ЦИСТЕИН: ХАРАКТЕРИСТИКА, СТРОЕНИЕ, ФУНКЦИИ, БИОСИНТЕЗ. - БИОЛОГИЯ - 2025

Цистеина ( Cys, C ) является одним из 22 аминокислот , встречающихся в природе в составе полипептидных цепей , которые составляют белки живых существ. Это важно для стабильности третичных структур белков, так как способствует образованию внутримолекулярных дисульфидных мостиков.

Как и другие аминокислоты, такие как аланин, аргинин, аспарагин, глутамат и глутамин, глицин, пролин, серин и тирозин, люди способны синтезировать цистеин, поэтому это не так. считается незаменимой аминокислотой.

Структура аминокислоты цистеина (Источник: Hattrich через Wikimedia Commons)

Несмотря на это, а также ввиду того, что скорость синтеза не всегда соответствует требованиям организма, некоторые авторы описывают цистеин как «условно» незаменимую аминокислоту.

Эта аминокислота была названа в честь цистина, компонента камней в желчном пузыре, открытого в 1810 году, название которого было придумано в 1832 году А. Бодримоном и Ф. Малагути. Спустя несколько лет, в 1884 году, Э. Бауман обнаружил, что цистеин является продуктом восстановления цистина.

После работы, проведенной Бауманом в 1899 году, было установлено, что цистеин является основным компонентом белка, из которого состоят рога различных животных, что позволило предположить его возможное использование для синтеза полипептидов.

В настоящее время известно, что цистеин организма поступает из пищи, рециркуляции белка и эндогенного синтеза, который происходит в основном в гепатоцитах.

характеристики

Цистеин имеет молекулярную массу 121,16 г / моль и, наряду с лейцином, изолейцином, валином, фенилаланином, триптофаном, метионином и тирозином, входит в число наиболее гидрофобных аминокислот.

Он принадлежит к группе незаряженных полярных аминокислот и, как и другие аминокислоты, может разлагаться щелочным гидролизом при высоких температурах.

Подобно триптофану, серину, глицину и треонину, цистеин является метаболическим предшественником глюконеогенеза и кетогенеза (образования кетоновых тел).

Эта аминокислота существует как часть пептидной последовательности белков, но она также может быть обнаружена в плазме крови в свободном виде в виде гомогенных (цистин, производное) или смешанных дисульфидов, состоящих из гомоцистеин-цистеиновой формы.

Основное различие между свободным цистеином и цистеином, обнаруженным в структуре белка, заключается в том, что первый находится в сильно окисленном окислительно-восстановительном состоянии, тогда как последний обычно достаточно восстановлен.

Структура

Как и остальные описанные на сегодняшний день аминокислоты, цистеин имеет центральный атом углерода, который является хиральным и известен как α-углерод.

К этому атому углерода присоединены четыре различных химических вещества:

- аминогруппа (-NH3 +)

- карбоксильная группа (-COO-)

- атом водорода и

- заместитель (-R).

Группа заместителей - это группа, которая придает идентичность каждой аминокислоте, а группа цистеина характеризуется тем, что содержит атом серы как часть тиольной или сульфгидрильной группы (-CH2-SH).

Именно эта группа позволяет ему участвовать в образовании внутри- и межмолекулярных дисульфидных мостиков. Поскольку это нуклеофил, он также может участвовать в реакциях замещения.

Фактически, эта боковая цепь цистеина может быть модифицирована с образованием двух соединений, известных как «селеноцистеин» и «лантионин». Первая - это аминокислота, которая также участвует в образовании белков, а вторая - производное небелковой аминокислоты.

Тиоловая группа цистеина также характеризуется высоким сродством к ионам серебра и ртути (Ag + и Hg2 +).

Характеристики

Основные функции цистеина в живых организмах связаны с его участием в образовании белков. В частности, цистеин участвует в установлении дисульфидных мостиков, которые необходимы для образования третичной структуры белка.

Кроме того, эта аминокислота не только полезна для синтеза белка, но также участвует в синтезе глутатиона (GSH) и обеспечивает восстановленную серу для метионина, липоевой кислоты, тиамина, кофермента A (CoA), молибдоптерин (кофактор) и другие биологически важные соединения.

В условиях чрезмерного количества серы-аминокислот цистеин и другие родственные аминокислоты могут использоваться для производства пирувата и неорганической серы. Пируват удается перенаправить по глюконеогенному пути, служащему для производства глюкозы.

Кератины, которые являются одними из наиболее распространенных типов структурных белков в животном мире, богаты остатками цистеина. Например, овечья шерсть содержит более 4% серы из этой аминокислоты.

Цистеин также участвует во многих окислительно-восстановительных реакциях, что делает его частью активного центра некоторых ферментов.

Взаимодействуя с глюкозой, эта аминокислота образует продукты реакции, которые придают привлекательный вкус и аромат некоторым кулинарным изделиям.

Биосинтез

Биосинтез аминокислот в организме человека и других животных (млекопитающих и не млекопитающих) происходит тканеспецифичным и клеточно-специфическим образом; это процесс, требующий энергии и обычно разделяемый между разными органами.

Печень - один из основных органов, участвующих в синтезе большинства незаменимых аминокислот, независимо от рассматриваемого вида.

При этом синтезируется не только цистеин, но также аспартат, аспарагин, глутамат и глутамин, глицин, серин, тирозин и другие из их специфических предшественников аминокислот.

В 1935 году Эрвин Бранд определил, что цистеин у млекопитающих синтезируется естественным образом из метионина, который содержится исключительно в ткани печени.

Этот процесс может происходить посредством «трансметилирования» метионина, когда метильные группы переходят в холин и креатин. Однако цистеин также может быть образован из метионина благодаря транс-сульфуризации.

Позже было показано, что, помимо метионина, некоторые синтетические соединения, такие как N-ацетилцистеин, цистеамин и цистамин, являются полезными предшественниками для синтеза цистеина.

В случае N-ацетилцистеина он поглощается клетками, где он превращается в цистеин с помощью фермента деацетилазы в цитозоле.

Механизм синтеза

Наиболее известный механизм синтеза цистеина из метионина - это транс-сульфуризация. Это происходит в основном в печени, но также было определено в кишечнике и поджелудочной железе.

Это происходит из гомоцистеина, соединения, производного от аминокислоты метионина; и первая реакция в этом пути биосинтеза - это конденсация, катализируемая ферментом цистатионин-β-синтазой (CBS).

Этот фермент представляет собой «компромиссную» стадию пути и конденсирует гомоцистеин с остатком серина, другой белковой аминокислотой, которая производит цистатионин. Впоследствии это соединение «разрезается» или «расщепляется» ферментом цистатионазой, что приводит к высвобождению цистеина.

Регулирование ферментативной активности CBS опосредуется доступностью метионина и окислительно-восстановительным состоянием клетки, в которой происходит этот процесс.

Через путь синтеза цистеина клетки могут справляться с избытком метионина, поскольку его превращение в цистеин является необратимым процессом.

Синтез цистеина в растениях и микроорганизмах

В этих организмах цистеин синтезируется в основном из неорганической серы, которая является наиболее распространенным источником используемой серы в аэробной биосфере.

Он берется, проникает в клетки и затем восстанавливается до серы (S2-), которая включается в цистеин аналогично тому, что происходит с аммиаком при синтезе глутамата или глутамина.

Метаболизм и деградация

Катаболизм цистеина происходит в основном в клетках печени (гепатоцитах), хотя он также может возникать в других типах клеток, таких как нейроны, эндотелиальные клетки и гладкомышечные клетки сосудистой сети тела.

Определенные дефекты катаболизма цистеина приводят к наследственному заболеванию, известному как «цистинурия», которое характеризуется наличием цистиновых камней в почках, мочевом пузыре и мочеточнике.

Цистин - это аминокислота, полученная из цистеина, и камни образуются путем объединения двух их молекул через их атомы серы.

Часть метаболизма цистеина приводит к образованию сайентосульфиновой кислоты, из которой образуется таурин, небелковая аминокислота. Реакция катализируется ферментом цистеиндиоксигеназой.

Кроме того, цистеин может окисляться формальдегидом с образованием N-формилцистеина, последующая обработка которого может привести к образованию «меркаптурата» (продукта конденсации цистеинов с ароматическими соединениями).

У животных цистеин также используется, как и глутамат и глутамин, для синтеза кофермента А, глутатиона (GSH), пирувата, сульфата и сероводорода.

Один из методов превращения цистеина в пируват происходит в два этапа: первый включает удаление атома серы, а второй - реакцию трансаминирования.

Почки отвечают за выведение сульфатов и сульфитов, полученных в результате метаболизма соединений серы, таких как цистеин, в то время как легкие выдыхают диоксид серы и сероводород.

Глутатион

Глутатион, молекула, состоящая из трех аминокислотных остатков (глицин, глутамат и цистеин), представляет собой молекулу, которая присутствует в растениях, животных и бактериях.

Он обладает особыми свойствами, которые делают его отличным окислительно-восстановительным буфером, поскольку он защищает клетки от различных типов окислительного стресса.

Продукты, богатые цистеином

Цистеин естественным образом содержится в продуктах, содержащих серу, таких как (желтые) яичные желтки, красный сладкий перец, чеснок, лук, брокколи, цветная капуста, капуста и брюссельская капуста, кресс-салат и зелень горчицы.

Он также присутствует в основном в продуктах, богатых белком, таких как мясо, бобовые и молочные продукты, среди которых:

- Говядина, свинина, курица и рыба

- Овес и чечевица

- Семена подсолнечника

- Йогурт и сыр

Преимущества приема цистеина

Считается, что его прием предотвращает выпадение волос и стимулирует их рост. В пищевой промышленности он широко используется как улучшитель хлебного теста, а также для «воспроизведения» мясных ароматов.

Другие авторы сообщают, что потребление пищевых добавок или продуктов, богатых цистеином, снижает биохимические травмы, вызванные чрезмерным потреблением продуктов, загрязненных металлическими элементами, поскольку он участвует в реакциях «хелатирования».

Некоторые пищевые добавки, относящиеся к цистеину, используются людьми в качестве антиоксидантов, что считается полезным с точки зрения «замедления» старения.

N-ацетилцистеин (предшественник синтеза цистеина), например, используется в качестве пищевой добавки, поскольку это приводит к увеличению биосинтеза глутатиона (GSH).

Сопутствующие заболевания

Есть несколько научных публикаций, которые связывают высокий уровень цистеина в плазме с ожирением и другими родственными патологиями, такими как сердечно-сосудистые заболевания и другие метаболические синдромы.

Цистинурия, как упоминалось выше, представляет собой патологию, которая связана с наличием цистиновых камней, производных цистеина, из-за генетического дефекта реабсорбции почками двухосновных аминокислот, таких как цистин.

Расстройства дефицита

Дефицит цистеина был связан с окислительным стрессом, так как он является одним из основных предшественников синтеза глутатиона. Следовательно, дефицит этой аминокислоты может привести к преждевременному старению и всему, что это означает.

Было экспериментально показано, что добавление цистеина улучшает функции скелетных мышц, уменьшает соотношение между жировой и нежирной массой тела, снижает уровень воспалительных цитокинов в плазме крови, улучшает функции иммунной системы и т. Д.

В середине 1990-х годов некоторые исследования показали, что синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД) может быть следствием дефицита цистеина, вызванного вирусом.

Эти утверждения подтверждались тем фактом, что обследованные ВИЧ-положительные пациенты имели низкие уровни цистина и цистеина в плазме в дополнение к низким концентрациям внутриклеточного глутатиона.

Ссылки

1. Dröge, W. (1993). Дефицит цистеина и глутатиона у больных СПИДом: обоснование лечения N-ацетил-цистеином. Фармакология, 46, 61-65.
2. Дрёге, В. (2005). Окислительный стресс и старение: является ли старение синдромом дефицита цистеина? Философские труды Королевского общества B: Биологические науки, 360 (1464), 2355–2372.
3. Эльшорбаджи А.К., Смит А.Д., Козич В. и Рефсум Х. (2011). Цистеин и ожирение. Ожирение, 20 (3), 1–9.
4. Кредич, Н. (2013). Биосинтез цистеина. EcoSal Plus, 1–30.
5. Макферсон, Р.А., и Харди, Г. (2011). Клинические и питательные преимущества протеиновых добавок, обогащенных цистеином. Current Opinion in Clinical Nutrition and Metabolic Care, 14, 562–568.
6. Мохтари В., Афшарян П., Шахосейни М., Калантар С.М. и Мойни А. (2017). Обзор различных применений N-ацетилцистеина. Cell Journal, 19 (1), 11–17.
7. Пист, П. (2013). Цистеин-мастер-антиоксидант. Международный журнал фармацевтических, химических и биологических наук, 3 (1), 143–149.
8. Куиг, Д. (1998). Метаболизм цистеина и токсичность металлов. Обзор альтернативной медицины, 3 (4), 262–270.
9. Ву, Г. (2013). Аминокислоты. Биохимия и питание. Бока-Ратон, Флорида: Taylor & Francis Group.