Дисульфидные связи: структура, свойства и роль в биохимии.

Введение

Функциональная группа с химической структурой R−S−S−R′

В химии дисульфид (или дисульфид в британском английском языке) — это соединение, содержащее функциональную группу R−S−S−R′ или анион S22−. Эта связь также называется SS-связью или иногда дисульфидным мостиком и обычно образуется из двух тиольных групп. В неорганической химии анион встречается в нескольких редких минералах, но функциональная группа имеет огромное значение в биохимии. Дисульфидные мостики, формирующиеся между тиольными группами в двух остатках цистеина, являются важным компонентом вторичной и третичной структуры белков. Соединения вида R−S−S−H обычно называют персульфидами.

Структура

Дисульфиды имеют диэдрический угол C–S–S–C, приближающийся к 90°. Длина S–S связи составляет 2,03 Å в дифенилдисульфиде, что аналогично длине S–S связи в элементарной сере. Различают два типа дисульфидов: симметричные и несимметричные. Симметричные дисульфиды – это соединения формулы R–S–S–R. Большинство дисульфидов, встречающихся в органосерной химии, являются симметричными. Несимметричные дисульфиды (также называемые гетеродисульфидами или смешанными дисульфидами) имеют формулу R–S–S–R'. Несимметричные дисульфиды менее распространены в органической химии, но многие дисульфиды в природе являются несимметричными. Примером симметричного дисульфида служит цистин.

Обмен тиол-дисульфид

В тиол-диссульфидном обмене тиолатная группа вытесняет один атом серы в дисульфидной связи. Исходная дисульфидная связь разрывается, а другой атом серы высвобождается в виде нового тиолата, унося с собой отрицательный заряд. Одновременно между атакующим тиолатом и исходным атомом серы формируется новая дисульфидная связь. Тиолаты, а не тиолы, атакуют дисульфидные связи. Следовательно, тиол-диссульфидный обмен ингибируется при низком pH (обычно ниже 8), где протонированная форма тиола преобладает над депротонированной формой тиолата. (pKa типичной тиольной группы составляет примерно 8,3, но может меняться в зависимости от окружения.) Тиол-диссульфидный обмен – основная реакция, посредством которой дисульфидные связи образуются и перестраиваются в белке. Перестройка дисульфидных связей внутри белка обычно происходит за счет внутримолекулярных реакций тиол-диссульфидного обмена; тиолатная группа цистеинового остатка атакует одну из собственных дисульфидных связей белка. Этот процесс перестройки дисульфидов (известный как перетасовка дисульфидов) не изменяет количество дисульфидных связей в белке, а лишь их расположение (то есть, какие цистеины связаны). Перетасовка дисульфидов обычно протекает намного быстрее, чем реакции окисления/восстановления, которые изменяют количество дисульфидных связей в белке. Окисление и восстановление дисульфидных связей белков in vitro также обычно происходит посредством реакций тиол-диссульфидного обмена. Как правило, тиолат окислительно-восстановительного реагента, такого как глутатион или дитиотрейтол, атакует дисульфидную связь в белке, образуя смешанную дисульфидную связь между белком и реагентом. Эта смешанная дисульфидная связь, подвергаясь атаке другого тиолата из реагента, оставляет цистеин в окисленном состоянии. В результате дисульфидная связь переносится с белка на реагент в два этапа, оба из которых являются реакциями тиол-диссульфидного обмена. Окисление и восстановление дисульфидных связей белков in vivo посредством тиол-диссульфидного обмена облегчается белком, называемым тиоредоксином. Этот небольшой белок, необходимый для всех известных организмов, содержит два остатка аминокислоты цистеина в вицинальном расположении (то есть рядом друг с другом), что позволяет ему формировать внутреннюю дисульфидную связь или дисульфидные связи с другими белками. Таким образом, он может служить хранилищем восстановленных или окисленных дисульфидных фрагментов.

In thiol–disulfide exchange, a thiolate group |\sS displaces one sulfur atom in a disulfide bond |\sS\sS\s. The original disulfide bond is broken, and its other sulfur atom is released as a new thiolate, carrying away the negative charge. Meanwhile, a new disulfide bond forms between the attacking thiolate and the original sulfur atom. Thiolates, not thiols, attack disulfide bonds. Hence, thiol–disulfide exchange is inhibited at low pH (typically, below 8) where the protonated thiol form is favored relative to the deprotonated thiolate form. (The pKa of a typical thiol group is roughly 8.3, but can vary due to its environment.) Thiol–disulfide exchange is the principal reaction by which disulfide bonds are formed and rearranged in a protein. The rearrangement of disulfide bonds within a protein generally occurs via intra protein thiol–disulfide exchange reactions; a thiolate group of a cysteine residue attacks one of the protein's own disulfide bonds. This process of disulfide rearrangement (known as disulfide shuffling) does not change the number of disulfide bonds within a protein, merely their location (i. e., which cysteines are bonded). Disulfide reshuffling is generally much faster than oxidation/reduction reactions, which change the number of disulfide bonds within a protein. The oxidation and reduction of protein disulfide bonds in vitro also generally occurs via thiol–disulfide exchange reactions. Typically, the thiolate of a redox reagent such as glutathione, dithiothreitol attacks the disulfide bond on a protein forming a mixed disulfide bond between the protein and the reagent. This mixed disulfide bond when attacked by another thiolate from the reagent, leaves the cysteine oxidized. In effect, the disulfide bond is transferred from the protein to the reagent in two steps, both thiol–disulfide exchange reactions. The in vivo oxidation and reduction of protein disulfide bonds by thiol–disulfide exchange is facilitated by a protein called thioredoxin. This small protein, essential in all known organisms, contains two cysteine amino acid residues in a vicinal arrangement (i. e., next to each other), which allows it to form an internal disulfide bond, or disulfide bonds with other proteins. As such, it can be used as a repository of reduced or oxidized disulfide bond moieties.

В бактериях и археях

Дисульфидные связи играют важную защитную роль для бактерий, выступая в качестве обратимого переключателя, который активирует или деактивирует белок при воздействии бактериальных клеток на окислительные реакции. В частности, перекись водорода (H2O2) может серьезно повредить ДНК и убить бактерию даже в низких концентрациях, если бы не защитное действие дисульфидной связи. Археи, как правило, содержат меньше дисульфидных связей, чем высшие организмы.

У эукариот

В эукариотических клетках, как правило, стабильные дисульфидные связи формируются в просвете RER (шероховатого эндоплазматического ретикулума) и в межмембранном пространстве митохондрий, но не в цитозоле. Это обусловлено более окислительной средой в указанных компартментах и более восстановительной средой цитозоля (см. глутатион). Таким образом, дисульфидные связи преимущественно встречаются в секреторных белках, лизосомных белках и экзоплазматических доменах мембранных белков. Существуют заметные исключения из этого правила. Например, многие ядерные и цитозольные белки могут образовывать дисульфидные сшивки во время некротической гибели клеток. Подобным образом, некоторые цитозольные белки, содержащие остатки цистеина, расположенные близко друг к другу, функционируют как датчики окисления или редокс-катализаторы; при снижении восстановительного потенциала клетки они окисляются и активируют механизмы клеточного ответа. Вирус Vaccinia также синтезирует цитозольные белки и пептиды, богатые дисульфидными связями; хотя причина этого неизвестна, предполагается, что они оказывают защитное действие против внутриклеточных протеолитических систем. Дисульфидные связи также формируются внутри молекул протоминов и между ними в хроматине сперматозоидов у многих видов млекопитающих.

Дисульфиды в регуляторных белках

Поскольку дисульфидные связи могут быть обратимо восстановлены и повторно окислены, окислительно-восстановительное состояние этих связей эволюционировало в сигнальный элемент. В хлоропластах, например, ферментативное восстановление дисульфидных связей связано с контролем многочисленных метаболических путей, а также экспрессией генов. Редуктивная сигнальная активность, как было показано на данный момент, осуществляется ферредоксин-тиоредоксиновой системой, которая направляет электроны от световых реакций фотосистемы I для каталитического восстановления дисульфидов в регулируемых белках в зависимости от освещенности. Таким образом, хлоропласты регулируют активность ключевых процессов, таких как цикл Кальвина-Бенсона, деградация крахмала, продукция АТФ и экспрессия генов в соответствии с интенсивностью света. Кроме того, сообщалось, что дисульфиды играют важную роль в регуляции окислительно-восстановительного состояния двухкомпонентных систем (TCS), которые можно обнаружить у определенных бактерий, включая фотогенные штаммы. Уникальные внутримолекулярные дисульфидные связи цистеина в ATP-связывающем домене TCS SrrAB, обнаруженные у Staphylococcus aureus, являются хорошим примером дисульфидов в регуляторных белках, где окислительно-восстановительное состояние молекулы SrrB контролируется цистеиновыми дисульфидными связями, что приводит к модификации активности SrrA, включая регуляцию генов.

В волосах и перьях

Более 90% сухого веса волос составляют белки, называемые кератинами, которые содержат большое количество дисульфидных связей, образованных аминокислотой цистеином. Прочность, отчасти обусловленная дисульфидными связями, подтверждается находкой практически неповрежденных волос в древнеегипетских гробницах. Перья имеют схожий кератиновый состав и обладают высокой устойчивостью к протеолитическим ферментам. Жесткость волос и перьев определяется содержанием дисульфидных связей. Изменение дисульфидных связей в волосах лежит в основе химической завивки. Ключевую роль играют реагенты, влияющие на образование и разрыв S-S связей, например, тиогликолат аммония. Высокое содержание дисульфидных связей в перьях определяет высокое содержание серы в птичьих яйцах. Высокое содержание серы в волосах и перьях является причиной неприятного запаха при их сжигании.

При болезни

Цистиноз – это состояние, при котором цистин выпадает в осадок в виде твердого вещества в различных органах. Это накопление нарушает функции организма и может быть смертельным. Данное расстройство можно купировать с помощью лечения цистеамином. Цистеамин способствует растворению цистина путем (1) образования смешанного дисульфида цистеина и цистеамина, который обладает большей растворимостью и способен к выведению, и (2) восстановления цистина до цистеина.

Сродственные соединения

Тиосульфоксиды являются ортогонально изомерными с дисульфидами, имея второй атом серы, отходящий от первого, и не образуя непрерывную цепь, то есть >S=S, а не −S−S−. Дисульфидные связи аналогичны, но более распространены, чем родственные пероксидные, тиоселенидные и диселенидные связи. Существуют также промежуточные соединения, например, тиопероксиды (также известные как оксасульфиды), такие как пероксид водорода серы, имеющие формулу R1OSR2 (эквивалентно R2SOR1). Они изомерны сульфоксидам аналогичным образом, то есть >S=O, а не −S−O−. Дисульфиды тиурама, с формулой (R2NCSS)2, являются дисульфидами, но проявляют отличные свойства из-за наличия тиокарбонильной группы. Соединения, содержащие три атома серы, такие как CH3S−S−SCH3, называются трисульфидами или трисульфидными связями.

Неправильные названия

Дисульфид также используется для обозначения соединений, содержащих два сульфидных (S2−) центра. Соединение дисульфид углерода, CS2, описывается структурной формулой, то есть S=C=S. Эта молекула не является дисульфидом в том смысле, что в ней отсутствует связь S–S. Аналогично, дисульфид молибдена, MoS2, также не является дисульфидом, поскольку его атомы серы не соединены друг с другом.

Производство каучука

Вулканизация каучука приводит к образованию поперечных связей, состоящих из дисульфидных (и полисульфидных) связей; по аналогии с ролью дисульфидов в белках, S–S связи в каучуке существенно влияют на стабильность и реологические свойства материала. Хотя точный механизм процесса вулканизации не полностью понятен (поскольку существует множество реакционных путей, но неизвестен преобладающий из них), было обширно доказано, что степень завершенности процесса определяет физические свойства получаемого каучука – а именно, более высокая степень сшивания соответствует более прочному и жесткому материалу. Современные общепринятые методы производства резины обычно необратимы, поскольку неконтролируемые механизмы реакции могут приводить к сложным сеткам сульфидных связей; таким образом, резина классифицируется как термореактивный материал.

Ковалентные адаптируемые сети

Из-за относительно низкой энергии диссоциации связи (по сравнению с C-C связями и подобными), дисульфиды находят применение в ковалентных адаптивных сетях (CAN) для обеспечения динамического разрыва и восстановления поперечных связей. Включение дисульфидных функциональных групп в качестве поперечных связей между полимерными цепями позволяет создавать материалы, стабильные при комнатной температуре и обеспечивающие обратимую диссоциацию связей при нагревании. Механизм этой реакции обусловлен разрывом дисульфидных связей (RS-SR) с образованием тильных радикалов (2 RS•), которые затем могут вновь объединяться в новые связи, что обеспечивает возможность переработки и самовосстановления материала. Однако, поскольку энергия диссоциации дисульфидной связи все еще достаточно высока, часто требуется усилить ее за счет соседних химических групп, способных стабилизировать неспаренный электрон в промежуточном состоянии. Поэтому в исследованиях обычно используются ароматические дисульфиды или дисульфидиамины (RNS-SNR) для стимулирования динамической диссоциации S-S связи; эти химические модификации могут снизить энергию диссоциации связи до половины (или даже меньше) исходной величины. На практике, CAN, содержащие дисульфиды, позволяют придать полимерным материалам возможность переработки, сохраняя при этом физические свойства, близкие к термореактивным материалам. Как правило, перерабатываемость ограничивается термопластами, поскольку они состоят из полимерных цепей, не связанных между собой на молекулярном уровне; в результате их можно расплавить и переформировать (поскольку добавление тепловой энергии позволяет цепям распутываться, перемещаться относительно друг друга и принимать новые конфигурации), но это происходит за счет снижения их механической прочности. В то же время, традиционные термореактивные материалы содержат постоянные поперечные связи, которые повышают их прочность, ударную вязкость, сопротивление ползучести и другие характеристики (поскольку связь между цепями обеспечивает сопротивление деформации на макроскопическом уровне), но из-за постоянства этих связей переработка таких материалов затруднена. Однако, благодаря динамической природе поперечных связей в дисульфидных CAN, их можно спроектировать так, чтобы сочетать в себе лучшие свойства обоих типов материалов. Исследования показали, что дисульфидные CAN можно перерабатывать многократно с незначительным ухудшением характеристик, сохраняя при этом сопротивление ползучести, температуру стеклования и динамический модуль, сопоставимые с аналогичными традиционными термореактивными системами.

Due to their relatively weak bond dissociation energy (in comparison to C−C bonds and the like), disulfides have been employed in covalent adaptable network (CAN) systems in order to allow for dynamic breakage and reformation of crosslinks. By incorporating disulfide functional groups as crosslinks between polymer chains, materials can be produced which are stable at room temperature while also allowing for reversible crosslink dissociation upon application of elevated temperature. The mechanism behind this reaction can be attributed to the cleavage of disulfide linkages (RS−SR) into thiyl radicals (2 RS•) which can subsequently reassociate into new bonds, resulting in reprocessability and self healing characteristics for the bulk material. However, since the bond dissociation energy of the disulfide bond is still fairly high, it is typically necessary to augment the bond with adjacent chemistry that can stabilize the unpaired electron of the intermediate state. As such, studies usually employ aromatic disulfides or disulfidediamine (RNS−SNR) functional groups to encourage the dynamic dissociation of the S−S bond; these chemistries can result in the bond dissociation energy being reduced to half (or even less) of its prior magnitude. In practical terms, disulfide containing CANs can be used to impart recyclability to polymeric materials while still exhibiting physical properties similar to that of thermosets. Typically, recyclability is restricted to thermoplastic materials, as said materials consist of polymer chains which are not bonded to each other at the molecular level; as a result, they can be melted down and reformed (as the addition of thermal energy allows the chains to untangle, move past each other, and adopt new configurations), but this comes at the expense of their physical robustness. Meanwhile, conventional thermosets contain permanent crosslinks which bolster their strength, toughness, creep resistance, and the like (as the bonding between chains provides resistance to deformation at the macroscopic level), but due to the permanence of said crosslinks, these materials cannot be reprocessed akin to thermoplastics. However, due to the dynamic nature of the crosslinks in disulfide CANs, they can be designed to exhibit the best attributes of both of the aforementioned material types. Studies have shown that disulfide CANs can be reprocessed multiple times with negligible degradation in performance while also exhibiting creep resistance, glass transition, and dynamic modulus values comparable to those observed in similar conventional thermoset systems.