二硫键与蛋白质的结构

2010年第 45卷 第 5期 生 物 学通 报 5二硫键与蛋白质的结构徐国恒 *（北京大学医学部生理与病理生理系北京100191摘要二硫键是肽链上 2个半胱氨酸残基的巯基基团发生氧化反应形成的共价键 , 具 有链内二硫键和链间二硫键 2种形式 。 与氨基酸的氨基氮原子之间形成的稳定 共价键不同 , 二硫 键容易被还原而断裂 , 断裂后可再次氧化重新形成二硫键 , 因而 是可以动态变化的化学键 。二 硫键是参与一级结构也是形成高级结构的重要化学 键 , 对蛋白质折叠和高级结构的形成与维 持十分重要 。讨论了二硫键的形成和特 征及其与蛋白质结构和功能之间的关系 , 并讨论了生 物学教学中关于二硫键的一些 疑问 。关键词蛋白质二硫键高级结构功能中国图书分类号 :Q51文献标识码:A二硫键（disulfide bond即S -S键，是2个巯基被氧化而形成的-S-S-形式 的硫原子间的共价键。肽链上的2个半胱氨酸（cysteine ,简称Cys残基的巯 基基团，可发生氧化反应形成二硫键；伴随二硫键的形成,半胱氨酸残基转变为胱 氨酸残基。二硫键对维持蛋白质的分子结构具有十分重要的作用。1链内二硫键和链间二硫键同一条肽链上的2个半胱氨酸残基之间形成的二硫键,称为链内二硫键, 例如胰岛素A链内有1个二硫键。不同的肽链上的2个半胱氨酸之间可形成 链间二硫键,例如胰岛素蛋白分子由A、B2条肽链组成,除了 A链内部有1个链内二硫键外,A链和B链之间也通过2个二硫键连接在一起（图1。另外,免 疫球蛋白lgG的轻链和重链也是通过链间二硫键结合的。f1A 链 Glv- Tip-VJ-Cln-GI u-Cjfc-Cvi；- A i u-V al - C vs-Se r-I j?u -Tvt- Gtr -1 jeu - Glu - Asn -Tyr自一 AstiII21SssPhe - V nlA&n Gin Hig -Cl* Has I- GluALu - eu Tyi - IjcuXraJ - CG1lI Arg -Gly-Ph-PlieLs-ALd31圉1 麻骷離養白甘于的桂内二硫犍和価何二ft讎2二硫键的作用二硫键对蛋白质的正确折叠和咼级结构的形成与维持十分重要。二硫键的形成迫使同一或不同肽链的不同区域的氨基酸 残基向一起靠拢集合，由此肽链迅速折叠并形成稳定的空间拓扑结构,该区域的氨 基酸残基数量是高度密集的；同时疏水氨基酸残基围绕着二硫键,可形成局部疏水 中心 , 拒绝 水分子进入肽的内部破坏氢键 , 利于形成稳定的高 级结构区域 。 由于 二硫键可以桥接肽链的不同区 域 , 有时候也被称为二硫桥 (disulfide bridge 1, 2。3 二硫键是一个动态变化的化学键二硫键由 2个巯基通过氧化反应生成 。 二硫键虽然是共价键 , 但并不十分牢靠 。 二硫键很容易被还原而断裂 , 断裂后可 以再次氧化重新形成二 硫键。 因而 ,二硫键是可以动态变化的 , 只具有相 对的稳 定性 , 这一特征与氨基酸氮原子间形成的 十分牢靠的共价键不同 。许多蛋白质需 要二硫键维持其特定的高级结构和生物学功能 。 当二硫键 被断开还原为巯基基团 时 , 蛋白质结构必然发生 改变 , 可能完全或部分失去原有的生物功能 。 但有 些蛋 白质可能因为二硫键的还原 , 发生构象变化 导致生物活性反而增强或出现新的功 能。 无论是 二硫键断裂或是二硫键重新形成 ,均可调节蛋白 质执行某种特定的功 能 13 。*医学博士 ,教授 ,本刊编委烫发前烫发后S S S SHSH SH S S S巯基S S S还原齐ISH SH SH氧化剂S S SS S S SH SH SH S S S SSHSH SHSS S6生 物 学通 报 2010年 第 45卷第 5期4 二硫键的断裂再键合调节蛋白质功能 在细胞内一些蛋白质需要二硫键维持结 构和功能 , 但另一些蛋白的活性却有赖于半胱氨酸残 基 的游 离 巯 基 的存 在 （即 二硫 键 被 还原 断 开 的 状态 。 那么 , 蛋白质如何实现二硫键的氧化还原即 键合 与断裂呢 ? 细胞中普遍存在一种三肽即谷胱甘 肽 , 含 谷 氨酸 、 半 胱 氨酸 和 甘 氨酸 残 基 , 半 胱 氨 酸上的巯基为其活性基团。 谷胱甘肽有还原型和 氧化型两种 形式 , 在酶的作用下两型之间可以相 互转化 。 在细胞内 , 作为巯基供体的还原型 谷胱甘肽占多数 , 有利于维护蛋白质的巯基处于还原状 态 , 不形成二硫键 ,以维护 蛋白质的特定功能。 因 而还原型谷胱甘肽能保护酶分子上的巯基 ,有重 要的生理 功用。 有些毒物如芥子气 、 重金属盐等 , 能与酶分子的巯基结合而抑制酶活性 , 从而发挥其毒性作用 。 二巯基丙醇可以使结合的巯基恢复 原来状态 , 所以具有解 毒作用 。在体外 , 多肽的二硫键的形成可使蛋白质分 子发生凝集 、沉淀 、 活性降 低。 体外储存酶蛋白溶 液如 DNA 限制性内切酶时 , 常加入巯基还原剂如 二硫代 苏糖醇防止酶蛋白分子形成二硫键 , 以维 护酶蛋白的正确结构和活性 。 在蛋白质 研究中 , 纯 化蛋白时加入巯基还原剂的原理也是如此 。例如 用工程菌表达重组蛋 白质时 , 含有半胱氨酸的重 组蛋白质常因二硫键形成 , 而使其包涵体难于溶 解 ,需 要加入高浓度的巯基还原剂增溶4, 5o5 蛋白质的完全变性需要打断二硫键物理因素如高温和放射线 ,化学变性剂如SDS 、 尿素 、 盐酸胍 , 能够破坏疏水键 、 盐键、 氢键 、 范德华力 , 因而能破坏蛋白质的高级结构 ,导致蛋白 质理化性质改变和生物活性 丧失 , 称为蛋白质的变 性 (denaturation。 但是 , 这些变性剂并不影响肽键和 二硫 键 , 因而难以彻底破坏蛋白质的高级结构使蛋 白质彻底变性 。如果再加上还原剂 如二巯基乙醇等 , 则可使蛋白质完全变性 。在生物医学研究中最 常 用 的 2种 还 原剂是0巯基乙醇(2-Mercapto -ethanol 和二硫代苏糖醇 (dithiothreitol 4, 5。 6生活中的应用 :二硫键与烫发和发型保持 蛋 白 质 占毛 发 干 重的 90%,主 要 是 角 蛋 白 (keratin 。 角 蛋 白 的 分 子 结 构 中 含 有 大 量 的 二 硫 键 。 不同种 类的毛发如人发和鸟类羽毛 , 以及毛发 的不同部位的半胱氨酸含量和二硫键数量有 很大差别 , 这些差别与毛发的柔韧程度有关 。 日常生活中的烫发和发型保持 , 主 要原理是操纵毛发角蛋 白二硫键的还原和再氧化 , 即二硫键的断开和重 新键合 。图 2二硫键的还原和再氧化是烫发时发型改变的基础代表肽链,S -S表示二硫键,SH表示巯基如图 2所示 ,烫发前毛发角蛋白中的大量二硫键以某种特定的方式排列。烫 发过程中 ,先使用还原剂如硫代乙醇酸盐处理头发 ,使角蛋白中的二硫键断裂还原 为游离巯基。 用卷发器将毛发固 定成所要的波浪形状 ,然后使用氧化剂如双氧水 处理头发 , 使角蛋白中刚刚被还原的巯基氧化 ,并 在新的位置形成二硫键 。 烫发 后新形成的二硫键在角蛋白肽链中的位置 , 与烫发前相比发生明显 的变化 , 头发的 形状也随之发生改变并维持于新 的发型。 如果不使用卷发器的话 ,上述还原氧化 过 程可将波浪状的头发拉直 。 虽然市面上的烫发剂 标有各种各样的成分 , 但只有 还原剂和氧化剂是必要的核心成分 , 其他所有成分并非必要 , 无非是 些 肥 皂之 类 的表 面 活 性剂 和 广 告 概念 性 的 添加 剂 。 现代的冷烫还是热烫 , 基本原理大 致如此 , 惟 其所用还原剂和氧化剂有所不同而已 。7二 硫 键是 构 成 一 级结 构 的 共价 键 ,还 是 构 成高级结构的共价键 ?在蛋白质分子结构中 , 二硫键归属于蛋白质的一级结构 , 还是归属于高级结构 ? 在中国 ,有不 少参加生物学奥赛的中学生 和教师提出过这样的 问题 , 看似简单实则难以回答 。基本上 , 在大学生 物化学关 于蛋白质分子结构教材里 , 这样的问题 似乎未曾被强调过 , 也没有简单的答案或者 没有唯一正确的答案 。 作者试图讨论如下 。如果说 , 蛋白质一级结构是指肽链氨基酸残 基共价结合的排列顺序 ,那么氨基 酸残基间的共价键只有肽键和二硫键 , 肽键是主键 , 而二硫键是 副键且只在 2个半 胱氨酸残基存在时才有可能形 成 （但 也 可能 维 持 巯基 的 还 原状 态 不 形 成二 硫2010年第 45卷 第 5期 生 物 学通 报 7常规植物遗传改良技术是以基因突变和有性 杂交为基础的。 通常情况下基因 自发或诱发突变的频率低 ,其中有益突变则更少 ;同时 ,某种植物可利 用的 种 质 资源 由 于 受 生殖 隔 离 等特 性 的 制约 , 而局限在一个非常有限的 范围内 , 使植物的遗 传改良在很大程度上受到了限制 。随着分子生物基因工程与植物的遗传改良吴福彪 （山 东 省 菏泽 市 第 一中 学 山 东菏 泽 274035摘要 概述了植物基因工程的发展历史及其在植物遗传改良中与常规改良技术 相比具有的明显优势 , 介绍了经基因工程技术改良的转基因植物研究与应用状况 , 分析了植物基因工程 在植物遗传改良中的潜在风险 , 阐述了利用植物基因工程进行 遗传改良与常规遗传改良的关 系 , 并对今后基因工程在植物遗传改良中的应用前景 进行了展望。关键词基因工程 植物遗传改良 常规遗传改良中国图书分类号:Q789文献标识码:A键。 严格按照这一概念 , 二硫键可以认为是属于构成一级结构的共价键 。 的 确 , 国内外一些大学专 业教材明确指出 , 氨基酸残基之间的所有共价键 , 报括 二 硫键与肽键均属于蛋白质一级结构的键。以胰岛素蛋白为例 ,胰岛 素的A链内部有一个链内二硫键（图1,这样的链内二硫键可以说属于 构成蛋白质一级结构的共价键。但胰岛素A链和B链之间还存在2个二硫键 （图1,免疫球蛋白lgG的轻链和重链也是通过链间二硫键结合形成免 疫球蛋白的高级结构。 很多大学专著和研究文献又明确指出 ,维持蛋白质高级结 构的作用力主要是氢键、疏水相互作用、离子键、范德华力以及共价 二硫键 ,认为二硫键是参与高级结构的共价键。 因而可以说 ,二硫键参与一级结 构但无疑也是参与高级结构的重要化学键。如前所述 ,在蛋白质的分子结构中肽键是稳固的 ,而二硫键是动态变化的共价 键。 某些蛋白质分子的二硫键在断裂和重新键合之间变化 ,导致其高级结构发生 变化 , 以调节其特定的功能和活 性 。 二硫键的这种可变的特性 , 如同氢键 、 疏水 相互作用、离子键、范德华力在生理条件下可以改变一样 ,有利于蛋白质分子 的高级结构和功能调节。 8结语总之 ,二硫键是构成一级结构的共价键 ,还是构成高级结构的共价键 ? 这一问 题没有唯一的答案 。 可以明确的是 ,二硫键参与一级结构的形成但 也是形成高级 结构的共价键。 仔细体会大学教科 书和研究文献的相关描述 ,二硫键被关注的焦 点 更多在于其参与高级结构和功能调节 。 有意思的 是 , 我们的中学生物学常提出 大学教材甚少被单列的问题 。 一方面反映了中学生勤于思考 ,这固然 值得肯定 ; 但另一方面也反映了中学生物学教学 对所谓概念问题的过度挖掘。 与缜密的数学 物理学概念不同 , 生物学的许多概念是比较笼统和宽 泛甚至是模糊的 , 不适于中国 ABCD式的考题。单纯追求二硫键是一级结构或是高级结构的共价键这一问题 的简单答案 , 而不去思考二硫键的特征 及其与蛋白质结构和功能的调控关系 ,对于 中学生的生物学学习并没有多少实际意义 。 生物医学 是实验科学 , 很多概念可能 没有唯一正确的答案 , 至少是没有简单的答案 。致谢 :承蒙与北京大学医学部生物化学与分 子生物学系毛泽斌教授讨论本文内 容 , 特此致谢 。 主要参考文献1Wedemeyer W.J., Welker E.,Narayan M. et al . Disulfide bonds and protein folding.Biochemistry.2000,39(15:4207 4216. 2Hogg P. J. Disulfide bonds as switches for protein function. Trends in Biochemical Sciences.2003,28(4:210 214. 3Matthews C. K. and van Holde K. E. The role of disulfide bonds.In:Bowen,D.,Editor,Biochemistry,The Benjamin Cumm-ings Publishing Co.,Redwood City,CA,1990:194 195.4徐国恒 .蛋白质分子的结构与功能 .生物学通报 ,2010,45(3: 24.5徐 国 恒 . 蛋 白 质的 变 性 . 生 物 学通 报 ,2010,45(4:23.(E-mial: