CISTEIN: ZNAČILNOSTI, STRUKTURA, FUNKCIJE, BIOSINTEZA - BIOLOGIJA - 2025

Cistein ( Cys, C ) je eden od 22 aminokislin najdemo v naravi kot del polipeptidnih verig, ki sestavljajo proteine živih bitij. Ključnega pomena je za stabilnost terciarnih struktur beljakovin, saj pomaga pri nastajanju intramolekularnih disulfidnih mostov.

Tako kot velja za druge aminokisline, kot so alanin, arginin, asparagin, glutamat in glutamin, glicin, prolin, serin in tirozin, so tudi ljudje sposobni sintetizirati cistein, tako da to ni velja za esencialno aminokislino.

Struktura aminokisline Cistein (Vir: Hattrich via Wikimedia Commons)

Kljub temu in glede na dejstvo, da hitrosti sinteze ne ustrezajo vedno telesnim potrebam, nekateri avtorji cistein opisujejo kot "pogojno" esencialno aminokislino.

Ta aminokislina je dobila ime po "cistinu", sestavnem delu žolčnih kamnov, odkritih leta 1810, katerega ime sta leta 1832 skovala A. Baudrimont in F. Malaguti. Nekaj ​​let pozneje, leta 1884, je E. Baumann odkril, da je cistein produkt redukcije cistina.

Po delu, ki ga je leta 1899 opravil Bauman, je bilo ugotovljeno, da je cistein glavna sestavina beljakovin, ki sestavljajo rogove različnih živali, kar je nakazovalo njegovo morebitno uporabo za sintezo polipeptidov.

Zdaj je znano, da telesni cistein izvira iz hrane, recikliranja beljakovin in endogene sinteze, ki se pojavlja predvsem v hepatocitih.

značilnosti

Cistein ima molekulsko maso 121,16 g / mol in je poleg levcina, izolevcina, valina, fenilalanina, triptofana, metionina in tirozina med najbolj hidrofobnimi aminokislinami.

Spada v skupino nepolnjenih polarnih aminokislin in se tako kot druge aminokisline pri visokih temperaturah lahko razgradi z alkalno hidrolizo.

Tako kot triptofan, serin, glicin in treonin je tudi cistein presnovni predhodnik glukoneogeneze in ketogeneze (tvorba ketonskih teles).

Ta aminokislina obstaja kot del peptidnega zaporedja beljakovin, vendar jo lahko najdemo tudi v krvni plazmi kot homogene (cistin, derivat) ali mešane disulfide, sestavljene iz oblike homocistein-cistein.

Glavna razlika med prostim cisteinom in tistim, ki ga najdemo v strukturi beljakovin, je v tem, da je prvi v močno oksidiranem redoks stanju, medtem ko je drugi običajno precej zmanjšan.

Struktura

Tako kot ostale opisane aminokisline do danes ima tudi cistein centralni ogljikov atom, ki je kiralni in je znan kot α-ogljik.

Na ta atom ogljika so pritrjene štiri različne kemijske vrste:

- amino skupina (-NH3 +)

- karboksilna skupina (-COO-)

- vodikov atom in

- substituent (-R).

Nadomestna skupina je tista, ki daje vsaki aminokislini identiteto, za cistein pa je značilno, da vsebuje atom žvepla kot del tiolne ali sulfhidrilne skupine (-CH2-SH).

Prav ta skupina mu omogoča, da sodeluje pri nastajanju intra- in intermolekularnih disulfidnih mostov. Ker gre za nukleofil, lahko sodeluje tudi v substitucijskih reakcijah.

Pravzaprav lahko to stransko verigo cisteina spremenimo tako, da tvorimo dve spojini, znani kot "selenocistein" in "lationin." Prva je aminokislina, ki prav tako sodeluje pri tvorbi beljakovin, druga pa je derivat aminokislin, ki ne vsebuje beljakovin.

Za tiolno skupino cisteina je značilna tudi njegova velika pripadnost ionom srebra in živega srebra (Ag + in Hg2 +).

Lastnosti

Glavne funkcije cisteina v živih organizmih so povezane z njegovim sodelovanjem pri tvorbi beljakovin. Zlasti cistein sodeluje pri vzpostavljanju disulfidnih mostov, ki so ključni za oblikovanje terciarne strukture beljakovin.

Poleg tega ta aminokislina ni uporabna samo za sintezo beljakovin, ampak sodeluje tudi pri sintezi glutationa (GSH) in zagotavlja reducirano žveplo za metionin, lipoično kislino, tiamin, koencim A (CoA), molibdopterin (kofaktor) in druge biološko pomembne spojine.

V pogojih prevelikih količin žveplovih aminokislin se lahko cistein in druge sorodne aminokisline uporabljajo za proizvodnjo piruvata in anorganskega žvepla. Piruvat se uspe preusmeriti proti glukoneogeni poti, ki služi za proizvodnjo glukoze.

Keratini, ki so ena najbolj obilnih vrst strukturnih beljakovin v živalskem kraljestvu, so bogati z ostanki cisteina. Ovčja volna na primer vsebuje več kot 4% žvepla iz te aminokisline.

Cistein sodeluje tudi v številnih oksidacijsko-redukcijskih reakcijah, zaradi česar je del aktivnega mesta nekaterih encimov.

Ta aminokislina z reakcijo z glukozo ustvari reakcijske izdelke, ki v nekatere kulinarične pripravke vnesejo privlačne okuse in arome.

Biosinteza

Biosinteza aminokislin v človeškem telesu in drugih živalih (sesalci in nesalci) poteka na tkivno-celični način; gre za postopek, ki zahteva energijo in ga običajno ločimo med različnimi organi.

Jetra so eden glavnih organov, ki sodelujejo pri sintezi večine nebistvenih aminokislin, ne glede na obravnavano vrsto.

Pri tem ne sintetiziramo samo cisteina, temveč tudi aspartat, asparagin, glutamat in glutamin, glicin, serin, tirozin in druge iz njihovih specifičnih predhodnikov aminokislin.

Erwin Brand je leta 1935 ugotovil, da se cistein pri sesalcih naravno sintetizira iz metionina, ki se pojavlja izključno v jetrnem tkivu.

Ta proces se lahko zgodi s "transmetilacijo" metionina, kjer se metilne skupine prenesejo v holin in kreatin. Cistein pa se lahko zaradi trans-sulfurizacije tvori tudi iz metionina.

Kasneje se je pokazalo, da so poleg metionina nekatere sintetične spojine, kot so N-acetil cistein, cisteamin in cistamin, koristni predhodniki za sintezo cisteina.

V primeru N-acetil cisteina ga prevzamejo celice, kjer se v citosolu pretvori v cistein z encimom deacetilazo.

Mehanizem za sintezo

Najbolj znan mehanizem sinteze cisteina iz metionina je trans-sulfurizacija. To se pojavlja predvsem v jetrih, vendar je določeno tudi v črevesju in trebušni slinavki.

To izhaja iz homocisteina, spojine, dobljene iz aminokisline metionina; in prva reakcija na tej biosintetski poti je kondenzacija, ki jo katalizira encim cistationin β-sintaza (CBS).

Ta encim predstavlja "kompromisni" korak poti in kondenzira homocistein z ostankom serina, drugo beljakovinsko aminokislino, ki proizvaja cistationin. Nato se ta spojina "razreže" ali "cepi" z encimom cistationaza, kar vodi do sproščanja cisteina.

Uravnavanje encimske aktivnosti CBS je posredovano zaradi razpoložljivosti metionina in redoks stanja celice, kjer se ta proces dogaja.

Po poti sinteze cisteina lahko celice obvladajo odvečni metionin, saj je njegova pretvorba v cistein nepovratni proces.

Sinteza cisteina v rastlinah in mikroorganizmih

V teh organizmih se cistein sintetizira predvsem iz anorganskega žvepla, ki je najpogostejši vir uporabnega žvepla v aerobni biosferi.

Ta se odvzame, vstopi v celice in se nato zmanjša do žvepla (S2-), ki je vgrajen v cistein na podoben način kot pri amoniaku pri sintezi glutamata ali glutamina.

Presnova in razgradnja

Katabolizem cisteina se pojavlja predvsem v jetrnih celicah (hepatociti), čeprav se lahko pojavlja tudi v drugih vrstah celic, kot so nevroni, endotelne celice in celice gladkih mišic telesne vaskulature.

Določene okvare cisteinskega katabolizma povzročajo dedno bolezen, imenovano „cistinurija“, za katero je značilna prisotnost cistinskih kamnov v ledvicah, mehurju in ureterju.

Cistin je aminokislina, pridobljena iz cisteina, kamni pa nastanejo s pomočjo dveh molekul le-teh skozi atome žvepla.

Del presnove cisteina povzroči nastanek scientosulfinske kisline, iz katere se tvori tavrin, neproteinska aminokislina. Reakcijo katalizira encim cistein dioksigenaza.

Poleg tega lahko cistein oksidiramo s formaldehidom, da nastane N-formil cistein, katerega nadaljnja obdelava lahko privede do tvorbe "merkapturata" (produkta kondenzacije cisteinov z aromatičnimi spojinami).

Pri živalih se uporabljata tudi cistein ter glutamat in glutamin za sintezo koencima A, glutationa (GSH), piruvata, sulfata in vodikovega sulfida.

Eden od načinov pretvorbe cisteina v piruvat se zgodi v dveh korakih: prvi vključuje odstranitev žveplovega atoma, drugi pa reakcijo transaminacije.

Ledvice so odgovorne za izločanje sulfatov in sulfitov, ki nastanejo pri presnovi žveplovih spojin, kot je cistein, medtem ko pljuča izžarevajo žveplov dioksid in vodikov sulfid.

Glutation

Glutation, molekula, sestavljena iz treh aminokislinskih ostankov (glicin, glutamat in cistein), je molekula, ki je prisotna v rastlinah, živalih in bakterijah.

Ima posebne lastnosti, zaradi katerih je odličen redoks pufer, saj ščiti celice pred različnimi vrstami oksidativnega stresa.

Živila, bogata s cisteinom

Cistein najdemo naravno v živilih, ki vsebujejo žveplo, kot so (rumeni) rumenjaki, rdeča paprika, česen, čebula, brokoli, cvetača, ohrovt in brstični ohrovt, vodna kreša in gorčična zelena.

Prisotna je predvsem v živilih, bogatih z beljakovinami, kot so meso, stročnice in mlečni izdelki, med katerimi so:

- govedina, svinjina, piščanec in ribe

- Oves in leča

- Sončnična semena

- Jogurt in sir

Prednosti vnosa cisteina

Šteje se, da njegov vnos preprečuje izpadanje las in spodbuja njegovo rast. V prehrambeni industriji se pogosto uporablja kot sredstvo za izboljšanje testa za kruh in tudi za "razmnoževanje" okusov, podobnih mesu.

Drugi avtorji so poročali, da vnos prehranskih dopolnil ali živil, bogatih s cisteinom, zmanjšuje biokemične poškodbe, ki jih povzroča prekomerno uživanje hrane, onesnažene s kovinskimi elementi, saj sodeluje v "kelacijskih" reakcijah.

Nekatere prehranske dodatke, povezane s cisteinom, ljudje uporabljajo kot antioksidante, kar velja z vidika "zaviranja" staranja.

N-acetil cistein (predhodnik sinteze cisteina), na primer, jemljemo kot prehransko dopolnilo, saj to povzroči povečanje biosinteze glutationa (GSH).

Sorodne bolezni

Obstaja nekaj znanstvenih publikacij, ki povezujejo visoke ravni cisteina v plazmi z debelostjo in drugimi sorodnimi patologijami, kot so bolezni srca in ožilja ter drugi presnovni sindromi.

Cistinurija, kot je že omenjeno, je patologija, ki je povezana s prisotnostjo cistinskih kamnov, derivata cisteina, zaradi genetske okvare ledvične reabsorpcije dvobaznih aminokislin, kot je cistin.

Motnje pomanjkanja

Pomanjkanje cisteina je povezano z oksidativnim stresom, saj je to eden glavnih predhodnikov za sintezo glutationa. Zato lahko pomanjkljivosti te aminokisline privedejo do prezgodnjega staranja in vseh stanj, ki to pomenijo.

Dokazovanje cisteina je bilo eksperimentalno dokazano za izboljšanje funkcij skeletnih mišic, zmanjšanje razmerja med maščobno in nemastno telesno maso, znižanje plazemske ravni vnetnih citokinov, izboljšanje delovanja imunskega sistema itd.

Sredi devetdesetih let so nekatere študije nakazale, da je sindrom pridobljene imunske pomanjkljivosti (AIDS) lahko posledica pomanjkanja cisteina, ki ga povzroči virus.

Te trditve je podprlo dejstvo, da so bili pri HIV-pozitivnih bolnikih poleg nizkih koncentracij glutationa v glukonu v plazmi poleg nizkih koncentracij glutationa v plazmi tudi nizke koncentracije cistina v plazmi in cisteina.

Reference

1. Dröge, W. (1993). Pomanjkanje cisteina in glutationa pri bolnikih z aidsom: utemeljitev zdravljenja z N-acetil-cisteinom. Farmakologija, 46, 61–65.
2. Dröge, W. (2005). Oksidativni stres in staranje: Ali staranje sindrom pomanjkanja cisteina? Filozofski posli kraljeve družbe B: Biological Sciences, 360 (1464), 2355–2372.
3. Elshorbagy, AK, Smith, AD, Kozich, V. in Refsum, H. (2011). Cistein in debelost. Debelost, 20 (3), 1–9.
4. Kredič, N. (2013). Biosinteza cisteina. EcoSal Plus, 1–30.
5. McPherson, RA, & Hardy, G. (2011). Klinične in prehranske koristi beljakovin, obogatenih s cisteinom. Trenutno mnenje o klinični prehrani in presnovi, 14, 562–568.
6. Mokhtari, V., afsharian, P., Shahhoseini, M., Kalantar, SM, & Moini, A. (2017). Pregled različnih načinov uporabe N-acetil cisteina. Cell Journal, 19 (1), 11–17.
7. Piste, P. (2013). Antioksidant, ki obvladuje cistein. International Journal of Pharmaceutical, Chemical and Biological Sciences, 3 (1), 143–149.
8. Quig, D. (1998). Presnova cisteina in strupenost za kovine. Pregled alternativne medicine, 3 (4), 262–270.
9. Wu, G. (2013). Amino kisline. Biokemija in prehrana. Boca Raton, FL: Taylor & Francis Group.