En química y en biología, un disulfuro es un grupo funcional con la estructura general R-S-S-R'. El enlace también es llamado enlace SS o puente disulfuro y generalmente se deriva del enlazamiento de dos grupos tiol. En términos formales, el enlace es un persulfuro, en analogía a su similar, peróxido (R-O-O-R'), pero esta terminología es raramente utilizada, excepto cuando se hace referencia a hidrosulfuros (compuestos R-S-S-H o H-S-S-H).
En química inorgánica, disulfuro generalmente se refiere al anión correspondiente (−S–S−), por ejemplo en el dicloruro de disulfuro. En las proteínas, la formación de puentes disulfuros entre cisteínas es muy importante para el plegamiento e integridad de la estructura terciaria y para la regulación de diversos procesos metabólicos.
Ejemplos
Disulfuro de hierro: conocido como pirita, (FeS2). Disulfuro de dicloro: un líquido destilable, (S2Cl2). Cistina: aminoácido, (C6H12O4N2S2). Ácido lipoico: vitamina, (C8H14O2S2). Difenil Disulfuro: (C12H10S2).
100px100px100px150px150pxFeS2 S2Cl2C6H12O4N2S2C8H14O2S2C12H10S2
Disulfuros orgánicos
Propiedades Los enlaces disulfuro son fuertes, con una energía de disociación de enlace típica de 60 kcal/mol (251 kJ mol−1). Sin embargo, siendo cerca del 40% más débil que C-C y C-H, el enlace disulfuro es frecuentemente el "enlace débil" en muchas moléculas. Además, se refleja su polarizabilidad del azufre divalente, el enlace S-S es susceptible a la escisión por reactivos polares, ya sean electrófilos o nucleófilos.R. J. Cremlyn An Introduction to Organosulfur Chemistry John Wiley and Sons: Chichester (1996). ISBN 0-471-95512-4. RS–SR + Nu− → RS–Nu + RS− El enlace disulfuro es alrededor de 2.05 Å de longitud. Alrededor de 0.5 Å más largo que el enlace C-C. Los disulfuros muestran una preferencia de ángulos diedros que se aproximan a 90°. Cuando el ángulo se aproxima a 0° o 180°, entonces el disulfuro es significativamente un mejor oxidante.
Los disulfuros que tienen dos grupos R iguales son llamados simétricos, algunos ejemplos son el difenil disulfuro y el dimetil disulfuro. Cuando los dos grupos R no son idénticos, el compuesto es clasificado como asimétrico o disulfuro mixto.
Aunque la hidrogenación de disulfuros usualmente no es práctica, la constante de equilibrio para la reacción indica una medida del potencial oxidación-reducción estándar para los disulfuros:
RSSR + H2 → 2 RSH
Este valor es alrededor de -250 mV NHE (pH = 7). En comparación, el potencial oxidación-reducción estándar para las ferroxidinas es de alrededor -430 mV.
Síntesis Los enlaces disulfuro son formados generalmente por la oxidación de grupos sulfidrilo (-SH), especialmente en contextos biológicos. La transformación es la siguiente: 2 RSH RS–SR + 2 H+ + 2 e− Una variedad de oxidantes promueven esta reacción, incluyendo el aire y el peróxido de hidrógeno. Se piensa que tales reacciones proceden por intermedairios de ácido sulfónico. El yodo en presencia de una base, es comúnmente utilizado para oxidar tioles a disulfuros dentro de un laboratorio. Varios metales, como complejos de cobre(II) y hierro (III) intervienen esta reacción. Alternativamente, enlaces disulfuro en proteínas se forman por el intercambio de tiol-disulfuro: RS–SR + R′SH R′S–SR + RSH Tales reacciones con mediadas por enzimas en algunas casos y en otros casos bajo condiciones de control de equilibrio, especialmente en la presencia de alguna concentración catalítica de alguna base.
La alquilación de metales alcalinos y polisulfuros dan como resultado disulfuros. Los polímeros "Thiokol"se dan cuando el polisulfuro de sodio es tratado con dialogenuros de alquilo. En otra reacción similar, reactivos carboniónicos reaccionan con azufre elemental para resultar en mezclas de tioéter, disulfuros y polisulfuros. Estas reacciones son generalmente inselectivas, pero pueden ser optimizadas para aplicaciones específicas.
Muchos métodos especializados han sido desarrollados para formar disulfuros, usualmente para aplicaciones en síntesis orgánicas. Reactivos que otorgan el equivalente de "RS+" reaccionan con tioles que dan disulfuros asimétricos RSH + R′SNR″2 → RS–SR′ + HNR″2, where R″2N = Ftalimida
Reacciones El aspecto más importante de los enlaces disulfuro es su escisión, la cual ocurre por la vía de reducción. Una variedad de reductores pueden ser utilizados. En bioquímica, tioles como el mercaptoetanol (b-ME) o el ditiotreitol (DTT) funcionan como agentes reductores; los reactivos tiol son utilizados en exceso para llevar el equilibrio a la derecha: RS–SR + 2 HOCH2CH2SH HOCH2CH2S–SCH2CH2OH + 2 RSH
El reductor Tris (2-carboxietil)fosfina (TCEP) es útil, además de por ser inodoro comparado con b-ME y DTT, porque es selectivo en condiciones alcalinas y ácidas (contrario al DTT), es más hidrofílico y más resistente a la oxidación mediada por el aire. Además, generalmente no es necesario remover TCEP antes de la modificación de tioles de proteína.TCEP technical information, from Interchim
En síntesis orgánica, compuestos hidruro son empleados típicamente para la escisión de disulfuros, tales como borohidruro de sodio. Metales alcalinos más agresivos tendrán efecto en esta reacción: RS–SR + 2 Na → 2 NaSR Estas reacciones son frecuentemente seguidas por una protonación del tiolato NaSR + HCl → HSR + NaCl
El intercambio tiol-disulfuro es una reacción química en que el grupo tiolato –S− ataca el átomo de azufre de un enlace disulfuro –S–S–. El enlace disulfuro original se rompe, y el otro átomo de azufre (átomo verde en la Figura 1) es liberado como un nuevo tiolato que se lleva la carga negativa. Mientras tanto, el nuevo enlace disulfuro se forma entre el tiolato atacante (átomo rojo en la Figura 1) y el átomo de azufre original (átomo azul en la figura 1).
centro|marco|Intercambio tiol-disulfuro que muestra el intermediario lineal en el que la carga es compartida entre los tres átomos de azufre. El grupo tiolato (mostrado en rojo) ataca el átomo de azufre (mostrado en azul) del enlace disulfuro, desplazando el otro átomo de azufre (mostrado en verde) y formando un nuevo enlace disulfuro.
Los tiolatos, no los grupos tiol, atacan los enlaces disulfuro. Por lo tanto, el intercambio tiol-disulfuro es inhibido a un pH bajo (típicamente, menor a 8) donde la forma de tiol protonado es favorecida a la forma de tiol desprotonado. (El pKa de un grupo tiol típico es cercano a 8.3, pero puede variar de acuerdo a su entorno.)
El intercambio tiol-disulfuro es la reacción principal por la que los enlaces disulfuro son formados y reacomodados en una proteína. El rearreglo de los enlaces disulfuro dentro de una proteína generalmente ocurre por vía intercambio tiol-disulfuro intraproteína; el grupo tiolato de un residuo de cisteína ataca los enlaces disulfuro propios de la proteína. Este proceso de rearreglo de disulfuros no cambia el número de enlaces disulfuro en una proteína, solo su localización (cuales cisteínas son las que se encuentran enlazadas). El proceso de intercambio es mucho más rápido que reacciones de óxido-reducción, las cuales cambian el número de enlaces disulfuro dentro de la proteína. La oxidación y reducción in vitro de enlaces disulfuro en una proteína generalmente también ocurre vía reacciones de intercambio tiol-disulfuro. Típicamente, el tiolato de un reactivo redox como glutationa o ditiotreitol ataca el enlace disulfuro en una proteína formando un enlace disulfuro mixto entre la proteína y el reactivo. Cuando este enlace disulfuro mixto es atacado por otro reactivo tiolato, deja oxidada la cisteína. En efecto, el enlace disulfuro es transferido de la proteína al reactivo en dos pasos (las dos reacciones de intercambio).
La oxidación y reducción in vivo de enlaces disulfuro en una proteína por intercambio tiol-disulfuro es facilitado por una proteína llamada tioredoxina. Esta pequeña proteína, esencial para todos los organismos vivos conocidos, contiene dos residuos de aminoácidos de cisteína en un arreglo vecinal (uno junto a otro), lo que permite que se forme un enlace disulfuro interno, o enlaces disulfuro con otras proteínas. Como tal, puede ser utilizada como repositorio de enlaces disulfuro oxidados o reducidos.
Muchas reacciones orgánicas especializadas han sido desarrolladas por disulfuros, de nuevo principalmente asociadas con la escisión del enlace S–S, que usualmente es el enlace más débil en una molécula orgánica. En las reacciones de ruptura de disulfuros de Zincke, los disulfuros son escindidos para resultar en halogenuros de sulfenilo por la reacción con bromo o cloro.For example the conversion of di-o-nitrophenyl disulfide to o-nitrophenylsulfur chloride Methyl sulfenyl chloride:
miniaturadeimagen|150px|Enlaces disulfuro (Representación esquemática) en una proteína.
Ocurrencia en proteínas Los enlaces disulfuro tienen un rol importante en el plegamiento y estabilidad de algunas proteínas, usualmente proteínas secretadas al medio extracelular. Ya que la mayoría de los comportamientos celulares son ambientes reductores, en general, los enlaces disulfuro son inestables en el citosol, con algunas excepciones como se denota más abajo, a no ser que haya sulfidril oxidasa presente.
miniaturadeimagen|150px|La cistina es un dímero que se compone de dos aminoácidos de cisteína unidos por un enlace disulfuro.(Mostrado aquí en su forma desionizada).
Los enlaces disulfuro en proteínas están formadas entre grupos tiol de residuos de cisteína por el proceso de plegamiento oxidativo. El otro aminoácido que contiene azufre, metionina, no puede formar enlaces disulfuro. Un enlace disulfuro es típicamente denotado por poner un guion entre las abreviaciones de cisteína. Por ejemplo, si se refiere a los enlaces de la Ribonucleasa A, el "enlace disulfuro Cis26–Cis84", o el "enlace disulfuro 26–84" o simplemente como "C26–C84" donde el enlace disulfuro es sobreentendido y no es necesario mencionarlo. El prototipo de un enlace disulfuro proteico es el tener un péptido de dos aminoácidos, cistina, que se compone de dos aminoácidos de cisteína unidos por un enlace disulfuro (mostrado en la Figura 2 en su forma desionizada). La estructura de un enlace disulfuro puede ser descrito por su ángulo diedro χss entre átomos Cβ–Sγ–Sγ–Cβ, que usualmente se aproxima a ±90°.
El enlace disulfuro estabiliza la forma plegada de una proteína de varias maneras: Mantiene dos porciones de la proteína juntas, que le da a la proteína su topología plegada. Lo que conlleva a que el enlace disulfuro desestabiliza la forma desplegada de la proteína al bajar su nivel de entropía. En enlace disulfuro puede formar un núcleo hidrofóbico en una proteína plegada, por ejemplo, residuos hidrofóbicos locales se pueden condensar alrededor de un enlace disulfuro y también uno sobre otro en consecuencia de las interacciones hidrofóbicas. En relación con 1 y 2, el enlace disulfuro une dos segmentos de la cadena proteica; el enlace aumenta la concentración local de residuos proteicos y disminuye la concentración local de moléculas de agua. Ya que las moléculas de agua atacan los enlaces de hidrógeno amida-amida y rompen la estructura secundaria, un enlace disulfuro estabiliza la estructura secundaria en su vecinidad. Por ejemplo, investigadores han identificado varios pares de péptidos que están inestructurados cuando se encuentran aislados, pero adoptan una estructura secundaria o terciaria cuando se forma un enlace disulfuro entre ellos.