雙硫鍵

**雙硫鍵**在化學上是一條從結合硫醇而衍生的單共價鍵。它又稱為**二硫鍵**或**雙硫橋**，大部分用於生物化學的範疇。其正式名稱應為**過硫化物**，但卻甚少使用。與過氧化物（R-O-O-R）相似，它的整體連結是 R-S-S-R。雙硫鍵一般都是從巰基的氧化形成：

　
: ${\mbox{R-SH}}+{\mbox{R-SH}}\rightarrow {\mbox{R-S-S-R}}+{\mbox{2H}}^{\mbox{+}}+{\mbox{2e}}^{\mbox{-}}$

三個硫原子按序列連結有時被稱為**三硫鍵**，但其實只是兩個雙硫鍵。雙硫鍵在橡膠的硫化有著重要的地位。

## 蛋白質

雙硫鍵在一些蛋白質的摺疊及穩定性佔有重要的地位，而這些蛋白質多是分泌在細胞外的環境。由於大部份細胞的區間都是還原環境，這令在細胞質基質中的雙硫鍵十分不穩定（但亦有例外）。

蛋白質的雙硫鍵是在半胱胺酸殘基的硫醇之間形成。其他含有硫的胺基酸 —— 蛋胺酸就不能形成雙硫鍵。一條雙硫鍵一般是將半胱胺酸的簡寫用連結符號來表示，例如「Cys26-Cys84 雙硫鍵」，或簡化為「26-84 雙硫鍵」，或更簡單的「C26-C84」，當中已暗示了雙硫鍵而不須明言。蛋白質雙硫鍵的原型是雙胺基酸肽的胱胺酸，它是以雙硫鍵將兩個半胱胺酸結合組成。雙硫鍵結構是以它在 $C^{\beta }-S^{\gamma }-S^{\gamma }-C^{\beta }$ 原子之間的 $\chi _{ss}$ 兩面角來描述，而一般都是接近 ±90°。

雙硫鍵從以下方式穩定摺疊後的蛋白質：

1. 它將蛋白質的兩部份緊握，使蛋白質形成摺疊的形狀。另一種說法則是它降低非摺疊形狀的蛋白質的熵，使其不穩定。
2. 它會成為摺疊後蛋白質的疏水核心，亦即局部的疏水殘基會凝聚在雙硫鍵的周邊，透過疏水性的相互作用而緊扣在一起。
3. 與 1 及 2 有關的，它會與蛋白質鏈的兩段連結，增加蛋白質殘基的局部有效濃度，並降低水分子的局部有效濃度。因為水分子會攻擊胺基之間的氫鍵及打破二級結構，雙硫鍵就可以穩定在附近的二級結構。例如，有研究顯示肽的不同部份在分隔後沒有結構，但在建立雙硫鍵後就有著穩定的二級結構及三級結構。

蛋白質的雙硫鍵是由硫醇雙硫交換反應來形成。_disulfide species_ 是指半胱胺酸在雙硫連接蛋白質中的特定配對，一般會以括號來表示，例如「(26-84, 58-110) disulfide species」。_disulfide ensemble_ 則是一組有著相同編號雙硫鍵的 disulfide species．並以 1S ensemble、2S ensemble 等來分別表示有一條、兩條等雙硫鍵的 disulfide ensemble。因此，(26-84) disulfide species 屬於 1S ensemble，而 (26-84, 58-110) species 則屬於 2S ensemble。而沒有雙硫鍵的 species 就會以 R 來表示，代表完全還原的意思。在一般的情況下，雙硫鍵的重新現置是比形成新雙硫鍵或是它們的還原來得要快。所以，在 ensemble 中的 disulfide species 比在 ensemble 之間更快獲得平衡。

蛋白質的原始形式一般是一個單一的 disulfide species，而有些蛋白質在功能上會轉變雙硫鍵的狀態，例如硫氧還蛋白。在多於兩個半胱胺酸的蛋白質中，可以生成非原始的雙硫鍵，而這些蛋白質差不多都是沒有摺疊的。當半胱胺酸的數量增加時，非原始的蛋白質會以幾何級數增加。從 n 個半胱胺酸生成 p 條雙硫鍵的方法的數量可以由以下方程式獲得：

　
: ${\frac {n!}{p!\ (n-2p)!\ 2^{p}}}$

例如 8 個半胱胺酸的蛋白質（如核糖核酸酶 A）有著 105 種不同的 four-disulfide species，只有一個是原始的 disulfide species。異構酶可以催化 disulfide species 之間的轉變，加速形成原始的 disulfide species。

有著原始雙硫鍵的 Disulfide species 是以 des 及方括號來表示。例如 des [40-95] disulfide species 就有著除了 40 及 95 的半胱胺酸外的所有雙硫鍵。缺乏一條原始雙硫鍵的 Disulfide species 多是摺疊的，尤其是當它暴露於在已摺疊及原始的蛋白質中的溶劑。

## 原核生物

雙硫鍵在細菌中負責重要的保護作用，當細菌暴露於氧化反應時，雙硫鍵可以作為可逆的開關，將蛋白質開啟或關閉。若沒有雙硫鍵的保護作用，低濃度的過氧化氫就能嚴重地破壞細菌的 DNA 及殺死細菌。

## 真核生物

在真核生物細胞中，雙硫鍵一般是在粗面內質網內生成，而非原生質。這是因內質網的氧化環境及原生質的還原環境（參考麩胱甘肽）。所以雙硫鍵多會在分泌的蛋白質、溶酶蛋白質及膜蛋白質的外漿區域中找到。

但是亦有例外的情況。在原生質的蛋白質附近出現的半胱胺酸殘基會成為氧化感應器，當細胞的還原潛能轉弱時，它們氧化及觸發細胞反應。牛痘病毒亦會產生有著多個雙硫鍵的原生質蛋白質及肽，雖然原因不明，它們有著保護的效力抵抗細胞間的蛋白質加水分解。

雙硫鍵亦會在多種哺乳動物的精子染色質內的精蛋白之間產生。

## 毛髮

毛髮是一種生物聚合體，乾重量超過 90% 是由角質素的蛋白質造成。在正常情況下，人類毛髮約有 10% 的水份，相當影響毛髮的機械特性。毛髮蛋白質是由雙硫鍵經半胱胺酸連在一起。這個連結非常堅韌，在古埃及墓穴內就曾發現接近完整的毛髮。毛髮的不同部位亦有不同的半胱胺酸水平，造成較硬或較軟的髮質。建立或破壞雙硫鍵可以用來控制波浪或捲曲的髮型。燙髮的基礎原理就是破壞及重造雙硫鍵。

雙硫鍵屬共價鍵，某些蛋白質肽鏈中含有一些半胱胺酸殘基，這種胺基酸殘基可形成雙硫鍵，雙硫鍵可在同一條肽鏈內或不同肽鏈之間形成，這種共價鍵比上述非共價鍵的強度大，是頭髮強度的決定因素，其存在的數量對頭髮的物理化學性能影響很大。燙髮過程其實就是雙硫鍵的破壞與重建。

## 有機化學

**京克二硫化物分裂**是一個有機反應，將一個二硫化物轉變為硫鹵化物（R-S-X），當中 X 是溴（Br）或氯（Cl）。例如將二硫化鄰硝基苯（di-o-nitrophenyl disulfide）轉為氯化鄰硝基苯基硫（o-nitrophenylsulphur chloride），及其他相關反應等。

## 參考

* Sela M and Lifson S. On the Reformation of Disulfide Bridges in Proteins. Biochimica et Biophysica Acta. 1959, **36**: 471–478.
* Stark GR. Cleavage at cysteine after cyanylation. Methods in Enzymology. 1977, **11**: 238–255.
* Thornton JM. Disulphide Bridges in Globular Proteins. Journal of Molecular Biology. 1981, **151**: 261–287.
* Thannhauser TW, Konishi Y and Scheraga HA. Sensitive Quantitative Analysis of Disulfide Bonds in Polypeptides and Proteins. Analytical Biochemistry. 1984, **138**: 181–188.
* Wu J and Watson JT. Optimization of the Cleavage Reaction for Cyanylated Cysteinyl Proteins for Eficient and Simplified Mas Mapping. Analytical Biochemistry. 1998, **258**: 268–276.
* Futami J, Tada H, Seno M, Ishikami S and Yamada H. Stabilization of Human RNase 1 by Introduction of a Disulfide Bond between Residues 4 and 118. J. Biochem. 2000, **128**: 245–250.
* Kadokura H, Katzen F, Beckwith J. Protein disulfide bond formation in prokaryotes. Annu Rev Biochem. 2003, **72**: 111–35. PMID 12524212.
* Ellgaard L, Ruddock LW. The human protein disulphide isomerase family: substrate interactions and functional properties. EMBO Rep. Jan 2005, **6** (1): 28–32. PMID 15643448.

## 註釋

## 外部連結

* 二硫醚的合成 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）
* 雙硫鍵與染髮（英文）