徐國恆（北京大學醫學部生理與病理生理系北京 100191）
摘要二硫鍵是肽鏈上2個半胱氨酸殘基的巰基基團發生氧化反應形成的共價鍵，具有鏈內二硫鍵和鏈間二硫鍵2種形式。與氨基酸的氨基氮原子之間形成的穩定共價鍵不同，二硫鍵容易被還原而斷裂，斷裂後可再次氧化重新形成二硫鍵，因而是可以動態變化的化學鍵。二硫鍵是參與一級結構也是形成高階結構的重要化學鍵，對蛋白質摺疊和高階結構的形成與維持十分重要。
討論了二硫鍵的形成和特徵及其與蛋白質結構和功能之間的關係，並討論了生物學教學中關於二硫鍵的一些疑問。
關鍵詞蛋白質二硫鍵高階結構功能
二硫鍵（disulifide bond）即s—s鍵，是2個巰基被氧化而形成的—s—s—形式的硫原子間的共價鍵。肽鏈上的2個半胱氨酸（cysteine，簡稱cys）殘基的巰基基團，可發生氧化反應形成二硫鍵；伴隨二硫鍵的形成，半胱氨酸殘基轉變為胱氨酸殘基。二硫鍵對維持蛋白質的分子結構具有十分重要的作用。
1 鏈內二硫鍵和鏈間二硫鍵
同一條肽鏈上的2個半胱氨酸殘基之間形成的二硫鍵，稱為鏈內二硫鍵，例如胰島素a鏈內有1個二硫鍵。不同的肽鏈上的2個半胱氨酸之間可形成鏈間二硫鍵，例如胰島素蛋白分子由a、b 2條肽鏈組成，除了a鏈內部有1個鏈內二硫鍵外。a鏈和 b鏈之間也通過 2個二硫鍵連線在一起（圖 1）。
另外，免疫球蛋白lgg的輕鏈和重鏈也是通過鏈間二硫鍵結合的。
圖 1 胰島素蛋白分子的鏈內二硫鍵和鏈間二硫鍵
cys是半胱氨酸的英文縮寫
2 二硫鍵的作用
二硫鍵對蛋白質的正確摺疊和高階結構的形成與維持十分重要。二硫鍵的形成迫使同一或不同肽鏈的不同區域的氨基酸殘基向一起靠攏集合，由此肽鏈迅速摺疊並形成穩定的空間拓撲結構，該區域的氨基酸殘基數量是高度密集的；同時疏水氨基酸殘基圍繞著二硫鍵，可形成區域性疏水中心，拒絕水分子進入肽的內部破壞氫鍵。利於形成穩定的高階結構區域。
由於二硫鍵可以橋接肽鏈的不同區域，有時候也被稱為二硫橋（disulifide bridge）。
3 二硫鍵是乙個動態變化的化學鍵
二硫鍵由 2個巰基通過氧化反應生成。二硫鍵雖然是共價鍵，但並不十分牢靠。二硫鍵很容易被還原而斷裂，斷裂後可以再次氧化重新形成二硫鍵。
因而，二硫鍵是可以動態變化的，只具有相對的穩定性，這一特徵與氨基酸氮原子間形成的十分牢靠的共價鍵不同。許多蛋白質需要二硫鍵維持其特定的高階結構和生物學功能。當二硫鍵被斷開還原為巰基基團時，蛋白質結構必然發生改變，可能完全或部分失去原有的生物功能。
但有些蛋白質可能因為二硫鍵的還原，發生構象變化導致生物活性反而增強或出現新的功能。無論是二硫鍵斷裂或是二硫鍵重新形成，均可調節蛋白質執行某種特定的功能。
4 二硫鍵的斷裂再鍵合調節蛋白質功能
在細胞內一些蛋白質需要二硫鍵維持結構和功能，但另一些蛋白的活性卻有賴於半胱氨酸殘基的游離巰基的存在（即二硫鍵被還原斷開的狀態）。那麼，蛋白質如何實現二硫鍵的氧化還原即鍵合與斷裂呢？細胞中普遍存在一種三肽即穀胱甘肽，含谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸殘基，半胱氨酸上的巰基為其活性基團。
穀胱甘肽有還原型和氧化型兩種形式，在酶的作用下兩型之間可以相互轉化。在細胞內，作為巰基供體的還原型穀胱甘肽占多數，有利於維護蛋白質的巰基處於還原狀態，不形成二硫鍵，以維護蛋白質的特定功能。因而還原型穀胱甘肽能保護酶分子上的巰基，有重要的生理功用。
有些毒物如芥子氣、重金屬鹽等，能與酶分子的巰基結合而抑制酶活性，從而發揮其毒性作用。二巰基丙醇可以使結合的巰基恢復原來狀態，所以具有解毒作用。
在體外，多肽的二硫鍵的形成可使蛋白質分子發生凝集、沉澱、活性降低。體外儲存酶蛋白溶液如 dna 限制性內切酶時，常加入巰基還原劑如二硫代蘇糖醇防止酶蛋白分子形成二硫鍵，以維護酶蛋白的正確結構和活性。在蛋白質研究中，純化蛋白時加入巰基還原劑的原理也是如此。
例如用工程菌表達重組蛋白質時，含有半胱氨酸的重組蛋白質常因二硫鍵形成，而使其包涵體難於溶解，需要加入高濃度的巰基還原劑增溶。
5 蛋白質的完全變性需要打斷二硫鍵
物理因素如高溫和放射線，化學變性劑如sds、尿素、鹽酸胍，能夠破壞疏水鍵、鹽鍵、氫鍵、范德華力，因而能破壞蛋白質的高階結構，導致蛋白質理化性質改變和生物活性喪失，稱為蛋白質的變性（denaturation）。但是，這些變性劑並不影響肽鍵和二硫鍵，因而難以徹底破壞蛋白質的高階結構使蛋白質徹底變性。如果再加上還原劑如二巰基乙醇等，則可使蛋白質完全變性。
在生物醫學研究中最常用的2種還原劑是β一巰基乙醇（2一mercapto—ethano1）和二硫代蘇糖醇（dithiothreito1）。
6 生活中的應用：二硫鍵與燙髮和髮型保持
蛋白質佔毛髮乾重的 90％，主要是角蛋白（keratin）。角蛋白的分子結構中含有大量的二硫鍵。不同種類的毛髮如人發和鳥類羽毛，以及毛髮的不同部位的半胱氨酸含量和二硫鍵數量有很大差別，這些差別與毛髮的柔韌程度有關。
日常生活中的燙髮和髮型保持，主要原理是操縱毛髮角蛋白二硫鍵的還原和再氧化，即二硫鍵的斷開和重新鍵合。
圖2 二硫鍵的還原和再化是燙髮時髮型改變的基礎
代表肽鏈，s-s表示二硫鍵，sh表示巰基
如圖2所示，燙髮前毛髮角蛋白中的大量二硫鍵以某種特定的方式排列。燙髮過程中，先使用還原劑如硫代乙醇酸鹽處理頭髮，使角蛋白中的二硫鍵斷裂還原為游離巰基。用捲髮器將毛髮固定成所要的波浪形狀。
然後使用氧化劑如雙氧水處理頭髮，使角蛋白中剛剛被還原的巰基氧化，並在新的位置形成二硫鍵。燙髮後新形成的二硫鍵在角蛋白肽鏈中的位置，與燙髮前相比發生明顯的變化，頭髮的形狀也隨之發生改變並維持於新的髮型。如果不使用捲髮器的話，上述還原氧化過程可將波浪狀的頭髮拉直。
雖然市面上的燙髮劑標有各種各樣的成分。但只有還原劑和氧化劑是必要的核心成分，其他所有成分並非必要，無非是些肥皂之類的表面活性劑和廣告概念性的新增劑。現代的冷燙還是熱燙，基本原理大致如此，惟其所用還原劑和氧化劑有所不同而已。
7 二硫鍵是構成一級結構的共價鍵，還是構成高階結構的共價鍵？
在蛋白質分子結構中，二硫鍵歸屬於蛋白質的一級結構，還是歸屬於高階結構？在中國，有不少參加生物學奧賽的中學生和教師提出過這樣的問題，看似簡單實則難以回答。基本上，在大學生物化學關於蛋白質分子結構教材裡，這樣的問題似乎未曾被強調過，也沒有簡單的答案或者沒有唯一正確的答案。
作者試圖討論如下。如果說，蛋白質一級結構是指肽鏈氨基酸殘基共價結合的排列順序，那麼氨基酸殘基間的共價鍵只有肽鍵和二硫鍵，肽鍵是主鍵，而二硫鍵是副鍵且只在 2個半胱氨酸殘基存在時才有可能形成（但也可能維持巰基的還原狀態不形成二硫鍵）。嚴格按照這一概念，二硫鍵可以認為是屬於構成一級結構的共價鍵。
的確，國內外一些大學專業教材明確指出，氨基酸殘基之間的所有共價鍵，報括二硫鍵與肽鍵均屬於蛋白質一級結構的鍵以胰島素蛋白為例，胰島素的a鏈內部有乙個鏈內二硫鍵（圖1），這樣的鏈內二硫鍵可以說屬於構成蛋白質一級結構的共價鍵。但胰島素a鏈和b鏈之間還存在2個二硫鍵（圖 1），免疫球蛋白lgg的輕鏈和重鏈也是通過鏈間二硫鍵結合形成免疫球蛋白的高階結構。很多大學專著和研究文獻又明確指出，維持蛋白質高階結構的作用力主要是氫鍵、疏水相互作用、離子鍵、范德華力以及共價二硫鍵，認為二硫鍵是參與高階結構的共價鍵。
因而可以說，二硫鍵參與一級結構但無疑也是參與高階結構的重要化學鍵。
如前所述，在蛋白質的分子結構中肽鍵是穩固的，而二硫鍵是動態變化的共價鍵。某些蛋白質分子的二硫鍵在斷裂和重新鍵合之間變化，導致其高階結構發生變化，以調節其特定的功能和活性。二硫鍵的這種可變的特性，如同氫鍵、疏水相互作用、離子鍵、范德華力在生理條件下可以改變一樣，有利於蛋白質分子的高階結構和功能調節
8 結語
總之，二硫鍵是構成一級結構的共價鍵，還是構成高階結構的共價鍵？這一問題沒有唯一的答案。可以明確的是，二硫鍵參與一級結構的形成但也是形成高階結構的共價鍵。
蛋白質的結構」說課稿
蛋白質的結構 是高中新教材的必修 第二章第二節中的理論內容。一 說教材 蛋白質的相關內容在高中生物教學中是乙個重點也是乙個難點，尤其是蛋白質的結構多樣性是學生理解蛋白質功能多樣性的基礎，也是理解生命多樣性的基礎。對於 蛋白質的結構 的學習，教材安排了通過思考討論來完成，這種安排符合學生思維發展過程 ...
4蛋白質的二級結構
2010遺傳學 parta 熱動力學與蛋白質分子的構象 一種蛋白質自身所採取的構象或者功能狀態取決於熱動力學。如典型的核糖核酸酶實驗 蛋白質的天然構象或者有功能的構象是由熱力學規律控制的 酵素破壞氫鍵，巰基乙醇破壞二硫鍵 1 部分決定於多肽鏈氨基酸殘基的區域性分布 2 在非區域性構造特徵摺疊中，由重...
學案4蛋白質的結構與功能
編寫 榮巧梅審核 李紅玲批准2012年9月10日 姓名班級 學習目標 1 了解蛋白質的元素組成及基本組成單位 2 理解氨基酸的種類 3 了解氨基酸通過脫水縮合形成蛋白質的過程 4 理解蛋白質的結構和功能，認同蛋白質的結構和功能的關係 5.掌握蛋白質的相關計算。重難點 1 氨基酸的組成與結構。2 蛋白...