备课素材：二硫键与蛋白质的活性-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

二硫键与蛋白质的活性 先看一道试题： 角蛋白是头发的主要成分,由2条肽链组成,含有2个二硫键。如图表示烫发的原理,下列叙述正确的是(      ) A.  角蛋白的两条肽链之间通过脱水缩合反应形成的二硫键连接 B.  氨基酸形成角蛋白的过程中,丢失的H仅来自于氨基和羧基 C.  烫发过程中角蛋白的肽键没有断裂,仅改变了角蛋白的空间结构 D.  烫发过程中角蛋白的相对分子质量不变 解析：角蛋白的两条肽链之间通过二硫键连接，但不属于脱水缩合反应，A错误；氨基酸形成角蛋白的过程中，丢失的H来自于氨基和羧基以及-SH，B错误；烫发过程中角蛋白的肽键没有断裂，仅使二硫键断裂和重组，从而改变了角蛋白的空间结构，C正确；结合图示可知，烫发过程中角蛋白中二硫键减少了2个H，所以角蛋白的相对分子质量发生了改变，D错误。故答案为C。 此题考查了“二硫键”。 2020版高中生物学必修一提到了“二硫键”，但没有详细介绍： 那么，什么是“二硫键”？有什么作用？与蛋白质活性有什么关系？ 上题涉及二硫键及其作用在生活中的应用，二硫键与烫发和发型保持有一定的关系。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。 二硫键（disulfide bond） 是连接不同肽链或同一肽链中两个半胱氨酸的化学键。二硫键是比较稳定的共价键，在蛋白质分子中，起着稳定肽链空间结构的作用。二硫键数目越多，蛋白质分子对抗外界因素影响的稳定性就愈大。 在化学中，二硫键指结构为R-S-S-R '的官能团。二硫键通常由两个硫醇基团耦合而成。在生物学中，两个半胱氨酸残基中硫醇基团间形成的二硫键是蛋白质二级结构和三级结构的重要组成部分。此键在蛋白质分子的立体结构形成上起着一定的重要作用。 1.二硫键的的形成 二硫键结合能力较强，典型的二硫键键离解能为60 kcal/mol (251 kJ/mol)。由于二硫键比C-C键和C-H键弱40%左右，在许多分子中二硫键往往是”弱键”。此外，S-S键反映了二价硫的极化特性，容易被极性试剂（包括亲电试剂和亲核试剂，特别是亲核试剂）切断。 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，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，人胰岛素蛋白分子由A、B2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（如图）。在计算相对分子质量时，一个二硫键形成失去二个氢原子。 哺乳动物细胞内蛋白质二硫键的形成过程发生在内质网内，成熟于蛋白翻译后修饰的过程中。原核生物是依靠一系列氧化还原酶，真核生物则是依靠一系列蛋白质二硫键异构酶催化形成二硫键的。但两者的反应都是通过电子传递链完成的，只是由于受体与供体的不同涉及到三种不同类型的反应：氧化、还原和异构化。 在原核生物中，二硫键的形成机制和能力存在多样性。一些细菌物种展示了不同的机制和形成蛋白质二硫键的能力 。在这些生物体中，二硫键的形成是由专门的氧化还原酶系统介导的，从而形成蛋白质内的二硫键。 2.二硫键的作用 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。 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（一种数字结构），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。 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（-SH）的存在（即二硫键被还原断开的状态）。 3.二硫键和蛋白质空间结构的关系 二硫键的正确连接对蛋白质活性的维持是必不可少的，它们可以增强蛋白质的热力学稳定性，使蛋白质不易于变性或降解，并更能抵抗温度极端变化。二硫键构成蛋白质的一级结构，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，二硫键可以认为是属于构成一级结构的共价键。例如，胰岛素的A链内部有一个链内二硫键，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。 资料表明，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空间结构的重要化学键。某些蛋白质分子的二硫键在断裂和重新键合之间变化，导致其空间结构发生变化，以调节其特定的功能和活性。 学科网（北京）股份有限公司 $$