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个半胱氨酸残基的蔬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4二硫键（disulfide bond即S -S键，是2个蔬基被氧化而形成的-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残基的蔬 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、B 2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IgG的轻链和重链也是通过链间二硫键结合的。f!A 锤 Glv-lle-Val-Glui-Glti-CvB-ys-Ala-Ser-Val-Cjrs-Ser-Iet-Tvr-Glr-I.eu-Glu-As.n-Tyr-Cys-AsnII21SssB链Phg Vai AnGlriCvsd v His IVaI （jIu Ala Tyr VaI CvsiGlyGlu * Arg Glv-Phe 一 Phe -Tvr-Tlir- Pro-Lyn- Ala31團1 展岛霸蛋白分子的45内二晞皴和链间二橋9?2二硫键的作用二硫键对蛋白质的正确折叠和高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 budge 1, 2。3二硫键是一个动态变化的化学键二硫键由2个蔬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蔬基基团 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。偃学博士，教授，本刊编委烫发前烫发后SSSSHSH SH S S S蔬基S S S还原齐IJSH SH SH氧化剂SSSS S S SH SH SH S S S SssSHSH SHSSS6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蔬基的存在（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，半胱氨酸上的蔬基为其活性基团。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，作为蔬基供体的还原型 谷胱甘肽占多数，有利于维护蛋白质的蔬基处于还原状态，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蔬基，有重要的生理 功用。有些毒物如芥子气、重金属盐等，能与酶分子的蔬基结合而抑制酶活性， 从而发挥其毒性作用。二蔬基丙醇可以使结合的蔬基恢复原来状态，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,常加入蔬基还原剂如二硫代 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，纯化蛋白时加入蔬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 要加入高浓度的蔬基还原剂增溶4,55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、盐酸肌，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（denaturationo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 如二芬基乙醇等，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-蔬基乙醇（2-Meicapto -ethanol 和二硫代苏糖醇（dithiotlueitol 4, 5o 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（keiatin o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表示蔬基如图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 为游离蔬基。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蔬基氧化，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（但也可能维持蔬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（山东省荷泽市第一中学山东荷泽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IgG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lWedemeyei W.J., Welkei E.,Narayan M. et al. Disulfide bonds and protein folduig.Biochenustiy.2000,39( 15:4207一 4216. 2Hogg P. J. Disulfide bonds as switches foi protem ftinction. 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,Biochenustiy,The Benjamin Cunmi-ings Publisluiig Co.,Redwood City,CA, 1990:194一 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 -nnal:xug