ЦИСТЕЇН: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, БІОСИНТЕЗ - БІОЛОГІЯ - 2025

Цистеїну ( Cys, C ) є одним з 22 амінокислот , що зустрічаються в природі в складі поліпептидних ланцюгів , які складають білки живих істот. Він має важливе значення для стабільності третинних структур білків, оскільки сприяє утворенню внутрішньомолекулярних дисульфідних мостів.

Так само, як це стосується інших амінокислот, таких як аланін, аргінін, аспарагін, глутамат і глутамін, гліцин, пролін, серин і тирозин, людина здатна синтезувати цистеїн, тому це не так розглядається як незамінна амінокислота.

Структура амінокислоти цистеїн (Джерело: Hattrich через Wikimedia Commons)

Незважаючи на це і з огляду на той факт, що швидкість синтезу не завжди відповідає потребам організму, деякі автори описують цистеїн як "умовно" незамінну амінокислоту.

Ця амінокислота була названа на честь "цистину", компонента жовчних каменів, виявленого в 1810 році, ім'я якого було придумано в 1832 році А. Бодрімоном та Ф. Малагуті. Через кілька років, у 1884 р. Е. Бауман виявив, що цистеїн був продуктом відновлення цистину.

Після роботи, проведеної Бауманом, у 1899 р. Було встановлено, що цистеїн є основною складовою білка, що складає роги різних тварин, що запропонувало його можливе використання для синтезу поліпептидів.

Наразі відомо, що цистеїн в організмі надходить з їжею, переробкою білків та ендогенним синтезом, який відбувається переважно в гепатоцитах.

характеристики

Цистеїн має молекулярну масу 121,16 г / моль і є, поряд з лейцином, ізолейцином, валіном, фенілаланіном, триптофаном, метіоніном та тирозином, серед найбільш гідрофобних амінокислот.

Він належить до групи незаряджених полярних амінокислот і, як і інші амінокислоти, може бути деградований лужним гідролізом при високих температурах.

Як і триптофан, серин, гліцин та треонін, цистеїн є метаболічним попередником глюконеогенезу та кетогенезу (утворення кетонових тіл).

Ця амінокислота існує як частина пептидної послідовності білків, але також може бути вільною у плазмі крові у вигляді гомогенних (цистин, похідне) або змішаних дисульфідів, що складаються з форми гомоцистеїну-цистеїну.

Основна відмінність вільного цистеїну від того, що міститься в структурі білка, полягає в тому, що перший знаходиться в сильно окисленому окислювально-відновлювальному стані, тоді як останній зазвичай досить знижений.

Будова

Як і в решті амінокислот, описаних на сьогоднішній день, цистеїн має центральний атом вуглецю, який є хіральним і відомий як α-вуглець.

До цього атома вуглецю приєднано чотири різні хімічні види:

- аміногрупа (-NH3 +)

- карбоксильна група (-COO-)

- атом водню і

- заступник (-R).

Група-заступник - це та, яка надає ідентичність кожної амінокислоти, а цистеїн характеризується тим, що містить атом сірки як частину тиолової або сульфгідрильної групи (-CH2-SH).

Саме ця група дозволяє брати участь у формуванні внутрішньо- та міжмолекулярних дисульфідних мостів. Оскільки він є нуклеофілом, він також може брати участь у реакціях заміщення.

Фактично, цей бічний ланцюг цистеїну може бути модифікований з утворенням двох сполук, відомих як "селеноцистеїн" та "лантіонін". Перша - це амінокислота, яка також бере участь в утворенні білків, а друга - похідне небілкової амінокислоти.

Тиолова група цистеїну також характеризується високою спорідненістю до іонів срібла та ртуті (Ag + та Hg2 +).

Особливості

Основні функції цистеїну в живих організмах пов'язані з його участю у формуванні білків. Зокрема, цистеїн бере участь у встановленні дисульфідних містків, які мають важливе значення для формування структури третинного білка.

Крім того, ця амінокислота не тільки корисна для синтезу білка, але також бере участь у синтезі глутатіону (GSH) і забезпечує зменшену сірку для метіоніну, ліпоєвої кислоти, тіаміну, коензиму A (CoA), молібдоптерин (кофактор) та інші біологічно важливі сполуки.

В умовах надмірної кількості сірчаних амінокислот цистеїн та інші споріднені амінокислоти можуть бути використані для отримання пірувату та неорганічної сірки. Піруват вдається перенаправити в бік глюконеогенного шляху, слугуючи для виробництва глюкози.

Кератини, які є одним із найпоширеніших типів структурних білків у тваринництві, багаті залишками цистеїну. Наприклад, овеча шерсть містить більше 4% сірки з цієї амінокислоти.

Цистеїн також бере участь у багатьох окислювально-відновних реакціях, роблячи його частиною активного сайту деяких ферментів.

Реагуючи з глюкозою, ця амінокислота генерує продукти реакції, які вводять привабливі ароматизатори та аромати в деякі кулінарні препарати.

Біосинтез

Біосинтез амінокислот в організмі людини та в організмі інших тварин (ссавців і не ссавців) відбувається тканинно-клітинним чином; це процес, який вимагає енергії і зазвичай розділяється між різними органами.

Печінка є одним з основних органів, що беруть участь у синтезі більшості несуттєвих амінокислот, незалежно від розглянутих видів.

При цьому з їх специфічних попередників амінокислот синтезується не тільки цистеїн, а й аспартат, аспарагін, глутамат і глутамін, гліцин, серин, тирозин та інші.

У 1935 році Ервін Бранд визначив, що цистеїн у ссавців природним чином синтезується з метіоніну, який зустрічається виключно в тканинах печінки.

Цей процес може відбуватися через "трансметилювання" метіоніну, де метильні групи переходять до холіну та креатину. Однак цистеїн також може утворюватися з метіоніну завдяки транссульфурації.

Пізніше було показано, що, крім метіоніну, деякі синтетичні сполуки, такі як N-ацетил цистеїн, цистеамін та цистамін, є корисними попередниками для синтезу цистеїну.

Що стосується N-ацетил цистеїну, він поглинається клітинами, де він перетворюється на цистеїн ферментом деацетилази в цитозолі.

Механізм синтезу

Найвідомішим механізмом синтезу цистеїну з метіоніну є механізм транссульфурації. Це відбувається в основному в печінці, але також було визначено в кишечнику та підшлунковій залозі.

Це відбувається від гомоцистеїну, сполуки, отриманої з амінокислоти метіоніну; і першою реакцією цього біосинтетичного шляху є конденсація, каталізується ферментом цистатіонін β-синтаза (CBS).

Цей фермент являє собою "компромісну" стадію шляху і конденсує гомоцистеїн із залишком серину, іншою білковою амінокислотою, яка виробляє цистатіонін. Згодом цю сполуку "розрізають" або "розщеплюють" ферментом цистатіоназа, що призводить до вивільнення цистеїну.

Регуляція ферментативної активності CBS опосередковується наявністю метіоніну та окислювально-відновним станом клітини, де відбувається цей процес.

Через шлях синтезу цистеїну клітини можуть обробляти надлишок метіоніну, оскільки його перетворення в цистеїн є незворотним процесом.

Синтез цистеїну в рослинах і мікроорганізмах

У цих організмах цистеїн синтезується переважно з неорганічної сірки, яка є найпоширенішим джерелом корисної сірки в аеробній біосфері.

Він приймається, потрапляє в клітини і потім зменшується до сірки (S2-), яка включається в цистеїн аналогічно тому, що відбувається з аміаком при синтезі глутамату або глутаміну.

Метаболізм і деградація

Катаболізм цистеїну зустрічається в основному в клітинах печінки (гепатоцитах), хоча він може зустрічатися і в інших типах клітин, таких як нейрони, ендотеліальні клітини та гладком’язові клітини судинної системи тіла.

Деякі дефекти цистеїнового катаболізму призводять до спадкового захворювання, відомого як «цистинурія», що характеризується наявністю цистинових каменів у нирках, сечовому міхурі та сечоводі.

Цистин - це амінокислота, отримана з цистеїну, і камені утворюються при об'єднанні двох молекул цих атомів сірки.

Частина метаболізму цистеїну призводить до утворення сциентосульфінової кислоти, з якої утворюється таурин, небілкова амінокислота. Реакція каталізується ферментом цистеїн діоксигеназою.

Крім того, цистеїн може бути окислений формальдегідом з утворенням N-формил цистеїну, подальша обробка якого може призвести до утворення "меркапрату" (продукту конденсації цистеїнів з ароматичними сполуками).

У тварин також використовується цистеїн, а також глутамат та глутамін для синтезу коферменту А, глутатіону (ГШ), пірувату, сульфату та сірководню.

Один із способів перетворення цистеїну в піруват відбувається в два етапи: перший включає видалення атома сірки, а другий - реакцію трансамінації.

Нирки відповідають за екскрецію сульфатів і сульфітів, одержуваних при метаболізмі сполук сірки, таких як цистеїн, в той час як легені виділяють сірчистий газ і сірководень.

Глютатіон

Глутатіон - молекула, що складається з трьох амінокислотних залишків (гліцину, глутамату та цистеїну) - це молекула, яка присутня у рослин, тварин та бактерій.

Він має особливі властивості, які роблять його відмінним окислювально-відновним буфером, оскільки він захищає клітини від різних типів окисного стресу.

Продукти, багаті цистеїном

Цистеїн міститься в природі в продуктах, що містять сірку, такі як (жовтий) яєчний жовток, червоний перець, часник, цибуля, брокколі, цвітна капуста, капуста та брюссельська капуста, крес-салат та зелень гірчиці.

Він також присутній в основному в продуктах, багатих білком, таких як м'ясо, бобові та молочні продукти, серед яких:

- Яловичина, свинина, курка та риба

- Овес і сочевиця

- Насіння соняшника

- Йогурт і сир

Переваги прийому цистеїну

Вважається, що його прийом запобігає випадінню волосся та стимулює його ріст. У харчовій промисловості його широко використовують як поліпшувач хлібного тіста, а також для "відтворення" смаків, схожих на м'ясо.

Інші автори повідомили, що прийом дієтичних добавок або продуктів, багатих цистеїном, зменшує біохімічні ушкодження, спричинені надмірним споживанням продуктів, забруднених металевими елементами, оскільки він бере участь у реакціях «хеляції».

Деякі харчові добавки, пов’язані з цистеїном, використовуються людиною як антиоксиданти, що вважається корисним з точки зору "затримки" старіння.

Наприклад, N-ацетил цистеїн (попередник синтезу цистеїну) приймають як харчову добавку, оскільки це призводить до посилення біосинтезу глутатіону (GSH).

Супутні захворювання

Є деякі наукові публікації, які пов'язують високий рівень цистеїну в плазмі з ожирінням та іншими супутніми патологіями, такими як серцево-судинні захворювання та інші метаболічні синдроми.

Цистинурія, як згадувалося вище, - це патологія, пов’язана з наявністю цистинових каменів, похідних цистеїну, через генетичний дефект ниркової реабсорбції двоосновних амінокислот, таких як цистин.

Розлади дефіциту

Дефіцит цистеїну пов'язаний з окислювальним стресом, оскільки це один з головних попередників синтезу глутатіону. Тому дефіцит цієї амінокислоти може призвести до передчасного старіння та всіх квартир, що це означає.

Експериментально показано, що добавки до цистеїну покращують функції скелетних м’язів, зменшують співвідношення між жировою та нежирною масою тіла, знижують плазмовий рівень запальних цитокінів, покращують функції імунної системи тощо.

У середині 90-х років деякі дослідження припустили, що синдром набутого імунодефіциту (СНІД) може бути наслідком дефіциту цистеїну, викликаного вірусом.

Ці твердження підтверджуються тим, що обстежувані ВІЛ-позитивні пацієнти мали низький рівень цистину в плазмі крові та цистеїну на додаток до низьких внутрішньоклітинних концентрацій глутатіону.

Список літератури

1. Dröge, W. (1993). Дефіцит цистеїну та глутатіону у хворих на СНІД: обгрунтування лікування N-ацетил-цистеїном. Фармакологія, 46, 61-65.
2. Dröge, W. (2005). Окислювальний стрес та старіння: чи є старіння синдромом дефіциту цистеїну? Філософські трансакції Королівського товариства B: Біологічні науки, 360 (1464), 2355–2372.
3. Elshorbagy, AK, Smith, AD, Kozich, V. та Refsum, H. (2011). Цистеїн та ожиріння. Ожиріння, 20 (3), 1–9.
4. Кредич, Н. (2013). Біосинтез цистеїну. EcoSal Plus, 1–30.
5. McPherson, RA, & Hardy, G. (2011). Клінічні та харчові переваги білкових добавок, збагачених цистеїном. Сучасна думка з питань клінічного харчування та метаболічної допомоги, 14, 562–568.
6. Мохтари, В., афшарський, П., Шахосейні, М., Калантар, С.М., і Моуні, А. (2017). Огляд різних застосувань N-ацетил цистеїну. Cell Journal, 19 (1), 11–17.
7. Піст, П. (2013). Антиоксидант-майстер цистеїну. Міжнародний журнал фармацевтичних, хімічних та біологічних наук, 3 (1), 143–149.
8. Квіг, Д. (1998). Метаболізм цистеїну та токсичність металів. Огляд альтернативної медицини, 3 (4), 262–270.
9. Ву, Г. (2013). Амінокислоти. Біохімія та харчування. Бока Ратон, штат Флорида: Taylor & Francis Group.