二硫键与蛋白质的结构(精).docVIP

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 、 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 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 [1~3]。 *医 学 博 士 , 教 授 , 本 刊 编 委 烫发前 烫发后 S S S SH SH SH S S S 巯基 S S S 还原剂 SH SH SH 氧化剂 S S S S S S SH SH SH S S S S S S SH SH SH S S S 6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