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二硫键与蛋白质的结构

生物学通报 2019-06-12 06:39:11

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徐国恒
北京大学医学部 生理与病理生理系

1
什么是二硫键

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。



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。



3
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。



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。




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、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。


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β-巯基乙醇和二硫代苏糖醇。



文章来源

徐国恒.二硫键与蛋白质的结构. 生物学通报, 2010, 45(5):5-7.


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