, дисульфидтік CAN-дағы кросс-байланыстардың динамикалық табиғатына байланысты, оларды жоғарыда аталған екі материал түрінің ең жақсы қасиеттерін біріктіретіндей етіп жасауға болады. Зерттеулер көрсеткендей, дисульфидтік CAN-дарды өнімділігінің айтарлықтай төмендеуіне жол бермей, бірнеше рет қайта өңдеуге болады, сонымен бірге дәстүрлі термореактивтік жүйелерде байқалатын сырғуға төзімділік, шыны тәрізді көшу және динамикалық модульдерге ұқсас мәндерді көрсетеді.