CISTEĪNS: RAKSTUROJUMS, STRUKTŪRA, FUNKCIJAS, BIOSINTĒZE - BIOLOĢIJA - 2025

Cisteīna ( Cys, C ) ir viens no 22 aminoskābēm, kas sastopamas dabā, kā daļa no polipeptīdu ķēdēm, kas veido olbaltumvielas dzīvo būtņu. Tas ir svarīgi olbaltumvielu terciāro struktūru stabilitātei, jo tas palīdz veidot intramolekulārus disulfīdu tiltus.

Cilvēks ir spējīgs sintezēt cisteīnu tāpat kā citas aminoskābes, piemēram, alanīns, arginīns, asparagīns, glutamāts un glutamīns, glicīns, prolīns, serīns un tirozīns, tāpēc tas nav tiek uzskatīta par neaizvietojamu aminoskābi.

Cisteīna aminoskābes struktūra (Avots: Hattrich, izmantojot Wikimedia Commons)

Neskatoties uz to un ņemot vērā faktu, ka sintēzes ātrums ne vienmēr atbilst ķermeņa prasībām, daži autori apraksta cisteīnu kā "nosacīti" neaizvietojamu aminoskābi.

Šī aminoskābe tika nosaukta pēc "cistīna" - 1810. gadā atklātā žultsakmeņu komponenta, kura vārdu 1832. gadā izgudroja A. Baudrimont un F. Malaguti. Dažus gadus vēlāk, 1884. gadā, E. Baumans atklāja, ka cisteīns ir cistīna reducēšanas produkts.

Pēc Baumaņa 1899. gadā veiktā darba tika noteikts, ka cisteīns ir galvenā olbaltumviela, kas veido dažādu dzīvnieku ragus, un tas liecina par tā iespējamo izmantošanu polipeptīdu sintēzē.

Tagad ir zināms, ka ķermeņa cisteīns nāk no pārtikas, olbaltumvielu pārstrādes un endogēnās sintēzes, kas notiek galvenokārt hepatocītos.

raksturojums

Cisteīna molekulmasa ir 121,16 g / mol, un tas kopā ar leicīnu, izoleicīnu, valīnu, fenilalanīnu, triptofānu, metionīnu un tirozīnu ir starp hidrofobākajām aminoskābēm.

Tas pieder pie neuzlādētu polāro aminoskābju grupas un, tāpat kā citas aminoskābes, augstā temperatūrā to var sadalīt sārmainas hidrolīzes rezultātā.

Tāpat kā triptofāns, serīns, glicīns un treonīns, cisteīns ir metabolisms prekursors glikoneoģenēzei un ketoģenēzei (ketonu ķermeņu veidošanās).

Šī aminoskābe pastāv kā olbaltumvielu peptīdu sekvences sastāvdaļa, bet to var arī brīvi atrast asins plazmā kā viendabīgus (cistīns, atvasinājums) vai jauktus disulfīdus, kas sastāv no homocisteīna-cisteīna formas.

Galvenā atšķirība starp brīvo cisteīnu un olbaltumvielu struktūrā esošo ir tā, ka pirmais ir ļoti oksidēts redoksa stāvoklī, bet otrais parasti ir diezgan samazināts.

Uzbūve

Tāpat kā pārējām līdz šim aprakstītajām aminoskābēm, cisteīnam ir centrālais oglekļa atoms, kas ir hirāls un ir pazīstams kā α-ogleklis.

Šim oglekļa atomam ir pievienotas četras dažādas ķīmiskās sugas:

- aminogrupa (-NH3 +)

- karboksilgrupa (-COO-)

- ūdeņraža atoms un

- aizvietotājs (-R).

Aizvietotāju grupa ir tā, kas piešķir identitāti katrai aminoskābei, un cisteīnam raksturīga tā, ka sēra atoms satur daļu no tiola vai sulfhidrilgrupas (-CH2-SH).

Tieši šī grupa ļauj tai piedalīties intra- un starpmolekulāro disulfīdu tiltu veidošanā. Tā kā tas ir nukleofils, tas var arī piedalīties aizstāšanas reakcijās.

Faktiski šo cisteīna sānu ķēdi var modificēt, lai veidotu divus savienojumus, kas pazīstami kā "selenocisteīns" un "lantionīns". Pirmais ir aminoskābe, kas arī piedalās olbaltumvielu veidošanā, un otrā ir aminoskābe, kas nav olbaltumvielu atvasinājums.

Cisteīna tiolu grupai raksturīga arī augsta afinitāte pret sudraba un dzīvsudraba joniem (Ag + un Hg2 +).

Iespējas

Cisteīna galvenās funkcijas dzīvos organismos ir saistītas ar tā piedalīšanos olbaltumvielu veidošanā. Konkrēti, cisteīns piedalās disulfīdu tiltu izveidē, kas ir nepieciešami terciārā olbaltumvielu struktūras veidošanai.

Turklāt šī aminoskābe ir ne tikai noderīga olbaltumvielu sintēzē, bet arī piedalās glutationa (GSH) sintēzē un nodrošina samazinātu sēra daudzumu metionīnam, liposkābei, tiamīnam, koenzīmam A (CoA), molibdopterīns (kofaktors) un citi bioloģiski svarīgi savienojumi.

Pārmērīga sēra aminoskābju daudzuma apstākļos piruvāta un neorganiskā sēra ražošanā var izmantot cisteīnu un citas radniecīgas aminoskābes. Piruvātu var novirzīt uz glikoneogēno ceļu, kas kalpo glikozes ražošanai.

Keratīni, kas ir viens no visbagātākajiem strukturālo olbaltumvielu veidiem dzīvnieku valstībā, ir bagāti ar cisteīna atlikumiem. Piemēram, aitas vilnā ir vairāk nekā 4% šīs aminoskābes sēra.

Cisteīns arī piedalās daudzās oksidācijas-reducēšanās reakcijās, padarot to par dažu enzīmu aktīvās vietas sastāvdaļu.

Reaģējot ar glikozi, šī aminoskābe rada reakcijas produktus, kas dažiem kulinārijas izstrādājumiem piešķir pievilcīgu garšu un aromātu.

Biosintēze

Aminoskābju biosintēze cilvēka ķermenī un citu dzīvnieku (zīdītāji un ne-zīdītāji) notiek audos un šūnās; tas ir process, kam nepieciešama enerģija, un parasti tas tiek atdalīts starp dažādiem orgāniem.

Aknas ir viens no galvenajiem orgāniem, kas iesaistīti lielāko daļu neaizstājamo aminoskābju sintēzē, neatkarīgi no apskatītajām sugām.

Tajā tiek sintezēts ne tikai cisteīns, bet arī aspartāts, asparagīns, glutamāts un glutamīns, glicīns, serīns, tirozīns un citi no to specifiskajiem aminoskābju prekursoriem.

1935. gadā Ervins Brends noteica, ka cisteīns zīdītājiem dabiski tiek sintezēts no metionīna, kas notiek tikai aknu audos.

Šis process var notikt caur metionīna "transmetilāciju", kurā metilgrupas tiek pārnestas uz holīnu un kreatīnu. Tomēr cisteīnu var veidot arī no metionīna, pateicoties trans-sulfurization.

Vēlāk tika pierādīts, ka papildus metionīnam daži sintētiski savienojumi, piemēram, N-acetilcisteīns, cisteamīns un cistamīns, ir noderīgi prekursori cisteīna sintēzē.

N-acetilcisteīna gadījumā to uzņem šūnas, un citosolā ar deacetilazes enzīmu tas tiek pārveidots par cisteīnu.

Sintēzes mehānisms

Vispazīstamākais metionīna cisteīna sintēzes mehānisms ir trans-sulfurization. Tas notiek galvenokārt aknās, bet ir noteikts arī zarnās un aizkuņģa dziedzerī.

Tas rodas no homocisteīna, savienojuma, kas iegūts no aminoskābes metionīna; un pirmā reakcija šajā biosintētiskajā ceļā ir kondensāts, ko katalizē enzīma cistationīna β-sintāze (CBS).

Šis enzīms pārstāv ceļa "kompromisa" soli un kondensē homocisteīnu ar serīna atlikumu - citu olbaltumvielu aminoskābi, kas ražo cistationīnu. Pēc tam šo savienojumu "sagriež" vai "sašķeļ" enzīms cistationāze, kas noved pie cisteīna atbrīvošanas.

CBS fermentatīvās aktivitātes regulēšanu nosaka metionīna pieejamība un šūnas, kurā notiek šis process, redokss stāvoklis.

Caur cisteīna sintēzes ceļu šūnas var rīkoties ar lieko metionīna daudzumu, jo tā pārvēršana par cisteīnu ir neatgriezenisks process.

Cisteīna sintēze augos un mikroorganismos

Šajos organismos cisteīns tiek sintezēts galvenokārt no neorganiskā sēra, kas ir visbagātākais izmantojamā sēra avots aerobo biosfērā.

Tas tiek ņemts, nonāk šūnās un pēc tam tiek reducēts līdz sēram (S2-), kas tiek iekļauts cisteīnā līdzīgi tam, kas notiek ar amonjaku glutamāta vai glutamīna sintēzē.

Metabolisms un noārdīšanās

Cisteīna katabolisms galvenokārt notiek aknu šūnās (hepatocītos), lai arī tas var rasties arī cita veida šūnās, piemēram, neironos, endotēlija šūnās un ķermeņa asinsvadu gludās muskulatūras šūnās.

Atsevišķi cisteīna katabolisma defekti rada iedzimtu slimību, kas pazīstama kā “cistinūrija” un kurai raksturīgi cistīna akmeņi nierēs, urīnpūslī un urīnvadā.

Cistīns ir aminoskābe, kas iegūta no cisteīna, un akmeņus veido divu šo molekulu savienojums caur to sēra atomiem.

Daļai cisteīna metabolisma rodas scientosulfīnskābe, no kuras veidojas taurīns, kas nav olbaltumvielu aminoskābe. Reakciju katalizē enzīms cisteīna dioksigenāze.

Turklāt cisteīnu var oksidēt ar formaldehīdu, iegūstot N-formilcisteīnu, kura turpmākā apstrāde var izraisīt "merkapturāta" (produkts, kas rodas cisteīnu kondensācijas ar aromātiskiem savienojumiem) veidošanos.

Dzīvniekiem cisteīnu, kā arī glutamātu un glutamīnu izmanto arī koenzīma A, glutationa (GSH), piruvāta, sulfāta un sērūdeņraža sintēzei.

Viena no metodēm cisteīna pārvēršanai piruvatā notiek divos posmos: pirmā ir saistīta ar sēra atoma noņemšanu un otrā - transaminēšanas reakcija.

Nieres ir atbildīgas par sulfātu un sulfītu izdalīšanos, kas rodas no sēra savienojumu, piemēram, cisteīna, metabolisma, bet plaušas izelpo sēra dioksīdu un sērūdeņradi.

Glutations

Glutations, molekula, kas sastāv no trim aminoskābju atlikumiem (glicīns, glutamāts un cisteīns), ir molekula, kas atrodas augos, dzīvniekos un baktērijās.

Tam ir īpašas īpašības, kas padara to par lielisku redoksa buferi, jo tas aizsargā šūnas no dažāda veida oksidatīvā stresa.

Pārtika, kas bagāta ar cisteīnu

Cisteīns dabiski atrodams pārtikā, kas satur sēru, piemēram, (dzeltenos) olu dzeltenumus, sarkanos papriku, ķiplokus, sīpolus, brokoļus, ziedkāpostus, kāpostus un Briseles kāpostus, ūdens kreses un sinepju zaļumi.

Tas galvenokārt atrodas arī pārtikas produktos, kas bagāti ar olbaltumvielām, piemēram, gaļā, pākšaugos un piena produktos, starp kuriem ir:

- Liellopu gaļa, cūkgaļa, vistas gaļa un zivis

- auzas un lēcas

- Saulespuķu sēklas

- Jogurts un siers

Cisteīna uzņemšanas priekšrocības

Tiek uzskatīts, ka tā uzņemšana novērš matu izkrišanu un stimulē to augšanu. Pārtikas rūpniecībā to plaši izmanto kā maizes mīklu uzlabojošu līdzekli, kā arī gaļas reproducēšanai.

Citi autori ir ziņojuši, ka uztura bagātinātāju vai ar cisteīnu bagātu pārtikas produktu uzņemšana samazina bioķīmiskos ievainojumus, ko izraisa pārmērīga pārtikas produktu lietošana, kas piesārņoti ar metāliskiem elementiem, jo ​​tas piedalās “helātu” reakcijās.

Dažus uztura bagātinātājus, kas saistīti ar cisteīnu, cilvēki izmanto kā antioksidantus, kas tiek uzskatīti par izdevīgiem no novecošanas "kavēšanas" viedokļa.

Piemēram, N-acetilcisteīns (cisteīna sintēzes priekštecis) tiek uzskatīts par uztura bagātinātāju, jo tas palielina glutationa (GSH) biosintēzi.

Saistītās slimības

Ir dažas zinātniskas publikācijas, kas saista augstu cisteīna līmeni plazmā ar aptaukošanos un citām saistītām patoloģijām, piemēram, sirds un asinsvadu slimībām un citiem metabolisma sindromiem.

Cistinūrija, kā minēts iepriekš, ir patoloģija, kas saistīta ar cistīna akmeņu - cisteīna atvasinājuma - klātbūtni ģenētiska defekta dēļ divskābju aminoskābju, piemēram, cistīna, nieru reabsorbcijā nierēs.

Trūkuma traucējumi

Cisteīna deficīts ir saistīts ar oksidatīvo stresu, jo tas ir viens no galvenajiem glutationa sintēzes priekštečiem. Tādēļ trūkumi šajā aminoskābē var izraisīt priekšlaicīgu novecošanos un visus dzīvokļus, ko tas nozīmē.

Eksperimentāli pierādīts, ka cisteīna papildināšana uzlabo skeleta muskuļu funkcijas, samazina tauku un beztauku ķermeņa masas attiecību, samazina iekaisuma citokīnu līmeni plazmā, uzlabo imūnsistēmas funkcijas utt.

Deviņdesmito gadu vidū daži pētījumi liecināja, ka iegūtais imūndeficīta sindroms (AIDS) varētu būt vīrusa izraisīta cisteīna deficīta sekas.

Šīs prasības apstiprināja fakts, ka pārbaudītajiem HIV pozitīvajiem pacientiem papildus zemajai glutationa intracelulārajai koncentrācijai šūnās bija zems cistīna un cisteīna līmenis plazmā.

Atsauces

1. Dröge, W. (1993). Cisteīna un glutationa deficīts AIDS pacientiem: ārstēšanas ar N-acetil-cisteīnu pamatojums. Farmakoloģija, 46, 61-65.
2. Dröge, W. (2005). Oksidatīvais stress un novecošanās: vai novecošanās ir cisteīna deficīta sindroms? Karaliskās biedrības B filozofiskie darījumi: Bioloģiskās zinātnes, 360 (1464), 2355–2372.
3. Elshorbagy, AK, Smith, AD, Kozich, V., & Refsum, H. (2011). Cisteīns un aptaukošanās. Aptaukošanās, 20 (3), 1. – 9.
4. Kredich, N. (2013). Cisteīna biosintēze. EcoSal Plus, 1. – 30.
5. McPherson, RA, un Hardy, G. (2011). Ar cisteīnu bagātinātu olbaltumvielu piedevu klīniskās un uztura priekšrocības. Pašreizējais atzinums klīniskajā uzturā un metabolisma aprūpē, 14, 562–568.
6. Mokhtari, V., Afsharian, P., Shahhoseini, M., Kalantar, SM, & Moini, A. (2017). Pārskats par dažādiem N-acetilcisteīna lietojumiem. Šūnu žurnāls, 19 (1), 11–17.
7. Piste, P. (2013). Cisteīna galvenais antioksidants. Starptautiskais farmācijas, ķīmijas un bioloģisko zinātņu žurnāls, 3. panta 1. punkts, 143. – 149.
8. Kvigs, D. (1998). Cisteīna metabolisms un metālu toksicitāte. Alternatīvās medicīnas apskats, 3 (4), 262–270.
9. Wu, G. (2013). Aminoskābes. Bioķīmija un uzturs. Boca Raton, FL: Taylor & Francis grupa.