stringtranslate.com

Цистеин

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.

Состав

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 .

( R )-Цистеин (слева) и ( S )-Цистеин (справа) в цвиттер-ионной форме при нейтральном pH

Диетические источники

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 .

Промышленные источники

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]

Биосинтез

Синтез цистеина: цистатионин-бета-синтаза катализирует верхнюю реакцию, а цистатионин-гамма-лиаза катализирует нижнюю реакцию.

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]

Биологические функции

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.

Предшественник антиоксиданта глутатиона

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]

Предшественник железо-серных кластеров

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]

Связывание ионов металлов

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]

Роли в структуре белка

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.

Рисунок 2: Цистин (показан здесь в нейтральной форме), два цистеина, связанные между собой дисульфидной связью.

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.

Приложения

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.

Снижение токсического воздействия алкоголя

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 -ацетилцистеин

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]

Овца

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]

Химические реакции

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]

Безопасность

По сравнению с большинством других аминокислот цистеин гораздо более токсичен. [38]

Диетические ограничения

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.

История

В 1884 году немецкий химик Ойген Бауман обнаружил, что при обработке цистина восстановителем цистин оказался димером мономера , который он назвал «цистеином». [40]

Смотрите также

Викискладе есть медиафайлы по теме цистеина .

Рекомендации

  1. ^ «Информация о продукте L-цистеина» (PDF) .
  2. ^ Белиц, Х.-Д; Грош, Вернер; Шиберле, Питер (27 февраля 2009 г.). Пищевая химия. ISBN 9783540699330.
  3. ^ Уэст, Роберт С., изд. (1981). Справочник CRC по химии и физике (62-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. п. С-259. ISBN 0-8493-0462-8..
  4. ^ «Номенклатура и символика аминокислот и пептидов (Рекомендации IUPAC-IUB 1983)», Pure Appl. хим. , 56 (5): 595–624, 1984, doi : 10.1351/pac198456050595
  5. ^ «Цистеин - Определение цистеина на английском языке в Оксфордских словарях» . Оксфордские словари — английский язык . Архивировано из оригинала 25 сентября 2016 года . Проверено 15 апреля 2018 г.
  6. ^ ab «Первичной структурой белков является аминокислотная последовательность». Микробный мир . Кафедра бактериологии Университета Висконсин-Мэдисон. Архивировано из оригинала 25 мая 2013 года . Проверено 16 сентября 2012 г.
  7. ^ «Amber Workshop — Учебное пособие A1 — Раздел 1: Отредактируйте файл PDB» . ambermd.org . Архивировано из оригинала 22 мая 2022 г. Проверено 2 июня 2022 г.
  8. ^ Аб Ли, Джумин; Хитценбергер, Мануэль; Ригер, Мануэль; Керн, Натан Р.; Захариас, Мартин; Им, Вонпиль (21 июля 2020 г.). «CHARMM-GUI поддерживает силовые поля Янтаря». Журнал химической физики . 153 (3): 035103. дои : 10.1063/5.0012280 . PMID  32716185. S2CID  220796795.
  9. ^ «Amber Workshop — Учебное пособие A1 — Раздел 1: Отредактируйте файл PDB» . ambermd.org . Архивировано из оригинала 22 мая 2022 г. Проверено 2 июня 2022 г.
  10. ^ Ларссон, Сюзанна С.; Хоканссон, Никлас; Волк, Алисия (апрель 2015 г.). «Диетический цистеин и другие аминокислоты и частота инсульта у женщин». Гладить . 46 (4): 922–926. дои : 10.1161/СТРОКЕАХА.114.008022. PMID  25669310. S2CID  14895681.
  11. ^ «Химические требования ЕС» . Проверено 24 мая 2020 г. ...L-цистеина гидрохлорид или гидрохлорид моногидрат. Человеческие волосы не могут использоваться в качестве источника этого вещества.
  12. ^ «Регламент (ЕС) № 1223/2009 Европейского парламента и Совета от 30 ноября 2009 г. о косметической продукции» . Проверено 28 июля 2021 г. ...ПРИЛОЖЕНИЕ II ПЕРЕЧЕНЬ ВЕЩЕСТВ, ЗАПРЕЩЕННЫХ В КОСМЕТИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ...416 Клетки, ткани или продукты человеческого происхождения
  13. ^ «Вопросы о пищевых ингредиентах: что такое L-цистеин/цистеин/цистин?». Вегетарианская ресурсная группа.
  14. ^ Мартенс, Юрген; Офферманнс, Гериберт ; Шерберих, Пол (1981). «Легкий синтез рацемического цистеина». Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 20 (8): 668. doi :10.1002/anie.198106681.
  15. ^ Драуз, Карлхайнц; Грейсон, Ян; Климанн, Аксель; Криммер, Ханс-Петер; Лейхтенбергер, Вольфганг; Векбекер, Кристоф (2007). "Аминокислоты". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a02_057.pub2. ISBN 978-3-527-30673-2.
  16. ^ Ад Р (1997). «Молекулярная физиология обмена серы растений». Планта . 202 (2): 138–48. дои : 10.1007/s004250050112. PMID  9202491. S2CID  2539629.
  17. ^ Булай Г., Кортемме Т., Гольденберг Д.П. (июнь 1998 г.). «Взаимосвязь ионизации и реакционной способности тиолов цистеина в полипептидах». Биохимия . 37 (25): 8965–72. дои :10.1021/bi973101р. ПМИД  9636038.
  18. ^ Сехар, Раджагопал V; Патель, Санджит Дж. (2011). «Дефицитный синтез глутатиона лежит в основе окислительного стресса при старении и может быть исправлен с помощью пищевых добавок с цистеином и глицином». Американский журнал клинического питания . 94 (3): 847–853. дои : 10.3945/ajcn.110.003483. ПМК 3155927 . ПМИД  21795440.  Значок открытого доступа
  19. ^ Лилль Р., Мюленхофф Ю (2006). «Биогенез железо-серных белков у эукариот: компоненты и механизмы». Анну. Преподобный Cell Dev. Биол . 22 : 457–86. doi : 10.1146/annurev.cellbio.22.010305.104538. ПМИД  16824008.
  20. ^ Липпард, Стивен Дж.; Берг, Джереми М. (1994). Основы бионеорганической химии . Милл-Вэлли, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 978-0-935702-73-6.[ нужна страница ]
  21. ^ Бейкер Д.Х., Чарнеки-Молден Г.Л. (июнь 1987 г.). «Фармакологическая роль цистеина в уменьшении или усугублении минеральной токсичности». Дж. Нутр . 117 (6): 1003–10. дои : 10.1093/jn/117.6.1003 . ПМИД  3298579.
  22. ^ Хайтманн П. (январь 1968 г.). «Модель сульфгидрильных групп в белках. Гидрофобные взаимодействия боковой цепи цистеина в мицеллах». Евро. Дж. Биохим . 3 (3): 346–50. дои : 10.1111/j.1432-1033.1968.tb19535.x . ПМИД  5650851.
  23. ^ «Обзор аминокислот (учебник)» . Университет Кертина. Архивировано из оригинала 7 сентября 2015 г. Проверено 9 сентября 2015 г.
  24. ^ Нагано Н., Ота М., Нисикава К. (сентябрь 1999 г.). «Сильная гидрофобная природа остатков цистеина в белках». ФЭБС Летт . 458 (1): 69–71. дои : 10.1016/S0014-5793(99)01122-9 . PMID  10518936. S2CID  34980474.
  25. ^ Беттс, MJ; Р.Б. Рассел (2003). «Гидрофобные аминокислоты». Свойства аминокислот и последствия замен, В кн.: Биоинформатика для генетиков . Уайли . Проверено 16 сентября 2012 г.
  26. ^ Горга, Фрэнк Р. (1998–2001). «Введение в структуру белка - неполярные аминокислоты». Архивировано из оригинала 5 сентября 2012 г. Проверено 16 сентября 2012 г.
  27. ^ «Виртуальная химическая книга - Структура аминокислот» . Элмхерстский колледж. Архивировано из оригинала 2 октября 2012 г. Проверено 16 сентября 2012 г.
  28. ^ Sevier CS, Kaiser CA (ноябрь 2002 г.). «Образование и перенос дисульфидных связей в живых клетках». Нат. Преподобный мол. Клеточная Биол . 3 (11): 836–47. дои : 10.1038/nrm954 . PMID  12415301. S2CID  2885059.
  29. ^ Хуан, Цзоу-Чи; Хо, Чи-Тан (27 июля 2001 г.). Хуэй, Ю. Х.; Нип, Вай-Кит; Роджерс, Роберт (ред.). Наука и применение мяса, гл. Вкус мясных продуктов. КПР. стр. 71–102. ISBN 978-0-203-90808-2.
  30. ^ «Пищевые ингредиенты и красители». Управление по контролю за продуктами и лекарствами США. Ноябрь 2004 г. Архивировано из оригинала 12 мая 2009 г. Проверено 6 сентября 2009 г.
  31. ^ Отояма, Иппо; Хамада, Хиронобу; Кимура, Тацуши; Намба, Харучи; Сэкикава, Киёкадзу; Камикава, Норимичи; Кадзивара, Теруки; Айзава, Фумия; Сато, Ёсинобу М. (2019). «L-цистеин улучшает текучесть крови, нарушенную ацетальдегидом: оценка in vitro». ПЛОС ОДИН . 14 (3): e0214585. Бибкод : 2019PLoSO..1414585O. дои : 10.1371/journal.pone.0214585 . ПМК 6440629 . ПМИД  30925182. 
  32. ^ Спринс Х, Паркер С.М., Смит Г.Г., Гонсалес Л.Дж. (апрель 1974 г.). «Защита крыс от токсичности ацетальдегида с помощью L-цистеина, тиамина и L-2-метилтиазолидин-4-карбоновой кислоты». Действия агентов . 4 (2): 125–30. дои : 10.1007/BF01966822. PMID  4842541. S2CID  5924137.
  33. ^ Эрикссон, CJ Питер; Метсала, Маркус; Мёйккинен, Томми; Мякисало, Хейкки; Кярккяйнен, Олли; Пальмен, Мария; Салминен, Йоонас Э; Кауханен, Юсси (20 октября 2020 г.). «Витаминная добавка, содержащая L-цистеин, которая предотвращает или облегчает симптомы похмелья, связанные с алкоголем: тошноту, головную боль, стресс и беспокойство». Алкоголь и алкоголизм . 55 (6): 660–666. дои : 10.1093/alcalc/agaa082. hdl : 10138/339340 . ПМИД  32808029.
  34. ^ Кантер М.З. (октябрь 2006 г.). «Сравнение перорального и внутривенного ацетилцистеина при лечении отравления ацетаминофеном». Am J Health Syst Pharm . 63 (19): 1821–7. дои : 10.2146/ajhp060050. PMID  16990628. S2CID  9209528.
  35. ^ Пауэлл BC, Уокер СК, Боуден К.С., Сивапрасад А.В., Роджерс GE (1994). «Выращивание трансгенных овец и шерсти: возможности и текущий статус». Репродукция. Плодородный. Дев . 6 (5): 615–23. дои : 10.1071/RD9940615. ПМИД  7569041.
  36. ^ Милковски, Джон Д.; Вебер, Дэниел Ф.; Хиршманн, Ральф (1979). «Тиоловая защита с помощью ацетамидометильной группы: S-ацетамидометил-L-цистеина гидрохлорид». Органические синтезы . 59 : 190. дои : 10.15227/orgsyn.059.0190.
  37. ^ Арнольд, Алан П.; Джексон, В. Грегори (1990). «Стереоспецифичность в синтезе ионов трис(( R )-цистеинато -N,S )- и трис(( R )-цистеинсульфинато-N,S)кобальтата(III)». Неорганическая химия . 29 (18): 3618–3620. дои : 10.1021/ic00343a061.
  38. ^ Андерсон, Мэри Э.; Мейстер, Альтон (1987). «Внутриклеточная доставка цистеина». Сера и серные аминокислоты . Методы энзимологии. Том. 143. стр. 313–325. дои : 10.1016/0076-6879(87)43059-0. ISBN 9780121820435. ПМИД  3309557.
  39. ^ «Кошерный взгляд на L-цистеин». kashrut.com. Май 2003 года.
  40. ^ Бауманн, Э. (1884). «Ueber Cystin und Cystein» [О цистине и цистеине]. Zeitschrift für физиологической химии (на немецком языке). 8 : 299–305.Со стр. 301-302: «Die Analysis der Substanz ergibt Werthe, welche den vom Cystin (C 6 H 12 N 2 S 2 O 4 ) verlangten sich nähern, […] nenne ich dieses Reduktionsprodukt des Cystins: Cystein». (Анализ вещества [цистеин] показывает значения, которые приближаются к тем, [которые] необходимы для цистина (C 6 H 12 N 2 S 2 O 4 ), однако новое основание [цистеин] можно явно признать продуктом восстановления цистина. , которому [эмпирическая] формула C 3 H 7 NSO 2 , [которая] ранее [приписывалась] цистину, [теперь] приписывается. Чтобы указать на отношения этого вещества с цистином, я называю этот продукт восстановления цистина: «цистеин».) Примечание: Предложенные Бауманом структуры для цистеина и цистина (см. стр. 302) неверны: для цистеина он предложил CH 3 CNH 2 (SH)COOH.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки