ЦИСТЕИН: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, БИОСИНТЕЗА - БИОЛОГИЯ - 2025

На цистеин (Cys, С) е една от 22 аминокиселини, намерени в природата като част от полипептидни вериги, които съставят протеините на живи същества. Той е от съществено значение за стабилността на третичните структури на протеини, тъй като подпомага образуването на вътремолекулни дисулфидни мостове.

Точно както важи за други аминокиселини като аланин, аргинин, аспарагин, глутамат и глутамин, глицин, пролин, серин и тирозин, хората са способни да синтезират цистеин, така че това не е счита се за незаменима аминокиселина.

Структура на аминокиселината цистеин (Източник: Hattrich чрез Wikimedia Commons)

Въпреки това и с оглед на факта, че скоростта на синтез не винаги отговаря на изискванията на организма, някои автори описват цистеина като "условно" незаменима аминокиселина.

Тази аминокиселина е кръстена на "цистин", компонент на камъни в жлъчката, открит през 1810 г., чието име е монетирано през 1832 г. от А. Бодримон и Ф. Малагути. Няколко години по-късно, през 1884 г., Е. Бауман открива, че цистеинът е продукт на редукцията на цистин.

След извършената от Бауман работа през 1899 г. е установено, че цистеинът е основната съставка на протеина, който съставлява рогата на различни животни, което предполага евентуалното му използване за синтеза на полипептиди.

Вече е известно, че цистеинът в тялото идва от храна, рециклиране на протеини и ендогенен синтез, който се осъществява главно в хепатоцитите.

характеристики

Цистеинът има молекулно тегло 121,16 g / mol и заедно с левцин, изолевцин, валин, фенилаланин, триптофан, метионин и тирозин са сред най-хидрофобните аминокиселини.

Той принадлежи към групата на незаредените полярни аминокиселини и подобно на други аминокиселини може да се разгради чрез алкална хидролиза при високи температури.

Подобно на триптофана, серина, глицина и треонина, цистеинът е метаболитен прекурсор за глюконеогенеза и кетогенеза (образуване на кетонови тела).

Тази аминокиселина съществува като част от пептидната последователност на протеини, но може да бъде открита и в кръвната плазма като хомогенна (цистин, производно) или смесен дисулфид, съставена от хомоцистеин-цистеиновата форма.

Основната разлика между свободния цистеин и този, който се намира в протеиновата структура е, че първият е в силно окислено редокс състояние, докато вторият обикновено е доста намален.

структура

Както при останалите описани до момента аминокиселини, цистеинът има централен въглероден атом, който е хирален и е известен като α-въглерод.

Към този въглероден атом са прикрепени четири различни химически вида:

- амино група (-NH3 +)

- карбоксилна група (-COO-)

- водороден атом и

- заместител (-R).

Заместителната група е тази, която дава идентичност на всяка аминокиселина, а тази на цистеина се характеризира с това, че съдържа серен атом като част от тиолова или сулфхидрилна група (-CH2-SH).

Именно тази група му позволява да участва във формирането на интра- и междумолекулни дисулфидни мостове. Тъй като е нуклеофил, той може да участва и в реакции на заместване.

Всъщност тази странична верига на цистеина може да бъде модифицирана до образуване на две съединения, известни като "селеноцистеин" и "лантионин." Първата е аминокиселина, която също участва в образуването на протеини, а втората е непротеиново производно на аминокиселини.

Тиоловата група цистеин също се характеризира с високия си афинитет към сребърните и живачните йони (Ag + и Hg2 +).

Характеристика

Основните функции на цистеина в живите организми са свързани с участието му във формирането на протеини. По-конкретно, цистеинът участва в установяването на дисулфидни мостове, които са от съществено значение за формирането на третичната протеинова структура.

В допълнение, тази аминокиселина е не само полезна за синтеза на протеини, но също така участва в синтеза на глутатион (GSH) и осигурява намалената сяра за метионин, липоева киселина, тиамин, коензим A (CoA), молибдоптерин (кофактор) и други биологично важни съединения.

В условия на прекомерно количество серни аминокиселини, цистеин и други свързани аминокиселини могат да бъдат използвани за производството на пируват и неорганична сяра. Пируватът успява да бъде пренасочен към глюконеогенния път, служещ за производството на глюкоза.

Кератините, които са един от най-изобилните видове структурни протеини в животинското царство, са богати на цистеинови остатъци. Например, овчата вълна съдържа повече от 4% сяра от тази аминокиселина.

Цистеинът също участва в много окислително-редукционни реакции, което го прави част от активното място на някои ензими.

Реагирайки с глюкоза, тази аминокиселина генерира реакционни продукти, които въвеждат привлекателни аромати и аромати на някои кулинарни препарати.

Биосинтеза

Биосинтезата на аминокиселини в човешкото тяло и тази на други животни (бозайници и не бозайници) протича по специфичен за тъканите и клетките начин; това е процес, който изисква енергия и обикновено се отделя между различни органи.

Черният дроб е един от основните органи, участващи в синтеза на повечето несъществени аминокиселини, независимо от разглежданите видове.

При това се синтезира не само цистеин, но и аспартат, аспарагин, глутамат и глутамин, глицин, серин, тирозин и други от техните специфични прекурсори на аминокиселини.

През 1935 г. Ервин Бранд определя, че цистеинът при бозайниците се синтезира естествено от метионин, който се среща изключително в чернодробната тъкан.

Този процес може да протече чрез "трансметилиране" на метионин, при което метиловите групи се прехвърлят в холин и креатин. Цистеинът обаче може да се образува и от метионин благодарение на транссулфуризацията.

По-късно беше показано, че в допълнение към метионина, някои синтетични съединения като N-ацетил цистеин, цистеамин и цистамин са полезни прекурсори за синтеза на цистеин.

В случая на N-ацетил цистеин той се поема от клетки, където той се превръща в цистеин чрез ензим деацетилаза в цитозола.

Механизъм за синтез

Най-известният механизъм на синтез на цистеин от метионин е този на транссулфуризация. Това се случва главно в черния дроб, но е определено и в червата и панкреаса.

Това се получава от хомоцистеин, съединение, получено от аминокиселината метионин; и първата реакция в този биосинтетичен път е кондензация, катализирана от ензима цистатионин β-синтаза (CBS).

Споменатият ензим представлява "компромисния" етап на пътя и кондензира хомоцистеин със серинов остатък, друга протеинова аминокиселина, като произвежда цистатионин. Впоследствие това съединение се "разрязва" или "разцепва" от ензима цистатионаза, което води до освобождаване на цистеин.

Регулирането на ензимната активност на CBS се медиира от наличието на метионин и от редокс състоянието на клетката, в която протича този процес.

По пътя на синтеза на цистеин клетките могат да се справят с излишния метионин, тъй като превръщането му в цистеин е необратим процес.

Синтез на цистеин в растенията и микроорганизмите

В тези организми цистеинът се синтезира главно от неорганична сяра, която е най-богатият източник на използваема сяра в аеробната биосфера.

Това се приема, влиза в клетките и след това се редуцира до сяра (S2-), която се влага в цистеина по подобен начин на това, което се случва с амоняка при синтеза на глутамат или глутамин.

Метаболизъм и разграждане

Цистеиновият катаболизъм се среща главно в чернодробните клетки (хепатоцити), въпреки че може да се появи и в други видове клетки като неврони, ендотелни клетки и гладко мускулни клетки на телесната васкулатура.

Някои дефекти в цистеиновия катаболизъм водят до наследствено заболяване, известно като „цистинурия“, характеризиращо се с наличието на цистинови камъни в бъбреците, пикочния мехур и уретера.

Цистинът е аминокиселина, получена от цистеин и камъните се образуват чрез обединяването на две молекули от тях чрез техните серни атоми.

Част от метаболизма на цистеина води до образуването на сциентосулфинова киселина, от която се образува таурин, небелтъчна аминокиселина. Реакцията се катализира от ензима цистеин диоксигеназа.

Освен това цистеинът може да се окисли чрез формалдехид до получаване на N-формил цистеин, последващата обработка на който може да доведе до образуването на "меркапрат" (продукт на кондензацията на цистеини с ароматни съединения).

При животни се използва също цистеин, както и глутамат и глутамин, за синтеза на коензим А, глутатион (GSH), пируват, сулфат и сероводород.

Един от методите за превръщане на цистеин в пируват се осъществява на два етапа: първият включва отстраняване на серния атом, а вторият - трансаминационна реакция.

Бъбреците са отговорни за отделянето на сулфати и сулфити, получени от метаболизма на серни съединения като цистеин, докато белите дробове издишват серен диоксид и сероводород.

Глутатионът

Глутатион, молекула, съставена от три аминокиселинни остатъка (глицин, глутамат и цистеин) е молекула, която присъства в растенията, животните и бактериите.

Той има специални свойства, които го правят отличен окислително-възстановителен буфер, тъй като предпазва клетките от различни видове оксидативен стрес.

Храни, богати на цистеин

Цистеинът се намира естествено в храни, които съдържат сяра, като (жълти) яйчни жълтъци, червени чушки, чесън, лук, броколи, карфиол, къдраво зеле и брюкселско зеле, крес и горчица зелени.

Той също така присъства главно в храни, богати на протеини като месо, бобови и млечни продукти, сред които са:

- говеждо, свинско, пилешко и риба

- Овес и леща

- Слънчогледови семки

- Кисело мляко и сирене

Ползи от приема на цистеин

Счита се, че приемът му предотвратява косопада и стимулира растежа му. В хранително-вкусовата промишленост той се използва широко като подобрител на тесто за хляб, а също така и за „възпроизвеждане“ на месоподобни аромати.

Други автори съобщават, че приемът на хранителни добавки или храни, богати на цистеин, намалява биохимичните увреждания, причинени от прекомерната консумация на храни, замърсени с метални елементи, тъй като той участва в реакциите на „хелация“.

Някои хранителни добавки, свързани с цистеина, се използват от хората като антиоксиданти, което се счита за полезно от гледна точка на „забавяне“ на стареенето.

N-ацетил цистеин (прекурсор в синтеза на цистеин), например, се приема като хранителна добавка, тъй като това води до увеличаване на биосинтезата на глутатион (GSH).

Свързани заболявания

Има някои научни публикации, които свързват високите нива на плазмения цистеин със затлъстяването и други свързани патологии като сърдечно-съдови заболявания и други метаболитни синдроми.

Цистинурията, както бе споменато по-горе, е патология, която е свързана с наличието на цистинови камъни, производно на цистеин, поради генетичен дефект в бъбречната реабсорбция на двуосновни аминокиселини като цистин.

Нарушения на дефицита

Дефицитът на цистеин е свързан с оксидативен стрес, тъй като това е един от основните прекурсори за синтеза на глутатион. Следователно, недостигът на тази аминокиселина може да доведе до преждевременно стареене и всички апартаменти, които това означава.

Експериментално е доказано, че добавката с цистеин подобрява функциите на скелетните мускули, намалява съотношението между мастна и немаслена телесна маса, намалява плазмените нива на възпалителни цитокини, подобрява функциите на имунната система и др.

В средата на 90-те години някои изследвания предполагат, че синдромът на придобити имунен дефицит (СПИН) може да бъде следствие от дефицит на цистеин, предизвикан от вируса.

Тези твърдения бяха подкрепени от факта, че изследваните ХИВ-позитивни пациенти имат ниски нива на плазмен цистин и цистеин, в допълнение към ниските вътреклетъчни концентрации на глутатион.

Препратки

1. Dröge, W. (1993). Дефицит на цистеин и глутатион при пациенти със СПИН: обосновка за лечение с N-ацетил-цистеин. Фармакология, 46, 61-65.
2. Dröge, W. (2005). Оксидативен стрес и стареене: Стареенето ли е синдром на недостиг на цистеин? Философски транзакции на Кралското общество Б: Биологични науки, 360 (1464), 2355–2372.
3. Elshorbagy, AK, Smith, AD, Kozich, V., & Refsum, H. (2011). Цистеин и затлъстяване. Затлъстяване, 20 (3), 1–9.
4. Кредич, Н. (2013). Биосинтез на цистеин. EcoSal Plus, 1–30.
5. McPherson, RA, & Hardy, G. (2011). Клинични и хранителни предимства на протеиновите добавки, обогатени с цистеин. Настоящо мнение в клиничното хранене и метаболитни грижи, 14, 562–568.
6. Mokhtari, V., африкански, P., Shahhoseini, M., Kalantar, SM, & Moini, A. (2017). Преглед на различни приложения на N-ацетил цистеин. Cell Journal, 19 (1), 11–17.
7. Piste, P. (2013). Антиоксидант-майстор на цистеин. International Journal of Pharmaceutical, Chemical and Biological Sciences, 3 (1), 143–149.
8. Quig, D. (1998). Метаболизъм на цистеин и метална токсичност. Преглед на алтернативната медицина, 3 (4), 262-270.
9. Ву, Г. (2013). Аминокиселини. Биохимия и хранене. Boca Raton, FL: Taylor & Francis Group.