2010年第45卷第5期生物学通报5二硫键与蛋白质的构造徐国恒*(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响形成的共价键,具有链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,二硫键容易被复原而断裂,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。二硫键是参与一级构造也是形成高级构造的重要化学键,对蛋白质折叠和高级构造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构造和功能之间的关系,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构造功能中国图书分类号:Q51文献标识码:A二硫键(disulfidebond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,可发生氧化反响形成二硫键;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构造具有十分重要的作用。1链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,称为链二硫键,例如胰岛素A链有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链部有1个链二硫键外,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。2二硫键的作用二硫键对蛋白质的正确折叠和高级构造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构造,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部破坏氢键,利于形成稳定的高级构造区域。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(disulfidebridge[1,2]。3二硫键是一个动态变化的化学键二硫键由2个巯基通过氧化反响生成。二硫键虽然是共价键,但并不十分牢靠。二硫键很容易被复原而断裂,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构造和生物学功能。当二硫键被断开复原为巯基基团时,蛋白质构造必然发生改变,可能完全或局部失去原有的生物功能。但有些蛋白质可能因为二硫键的复原,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[1~3]。*医学博士,教授,本刊编委烫发前烫发后SSSSHSHSHSSS巯基SSS复原剂SHSHSH氧化剂SSSSSSSHSHSHSSSSSSSHSHSHSSS6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一些蛋白质需要二硫键维持构造和功能,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复原即键合与断裂呢?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。谷胱甘肽有复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,作为巯基供体的复原型谷胱甘肽占多数,有利于维护蛋白质的巯基处于复原状态,不形成二硫键,以维护蛋白质的特定功能。因而复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限制性切酶时,常参加巯基复原剂如二硫代糖醇防止酶蛋白分子形成二硫键,以维护酶蛋白的正确构造和活性。在蛋白质研究中,纯化蛋白时参加巯基复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,需要参加高浓度的巯基复原剂增溶[4,5]。5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...