二硫鍵在蛋白質(zhì)中的作用及其氧化改性研究進(jìn)展

鐘 新，李軍生*，閻柳娟，黃國霞，王 薇

（1.廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西柳州545006；3.廣西高校糖資源加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西柳州545006）

綜述

二硫鍵在蛋白質(zhì)中的作用及其氧化改性研究進(jìn)展

鐘 新1，2，3，李軍生1，2，3*，閻柳娟1，2，3，黃國霞1，2，3，王 薇1，2，3

（1.廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西柳州545006；3.廣西高校糖資源加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西柳州545006）

蛋白質(zhì)是維持一切生命活力的基礎(chǔ)，含有較多的二硫鍵，但是目前有關(guān)二硫鍵的相關(guān)研究相對較少。本文簡述了二硫鍵的構(gòu)成要素；從二硫鍵對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和表面活性影響的角度分析了二硫鍵的重要性；對采用打開二硫鍵的方法提高蛋白質(zhì)表面活性的可行性和近年來采用氧化改性提高蛋白質(zhì)表面活性的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

二硫鍵；蛋白質(zhì)；表面活性；氧化改性

二硫鍵存在于很多蛋白質(zhì)和多肽當(dāng)中，是維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要共價(jià)鍵之一，不同于氫鍵、靜電作用和范德華力，二硫鍵的穩(wěn)定性幾乎完全依靠二硫鍵的周圍環(huán)境（Creighton，1988），可以通過氧化還原作用使二硫鍵和游離巰基含量發(fā)生改變。二硫鍵的形成對兩個(gè)半胱氨酸的位置和方向有著嚴(yán)格的立體化學(xué)要求，天然二硫鍵的形成要求兩個(gè)硫原子之間的距離必須在2.05到2.08之間，二硫鍵與每個(gè)色氨酸殘基的β-碳原子的夾角必須接近103°，且兩個(gè)硫原子與各自相連的β-碳原子形成的兩個(gè)S—C鍵的夾角保持90°（Creighton，1988）。二硫鍵的存在嚴(yán)重限制了蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的伸展，所以它們影響著結(jié)構(gòu)的柔性和緊實(shí)度，這是蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能性質(zhì)的決定性因素（Gekko等，2003）。對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)在穩(wěn)定蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)、促進(jìn)蛋白質(zhì)正確折疊以及防止疏水基團(tuán)的暴露三個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上講，任何蛋白質(zhì)都是由疏水和親水兩種氨基酸組成，天然蛋白質(zhì)在折疊的過程中，由于二硫鍵鎖定的緣故，疏水基團(tuán)一般被包裹在分子內(nèi)部，可以有效防止疏水基團(tuán)與水等溶劑的接觸，這在一定程度上降低了蛋白質(zhì)的表面活性。通常情況下，二硫鍵的斷裂或錯(cuò)誤連接會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變得疏松以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的暴露。

1 二硫鍵對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

雖然人們通過凝膠排阻層析法、小角X射線衍射等方法對還原態(tài)二硫鍵進(jìn)行了大量的研究，但是對于二硫鍵維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性機(jī)理的相關(guān)數(shù)據(jù)依然很有限，一般認(rèn)為構(gòu)象熵的變化是蛋白質(zhì)天然構(gòu)象失穩(wěn)的重要原因（Klink，2000）。

楊程（2010）采用分子動(dòng)力學(xué)模擬從分子水平研究了二硫鍵對胰島素結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)二硫鍵斷裂后，A、B鏈解離，B鏈的中心螺旋趨于失穩(wěn)，胰島素穩(wěn)定性降低。Klink（1992）通過對核糖核酸酶A（RNase A）的二硫鍵進(jìn)行突變研究了二硫鍵對蛋白構(gòu)象穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，每個(gè)二硫鍵突變?nèi)フ郫B有兩種狀態(tài)過程，每個(gè)二硫鍵對蛋白質(zhì)的構(gòu)象穩(wěn)定性都有很大的影響，且兩個(gè)終端的二硫鍵比兩個(gè)嵌入式二硫鍵對維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用更大。Kang（2003）采用β-巰基乙醇斷裂二硫鍵的方法研究了牛血清白蛋白（BSA）結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)隨著二硫鍵斷開程度的增加，色氨酸基團(tuán)熒光強(qiáng)度下降且最大發(fā)射峰位藍(lán)移，表明隨著二硫鍵斷開程度增加蛋白質(zhì)逐漸變性，疏水環(huán)境的色氨酸逐漸發(fā)生變化；同時(shí)遠(yuǎn)紫外圓二色譜表明二硫鍵斷裂后蛋白質(zhì)的α-螺旋含量沒有顯著變化，表明二硫鍵斷裂對蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)影響不大。Kella（1989）研究二硫鍵對乳清蛋白結(jié)構(gòu)的影響，當(dāng)二硫鍵斷開率在25%和50%時(shí)內(nèi)源熒光分別紅移了7 nm和12 nm；二硫鍵斷開率進(jìn)一步提高內(nèi)源熒光開始藍(lán)移。Kalapathy（1997）分別用10 mmol/L的β-巰基乙醇和6 mmol/L的尿素?cái)嚅_大豆蛋白的二硫鍵，發(fā)現(xiàn)二硫鍵全部斷裂后色氨酸最大發(fā)射峰位藍(lán)移，色氨酸殘基暴露向著非極性的環(huán)境轉(zhuǎn)移，說明分子的部分去折疊發(fā)生在色氨酸基團(tuán)附近。二硫鍵斷裂除了會(huì)引起色氨酸基團(tuán)微環(huán)境的變化，還會(huì)引起二級結(jié)構(gòu)的變化。如Kella（1988）對二硫鍵斷裂導(dǎo)致BSA結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了詳細(xì)的分析，紫外差示光譜顯示S—S斷裂后287～288 nm的負(fù)峰出現(xiàn)藍(lán)移，在279 nm處出現(xiàn)肩峰，表明酪氨酸殘基集中在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，且二硫鍵斷裂后由于結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致酪氨酸殘基從內(nèi)部向外部水環(huán)境轉(zhuǎn)移；內(nèi)源熒光光譜顯示隨著二硫鍵斷開率增加，內(nèi)源熒光強(qiáng)度逐漸下降且最大發(fā)射峰位逐漸藍(lán)移，認(rèn)為是由于二硫鍵斷裂后蛋白質(zhì)變性、分子柔性增加導(dǎo)致色氨酸基團(tuán)由非極性環(huán)境向極性環(huán)境轉(zhuǎn)移；同時(shí)遠(yuǎn)紫外圓二色譜表明，隨著二硫鍵的斷裂，α-螺旋含量降低，β-折疊和轉(zhuǎn)角含量增加；當(dāng)二硫鍵全部斷裂后，α-螺旋含量由原來的54.8%減少至15.4%，而β-折疊和轉(zhuǎn)角的含量分別由原來的9.4%、3.9%升高至32.4%和13.7%。從以上數(shù)據(jù)可以得出二硫鍵斷裂后改變了蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。黎陽（2012）研究了二硫鍵斷裂后對胰島素二級結(jié)構(gòu)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，二硫鍵斷裂后α-螺旋含量出現(xiàn)了不同程度的下降，β結(jié)構(gòu)含量略有升高。有研究發(fā)現(xiàn)，溶菌酶二硫鍵被斷裂后導(dǎo)致無規(guī)則卷曲含量顯著增加，分子之間相互聚集（Goldberg等，1991）。Gekko（2003）研究了二硫鍵對五種球蛋白的體積、緊實(shí)度、熱膨脹性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二硫鍵全部斷裂后，圓二色譜和熒光光譜顯示球蛋白的二級和三級結(jié)構(gòu)部分遭到破壞，構(gòu)象變化伴隨著微分比容、絕熱壓縮系數(shù)下降和熱膨脹性的提高，表明球蛋白的內(nèi)部空腔降低和表面水合作用提高。

2 二硫鍵對蛋白質(zhì)表面活性的影響

二硫鍵是維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要共價(jià)鍵之一，由于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，內(nèi)部疏水基團(tuán)無法轉(zhuǎn)移至分子表面，這在很大程度上制約了蛋白質(zhì)分子的表面活性。蛋白質(zhì)的去折疊可以使分子更好的排列在油水或氣液界面，形成更穩(wěn)定的構(gòu)象熵，在很大程度上提高蛋白質(zhì)的表面活性（Kella等，1989）。一般考察蛋白質(zhì)的乳化性、起泡性、黏度、表面疏水性等表面活性的變化情況。如Kella（1986）研究了二硫鍵斷裂對大豆球蛋白和亞基表面活性的影響，發(fā)現(xiàn)二硫鍵的斷裂改變了蛋白質(zhì)的溶解性和等電點(diǎn)，表面疏水性都呈現(xiàn)出升高的趨勢，同時(shí)發(fā)現(xiàn)二硫鍵的斷裂有利于蛋白質(zhì)的體外消化。1989年，Kella等（1989）又研究了乳清蛋白二硫鍵斷裂后蛋白質(zhì)在氣液界面行為的變化，研究結(jié)果表明，pH在6.0～2.0，二硫鍵全部斷裂后乳清蛋白的不溶性蛋白占到95%～100%；二硫鍵斷開率≤50%時(shí)，表面疏水性提高，蛋白質(zhì)黏度和表面壓力增加，當(dāng)二硫鍵斷開率大于75%時(shí)表面疏水性減小，蛋白質(zhì)黏度和表面壓力下降；隨著二硫鍵的斷裂程度的增加，乳清蛋白的起泡能力逐漸提升，且有效提高了起泡穩(wěn)定性，在二硫鍵斷開率為75%時(shí)穩(wěn)定性最好。二硫鍵在斷裂過程中形成的磺酸基團(tuán)帶來的負(fù)電荷顯著提高了蛋白質(zhì)的表面電荷，當(dāng)二硫鍵斷開率為25%、50%、75%和100%時(shí)乳清蛋白的等電點(diǎn)分別為4.74、4.38、4.2和4.0。Kang（2003）在對BSA的研究中發(fā)現(xiàn)，天然BSA乳化性穩(wěn)定性較差，隨著二硫鍵的斷裂程度增加，BSA的乳化穩(wěn)定性得到提高。二硫鍵斷裂后蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開有效提高了疏水基團(tuán)使蛋白質(zhì)去折疊后可以很好地吸附在油水界面，大大提高了BSA的乳化活性。Snouwaert（1991）研究了二硫鍵對人白細(xì)胞介素活性的影響，發(fā)現(xiàn)cys45-cys51二硫鍵的缺失比半胱氨酸自由突變具有更高的生物活性。Kalapathy等（1997）對大豆蛋白的改性發(fā)現(xiàn)，由于二硫鍵的斷裂導(dǎo)致蛋白質(zhì)去折疊，溶液中的疏水性蛋白質(zhì)含量增加，大豆蛋白的溶解性顯著提高，當(dāng)二硫鍵斷開率為28%時(shí)，大豆蛋白的黏度、粘合強(qiáng)度和疏水特性最佳，但是二硫鍵的斷裂對蛋白的粘合強(qiáng)度沒有顯著影響。German（1985）研究發(fā)現(xiàn)，隨著亞基內(nèi)二硫鍵的斷裂，11S球蛋白的起泡性和起泡穩(wěn)定性顯著提高。Klemaszewski（1991）發(fā)現(xiàn)隨著二硫鍵打開程度的提高乳清蛋白的乳化活性也隨之提高。Kim（1987）用5 mol/L和10 mol/L的二硫蘇糖醇處理大豆球蛋白，發(fā)現(xiàn)還原劑用量越多，11S球蛋白表面疏水性和黏度越高，表面膜的屈服應(yīng)力和彈性越強(qiáng)，因此乳化穩(wěn)定性也越強(qiáng)。

綜上所述，二硫鍵對維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)象穩(wěn)定性具有十分重要的作用，由于二硫鍵的存在使蛋白質(zhì)具有緊密的三級結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的表面活性較差。因此要改善蛋白質(zhì)的表面活性可以從打開二硫鍵入手，改變二硫鍵在蛋白質(zhì)中的存在形式歸結(jié)于通過氧化還原反應(yīng)改變蛋白質(zhì)分子中二硫鍵的含量。

3 蛋白質(zhì)氧化改性

蛋白質(zhì)在貯存、加工等過程中，很容易出現(xiàn)氧化情況，對于該類氧化造成蛋白質(zhì)功能性質(zhì)、風(fēng)味、結(jié)構(gòu)等的影響已有報(bào)道（Ye等，2015；Ye等，2013）。反應(yīng)性氧系（ROS）包括：羥基自由基（·OH）、超氧自由基陰離子（O2-）、NO、過氧化物自由基（ROO-）、過氧化氮自由基（ONOO-）、單氧（1O2）、次氯酸（HClO）、過氧化氫（H2O2），另外還包括醛基和酮基（朱衛(wèi)星等，2011）。蛋白質(zhì)在這些物質(zhì)的氧化作用下，結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的確會(huì)引起很大的變化，羰基含量、巰基和二硫鍵含量、二聚酪氨酸含量、表面疏水性等數(shù)據(jù)成為評價(jià)蛋白質(zhì)氧化程度的指標(biāo)。

在氧化條件下，蛋白質(zhì)巰基和二硫鍵可以相互轉(zhuǎn)化，主要是因?yàn)閺?qiáng)氧化劑會(huì)將二硫鍵氧化成游離巰基或進(jìn)一步被氧化成磺酸基團(tuán)，引起分子游離巰基和二硫鍵的變化。2001年，Thomas（2001）對蛋白質(zhì)的巰基和二硫鍵氧化作了詳細(xì)解釋，認(rèn)為二硫鍵有兩種氧化形式，即可逆和非可逆兩種狀態(tài)，如下所示：

巰基的可逆氧化形式

巰基的不可逆氧化形式

通過以上結(jié)構(gòu)、功能性質(zhì)、氧化形式等分析，通常認(rèn)為，二硫鍵是影響蛋白質(zhì)表面活性的主要原因。因此，如要提高大豆、乳清等蛋白質(zhì)的表面活性必須斷開分子中所含的二硫鍵使內(nèi)部疏水性基團(tuán)暴露至分子表面，通過改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，增加表面疏水性改善其表面活性。目前，關(guān)于蛋白質(zhì)氧化造成的結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的變化已有報(bào)道。如蔡建勇（2013）和劉晶（2014）分別使用過氧化自由基和丙二醛對大豆蛋白氧化改性，發(fā)現(xiàn)溫和的氧化條件可以一定程度上提高蛋白質(zhì)的表面活性，但是過度激烈的氧化會(huì)降低蛋白質(zhì)的表面活性。Wu（2010、2009、2009、2009）分別采用了四種不同氧化劑對大豆蛋白進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)大豆蛋白經(jīng)丙烯醛、丙二醛、過氧自由基和13-氫過氧化-順-9,反-11-十八碳二烯酸氧化后大豆游離巰基和二硫鍵含量下降，α-螺旋含量、表面疏水性、內(nèi)源熒光強(qiáng)度下降，并推斷氧化后大豆蛋白由于非二硫鍵共價(jià)交聯(lián)形成可溶性聚集體。

通過對二硫鍵功能的分析，人們嘗試采用打開二硫鍵的方式對蛋白質(zhì)進(jìn)行改性。對于如何斷開二硫鍵進(jìn)行了相關(guān)研究，使用的傳統(tǒng)生化試劑有β-巰基乙醇（β-ME）、二硫蘇糖醇（DTT）等。這些試劑可以有效斷開蛋白質(zhì)中的二硫鍵，但是，這些試劑也帶來了一些不容忽視的問題，同時(shí)這類試劑不能在酸性條件下使用，有時(shí)候還會(huì)與肽段形成加合物。β-ME具有一定的毒性，會(huì)給科研工作者身體健康和環(huán)境造成危害，其次從理論上講，該類試劑在斷開二硫鍵后形成相應(yīng)的巰基化合物，當(dāng)這些還原劑被除去后很容易因?yàn)榄h(huán)境的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)展開的蛋白質(zhì)出現(xiàn)復(fù)折疊的現(xiàn)象。Sanger（1949）將過甲酸斷開二硫鍵的方法運(yùn)用到胰島素的研究中。Hirs（1956）進(jìn)一步將該方法的應(yīng)用擴(kuò)大，認(rèn)為過甲酸可以將半胱氨酸氧化成磺基苯丙酸。Toennies（1942）經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，過甲酸只氧化蛋白質(zhì)中的色氨酸、甲硫氨酸和半胱氨酸，而不會(huì)對其他氨基酸造成較大破壞。張維農(nóng)（2005）采用雙氧水氧化大豆分離蛋白發(fā)現(xiàn)，雙氧水可以改變大豆分離蛋白二硫鍵的含量，但是并沒有進(jìn)一步研究二硫鍵和表面活性之間的關(guān)系。隨著研究的深入，李軍生（2008）提出了通過打開二硫鍵制備蛋白質(zhì)基表面活性劑的方法。王微（2016）采用過甲酸改變大豆蛋白的結(jié)構(gòu)，再采用海藻酸鈉進(jìn)行接枝改性，結(jié)果表明，單純的海藻酸鈉改性大豆蛋白后蛋白質(zhì)的表面活性并沒有很大程度提高，二硫鍵對蛋白質(zhì)的表面活性和結(jié)構(gòu)影響很大，認(rèn)為用過甲酸氧化二硫鍵對蛋白質(zhì)的分子性質(zhì)具有十分重要的意義。王朗（2013）運(yùn)用正交試驗(yàn)研究了過氧乙酸打開大豆分離蛋白二硫鍵的最佳工藝，起泡性、乳化性等都得到了不同程度的提高。目前對于大豆蛋白化學(xué)改性的方法主要有兩種，一是通過化學(xué)修飾采用共價(jià)鍵結(jié)合將疏水基團(tuán)接到分子上；二是利用非共價(jià)鍵結(jié)合或吸附使離子型表面活性劑與蛋白質(zhì)分子結(jié)合。從結(jié)構(gòu)上講，蛋白質(zhì)自身含有較多的疏水及親水性氨基酸，受二硫鍵鎖定的影響使得天然蛋白質(zhì)的表面活性較差，如果通過斷開二硫鍵的方式使內(nèi)部的疏水區(qū)域轉(zhuǎn)移至極性環(huán)境中，足以提高蛋白質(zhì)的表面活性。

4 展望

蛋白質(zhì)是由極性和非極性氨基酸構(gòu)成，其自身的氨基酸組成決定了蛋白質(zhì)具有良好的表面活性。由于二硫鍵的鎖定作用，大部分的疏水性氨基酸被包裹在分子內(nèi)部，絕大多數(shù)蛋白質(zhì)表面活性較差，從斷開二硫鍵入手可以大大改善蛋白質(zhì)的表面活性。但是對于二硫鍵對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和表面活性的影響需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。目前雖然在試驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)該方法的有效性，但是二硫鍵在分子水平上對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響尚不明確。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，分子動(dòng)力學(xué)模擬研究分子微觀結(jié)構(gòu)和功能的變化成為一種新的技術(shù)。相信今后的研究可以進(jìn)一步將模擬和試驗(yàn)結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)模擬了解二硫鍵斷裂引起結(jié)構(gòu)和表面活性變化的機(jī)理，然后通過模擬指導(dǎo)試驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證模擬的方式研究二硫鍵與結(jié)構(gòu)和表面活性的關(guān)系，并能生產(chǎn)出具有更高表面活性的蛋白質(zhì)類產(chǎn)品。

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Protein is the foundation of all life，which contains many disulfide bonds，but the current research on the disulfide bonds is relatively less.In this paper，the disulfide bond inscape was simply introduced，the importance of disulfide bonds was analyzed from the perspective of effect on the structure and functional properties；the feasibility of the method of improving surface activity by cleaving disulfide bonds in the protein and advances in oxidation modification to improve protein surface activity in recent years were reviewed.

disulfide bond；protein；surface activity；oxidation modification

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20161702

S816

A

1004-3314（2016）17-0006-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21466006）；國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（14C26214502814）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科能14122009-3-3、桂科轉(zhuǎn)14125006-30）；廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃資助（桂教人〔2014〕7號）

*通訊作者