Цистеин (символ Cys или C ; [4] / ˈ s ɪ s t ɪ iː n / ) [5] представляет собой полунезаменимую [6] протеиногенную аминокислоту с формулой HOOC-CH(-NH 2 )-CH 2 -SH . Тиоловая боковая цепь цистеина часто участвует в ферментативных реакциях в качестве нуклеофила . Цистеин является хиральным, но что интересно, и D , и L -цистеин встречаются в природе, причем D -цистеин обнаружен в развивающемся мозге (см. Semenza et al., 2021).
Тиол подвержен окислению с образованием дисульфидного производного цистина , который играет важную структурную роль во многих белках . В этом случае иногда используется символ Cyx . [7] [8] Депротонированная форма также обычно может быть описана символом Cym . [8] [9]
При использовании в качестве пищевой добавки цистеин имеет номер E E920.
Цистеин кодируется кодонами UGU и UGC.
Как и другие аминокислоты (не как остаток белка), цистеин существует в виде цвиттер-иона . Цистеин имеет l -хиральность в более старых обозначениях d / l , основанных на гомологии с d- и l -глицеральдегидом. В новой системе обозначения хиральности R / S , основанной на атомных номерах атомов вблизи асимметричного углерода, цистеин (и селеноцистеин) имеют R- хиральность из-за присутствия серы (или селена) в качестве второго соседа асимметричного углерода. атом. Остальные хиральные аминокислоты, имеющие в этом положении более легкие атомы, имеют S- хиральность. Замена серы селеном дает селеноцистеин .
Цистеинил является остатком в продуктах с высоким содержанием белка . Некоторые продукты, которые считаются богатыми цистеином, включают домашнюю птицу, яйца, говядину и цельнозерновые продукты. В диетах с высоким содержанием белка цистеин может быть частично ответственен за снижение артериального давления и риск инсульта. [10] Несмотря на то, что цистеин классифицируется как незаменимая аминокислота , в редких случаях он может быть незаменим для младенцев, пожилых людей и людей с определенными метаболическими заболеваниями или страдающими синдромами мальабсорбции . Цистеин обычно может синтезироваться организмом человека в нормальных физиологических условиях, если имеется достаточное количество метионина .
Большую часть l -цистеина получают промышленным путем гидролиза материалов животного происхождения, таких как перья домашней птицы или свиная шерсть. Несмотря на широко распространенное мнение об обратном, мало данных свидетельствует о том, что человеческие волосы используются в качестве исходного материала и их использование категорически запрещено для пищевых добавок и косметических продуктов в Европейском Союзе. [11] [12] Синтетически произведенный l -цистеин, соответствующий еврейским кошерным и мусульманским законам о халяле , также доступен, хотя и по более высокой цене. [13] Синтетический путь включает ферментацию с использованием мутанта E. coli . Эвоник (ранее Дегусса) представил способ использования замещенных тиазолинов . [14] Следуя этой технологии, l -цистеин получают путем гидролиза рацемической 2-амино-Δ 2 -тиазолин-4-карбоновой кислоты с использованием Pseudomonas thiazolinophilum . [15]
У животных биосинтез начинается с аминокислоты серина . Сера образуется из метионина , который превращается в гомоцистеин через промежуточный S -аденозилметионин . Цистатионин-бета-синтаза затем объединяет гомоцистеин и серин с образованием асимметричного тиоэфира цистатионина . Фермент цистатионин-гамма-лиаза превращает цистатионин в цистеин и альфа-кетобутират . У растений и бактерий биосинтез цистеина также начинается с серина, который превращается в О -ацетилсерин под действием фермента серинтрансацетилазы . Фермент цистеинсинтаза , используя сульфидные источники, превращает этот эфир в цистеин, высвобождая ацетат. [16]
Сульфгидрильная группа цистеина нуклеофильна и легко окисляется. Реакционная способность повышается, когда тиол ионизирован, а остатки цистеина в белках имеют значения pK a , близкие к нейтральным, поэтому часто находятся в клетке в реакционноспособной тиолатной форме. [17] Из-за своей высокой реакционной способности сульфгидрильная группа цистеина выполняет многочисленные биологические функции.
Благодаря способности тиолов вступать в окислительно-восстановительные реакции, остатки цистеина и цистеинила обладают антиоксидантными свойствами. Его антиоксидантные свойства обычно выражаются в трипептиде глутатионе , который встречается в организме человека и других организмах. Системная доступность перорального глутатиона (GSH) незначительна; поэтому он должен быть биосинтезирован из составляющих его аминокислот, цистеина, глицина и глутаминовой кислоты . Хотя глутаминовой кислоты обычно достаточно, поскольку аминокислотный азот перерабатывается через глутамат в качестве посредника, пищевые добавки с цистеином и глицином могут улучшить синтез глутатиона. [18]
Цистеин является важным источником сульфидов в метаболизме человека . Сульфид в железо-серных кластерах и в нитрогеназе экстрагируется из цистеина, который при этом превращается в аланин . [19]
Помимо железо-серных белков, многие другие кофакторы металлов в ферментах связаны с тиолатным заместителем цистеинильных остатков. Примеры включают цинк в цинковых пальцах и алкогольдегидрогеназе , медь в белках синей меди , железо в цитохроме P450 и никель в [NiFe] -гидрогеназах . [20] Сульфгидрильная группа также имеет высокое сродство к тяжелым металлам , поэтому белки, содержащие цистеин, такие как металлотионеин , прочно связывают такие металлы, как ртуть, свинец и кадмий. [21]
При трансляции молекул информационной РНК с образованием полипептидов цистеин кодируется кодонами UGU и UGC .
Цистеин традиционно считался гидрофильной аминокислотой , в основном на основании химической параллели между его сульфгидрильной группой и гидроксильными группами в боковых цепях других полярных аминокислот. Однако было показано, что боковая цепь цистеина стабилизирует гидрофобные взаимодействия в мицеллах в большей степени, чем боковая цепь неполярной аминокислоты глицина и полярной аминокислоты серина. [22] При статистическом анализе частоты появления аминокислот в различных белках было обнаружено, что остатки цистеина связаны с гидрофобными областями белков. Их гидрофобная тенденция была эквивалентна таковой у известных неполярных аминокислот, таких как метионин и тирозин (тирозин является полярным ароматическим, но также гидрофобным [23] ), которые были намного сильнее, чем у известных полярных аминокислот, таких как серин и треонин . [24] Шкалы гидрофобности , которые ранжируют аминокислоты от наиболее гидрофобных до наиболее гидрофильных, последовательно относят цистеин к гидрофобному концу спектра, даже если они основаны на методах, на которые не влияет склонность цистеинов образовывать дисульфидные связи в белках. . Поэтому цистеин теперь часто относят к гидрофобным аминокислотам [25] [26] , хотя иногда его также классифицируют как слегка полярный [27] или полярный. [6]
Большинство остатков цистеина ковалентно связаны с другими остатками цистеина с образованием дисульфидных связей , которые играют важную роль в сворачивании и стабильности некоторых белков, обычно белков, секретируемых во внеклеточную среду. [28] Поскольку большинство клеточных компартментов представляют собой восстанавливающую среду , дисульфидные связи в цитозоле обычно нестабильны , за некоторыми исключениями, как указано ниже.
Дисульфидные связи в белках образуются путем окисления сульфгидрильной группы остатков цистеина. Другая серосодержащая аминокислота — метионин — не может образовывать дисульфидные связи. Более агрессивные окислители превращают цистеин в соответствующие сульфиновую кислоту и сульфоновую кислоту . Остатки цистеина играют ценную роль, сшивая белки, что увеличивает жесткость белков, а также обеспечивает протеолитическую устойчивость (поскольку экспорт белка является дорогостоящим процессом, сведение к минимуму его необходимости выгодно). Внутри клетки дисульфидные мостики между остатками цистеина внутри полипептида поддерживают третичную структуру белка. Инсулин является примером белка со сшивкой цистина, в котором две отдельные пептидные цепи соединены парой дисульфидных связей.
Белковые дисульфид-изомеразы катализируют правильное образование дисульфидных связей ; клетка переносит дегидроаскорбиновую кислоту в эндоплазматический ретикулум , который окисляет окружающую среду. В этой среде цистеины, как правило, окисляются до цистина и больше не действуют как нуклеофилы.
Помимо окисления до цистина, цистеин участвует в многочисленных посттрансляционных модификациях . Нуклеофильная сульфгидрильная группа позволяет цистеину конъюгировать с другими группами, например, при пренилировании . Убиквитинлигазы переносят убиквитин к его подвеске, белкам и каспазам , которые участвуют в протеолизе в апоптотическом цикле. Интеины часто функционируют с помощью каталитического цистеина. Эти роли обычно ограничиваются внутриклеточной средой, где среда восстанавливается и цистеин не окисляется до цистина.
Цистеин, главным образом L - энантиомер , является предшественником в пищевой, фармацевтической промышленности и производстве средств личной гигиены. Одним из крупнейших применений является производство ароматизаторов. Например, реакция цистеина с сахарами в реакции Майяра дает мясной вкус. [29] L -Цистеин также используется в качестве технологической добавки при выпечке. [30]
В сфере личной гигиены цистеин используется для перманентной завивки, преимущественно в Азии. Опять же, цистеин используется для разрушения дисульфидных связей в кератине волос .
Цистеин является очень популярной мишенью для экспериментов по сайт-направленному мечению для изучения биомолекулярной структуры и динамики. Малеимиды избирательно прикрепляются к цистеину с помощью ковалентного присоединения по Михаэлю . Сайт-направленное спиновое мечение для ЭПР или ЯМР, усиленного парамагнитной релаксацией, также широко использует цистеин.
Цистеин был предложен в качестве профилактического средства или противоядия от некоторых негативных последствий алкоголя, включая повреждение печени и похмелье . Он противодействует ядовитому воздействию ацетальдегида . [31] Цистеин поддерживает следующий этап метаболизма, который превращает ацетальдегид в уксусную кислоту .
В исследовании на крысах подопытные животные получали дозу ацетальдегида LD 90 . У тех, кто получал цистеин, выживаемость составляла 80%; когда вводили и цистеин, и тиамин , все животные выжили. В контрольной группе выживаемость составила 10%. [32]
В 2020 году была опубликована статья, в которой предполагается, что L-цистеин может действовать и на людей. [33]
N -ацетил- 1 -цистеин представляет собой производное цистеина, в котором ацетильная группа присоединена к атому азота. Это соединение продается как пищевая добавка и используется в качестве противоядия в случаях передозировки ацетаминофена . [34]
Цистеин необходим овцам для производства шерсти. Это незаменимая аминокислота, которую они получают с кормом. Как следствие, в условиях засухи овцы производят меньше шерсти; однако были разработаны трансгенные овцы, способные вырабатывать собственный цистеин. [35]
Будучи многофункциональным, цистеин вступает в разнообразные реакции. Большое внимание было сосредоточено на защите сульфгидрильной группы. [36] Метилирование цистеина дает S-метилцистеин . Лечение формальдегидом дает тиазолидин тиопролин . Цистеин образует разнообразные координационные комплексы при обработке ионами металлов. [37]
По сравнению с большинством других аминокислот цистеин гораздо более токсичен. [38]
Источники l -цистеина животного происхождения в качестве пищевой добавки являются предметом споров для людей, соблюдающих диетические ограничения, такие как кошерное, халяльное, веганское или вегетарианское. [39] Чтобы избежать этой проблемы, l -цистеин также можно получать микробными или другими синтетическими процессами.
В 1884 году немецкий химик Ойген Бауман обнаружил, что при обработке цистина восстановителем цистин оказался димером мономера , который он назвал «цистеином». [40]
...L-цистеина гидрохлорид или гидрохлорид моногидрат.
Человеческие волосы не могут использоваться в качестве источника этого вещества.
...ПРИЛОЖЕНИЕ II ПЕРЕЧЕНЬ ВЕЩЕСТВ, ЗАПРЕЩЕННЫХ В КОСМЕТИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ...416 Клетки, ткани или продукты человеческого происхождения