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

Cistein (Cys, C) je jedan od 22 aminokiselina se nalazi u prirodi kao dio polipeptidnih lanaca koji čine proteine živih bića. To je bitno za stabilnost tercijarnih struktura proteina, jer pomaže formiranju intramolekularnih disulfidnih mostova.

Baš kao što vrijedi i za druge aminokiseline poput alanina, arginina, asparagina, glutamata i glutamina, glicina, prolina, serina i tirozina, ljudi su sposobni sintetizirati cistein, tako da nije smatra se esencijalnom aminokiselinom.

Struktura aminokiseline Cistein (Izvor: Hattrich via Wikimedia Commons)

Unatoč tome, i s obzirom na činjenicu da brzine sinteze ne zadovoljavaju uvijek tjelesne potrebe, neki autori opisuju cistein "uvjetno" esencijalnom aminokiselinom.

Ta je aminokiselina dobila ime po "cistinu", komponenti žučnih kamenaca otkrivenih 1810. godine, čije su ime skovali 1832. A. Baudrimont i F. Malaguti. Nekoliko godina kasnije, 1884., E. Baumann je otkrio da je cistein proizvod redukcije cistina.

Nakon rada koje je Bauman obavio, 1899. godine utvrđeno je da je cistein glavni sastojak proteina koji čine rogovi raznih životinja, što je sugeriralo njegovu moguću upotrebu za sintezu polipeptida.

Sada je poznato da tjelesni cistein dolazi iz hrane, recikliranja bjelančevina i endogene sinteze koja se događa uglavnom u hepatocitima.

karakteristike

Cistein ima molekulsku masu od 121,16 g / mol i, uz leucin, izoleucin, valin, fenilalanin, triptofan, metionin i tirozin, spada među najviše hidrofobnih aminokiselina.

Spada u skupinu neispunjenih polarnih aminokiselina i, poput ostalih aminokiselina, može se razgraditi alkalnom hidrolizom pri visokim temperaturama.

Poput triptofana, serina, glicina i treonina, cistein je metabolički prekursor za glukoneogenezu i ketogenezu (formiranje ketonskih tijela).

Ta aminokiselina postoji kao dio peptidne sekvence proteina, ali može se naći i u krvnoj plazmi kao homogeni (cistin, derivat) ili miješani disulfidi, sastavljeni od oblika homocistein-cistein.

Glavna razlika između slobodnog cisteina i onoga što se nalazi u strukturi proteina je u tome što je prvi u visoko oksidiranom redoks stanju, dok je drugi obično prilično smanjen.

Struktura

Kao i kod ostalih do danas opisanih aminokiselina, i cistein ima središnji ugljikov atom, koji je kiralni i poznat je kao α-ugljik.

Četiri različite kemijske vrste povezane su na ovaj atom ugljika:

- amino skupina (-NH3 +)

- karboksilna skupina (-COO-)

- atom vodika i

- supstituent (-R).

Supstituentna skupina je ona koja daje identitet svakoj aminokiselini, a cisteinska skupina je karakterizirana time da sadrži atom sumpora kao dio tiolne ili sulfhidrilne skupine (-CH2-SH).

Upravo mu ta skupina omogućuje da sudjeluje u stvaranju intra- i intermolekularnih disulfidnih mostova. Budući da se radi o nukleofilu, može sudjelovati i u reakcijama supstitucije.

U stvari, ovaj bočni lanac cisteina može se modificirati tako da tvori dva spoja poznata kao "selenocistein" i "lationin". Prva je aminokiselina koja također sudjeluje u stvaranju proteina, a druga je neproteinski derivat aminokiselina.

Tiolnu skupinu cisteina karakterizira i njen visoki afinitet prema ionima srebra i žive (Ag + i Hg2 +).

Značajke

Glavne funkcije cisteina u živim organizmima imaju veze s njegovim sudjelovanjem u stvaranju proteina. Naime, cistein sudjeluje u uspostavljanju disulfidnih mostova, koji su bitni za formiranje tercijarne proteinske strukture.

Pored toga, ova aminokiselina nije korisna samo za sintezu proteina, već sudjeluje u sintezi glutation-a (GSH) i osigurava smanjeni sumpor za metionin, lipoičnu kiselinu, tiamin, koenzim A (CoA), molibdopterin (kofaktor) i ostali biološki važni spojevi.

U uvjetima prekomjerne količine sumpornih aminokiselina, cistein i druge srodne aminokiseline mogu se upotrijebiti za proizvodnju piruvata i anorganskog sumpora. Piruvat uspijeva preusmjeriti prema glukoneogenoj stazi koja služi za proizvodnju glukoze.

Keratini, koji su jedna od najzastupljenijih vrsta strukturnih proteina u životinjskom carstvu, bogati su cisteinskim ostacima. Na primjer, ovčja vuna sadrži više od 4% sumpora iz ove aminokiseline.

Cistein također sudjeluje u mnogim reakcijama redukcije oksidacije, čineći ga aktivnim mjestom nekih enzima.

Reagirajući s glukozom, ova aminokiselina stvara reakcijske proizvode koji u neke kulinarske pripravke unose privlačne okuse i arome.

biosinteza

Biosinteza aminokiselina u ljudskom tijelu i kod drugih životinja (sisavaca i ne-sisavaca) odvija se na tkivni i stanični način; to je proces koji zahtijeva energiju i obično se odvaja između različitih organa.

Jetra je jedan od glavnih organa koji sudjeluju u sintezi većine nebitnih aminokiselina, bez obzira na razmatrane vrste.

Pri tome se ne sintetizira samo cistein, već i aspartat, asparagin, glutamat i glutamin, glicin, serin, tirozin i drugi iz njihovih specifičnih prekursora aminokiselina.

Erwin Brand je 1935. utvrdio da se cistein u sisavaca prirodno sintetizira iz metionina koji se događa isključivo u jetrenom tkivu.

Ovaj se proces može dogoditi "transmetilacijom" metionina, gdje se metilne skupine prenose u holin i kreatin. Međutim, cistein se također može stvoriti iz metionina zahvaljujući trans-sulfurizaciji.

Kasnije se pokazalo da su, pored metionina, neki sintetski spojevi poput N-acetil cisteina, cisteamina i cistamina korisni prekursori za sintezu cisteina.

U slučaju N-acetil cisteina, on ga uzima u stanicama, gdje se pretvara u cistein enzimom deacetilazom u citosolu.

Mehanizam sinteze

Najpoznatiji mehanizam sinteze cisteina iz metionina je onaj trans-sulfurizacije. To se događa uglavnom u jetri, ali je određeno i u crijevima i gušterači.

To se događa od homocisteina, spoja dobivenog iz aminokiseline metionina; a prva reakcija na ovom biosintetskom putu je kondenzacija koju katalizira enzim cistationin β-sintaza (CBS).

Ovaj enzim predstavlja "kompromisni" korak puta i kondenzira homocistein sa ostatkom serina, drugom aminokiselinom proteina, koja stvara cistationin. Nakon toga, ovaj spoj se "reže" ili "cijepa" enzimom cistationaza, što dovodi do oslobađanja cisteina.

Regulacija enzimske aktivnosti CBS posredovana je dostupnošću metionina i redoksaktivnim stanjem stanice u kojoj se događa taj proces.

Putem sinteze cisteina stanice se mogu nositi s viškom metionina jer je njegova pretvorba u cistein nepovratan proces.

Sinteza cisteina u biljkama i mikroorganizmima

U tim se organizmima cistein sintetizira uglavnom iz anorganskog sumpora koji je najzastupljeniji izvor upotrebljivog sumpora u aerobnoj biosferi.

Uzima se, ulazi u stanice i zatim se reducira u sumpor (S2-), koji se ugrađuje u cistein na sličan način kao što se događa s amonijakom u sintezi glutamata ili glutamina.

Metabolizam i razgradnja

Katabolizam cisteina javlja se uglavnom u stanicama jetre (hepatociti), iako se može pojaviti i u drugim vrstama stanica poput neurona, endotelnih stanica i stanica glatkih mišića vaskulature tijela.

Određeni nedostaci katabolizma cisteina dovode do naslijeđene bolesti poznate kao "cistinurija", karakterizirane prisutnošću cističnih kamenaca u bubrezima, mjehuru i ureteru.

Cistin je aminokiselina koja se dobiva iz cisteina, a kamenje nastaje spajanjem dviju ovih molekula putem njihovih atoma sumpora.

Dio metabolizma cisteina rezultira stvaranjem scientosulfinske kiseline iz koje se stvara taurin, neproteinska aminokiselina. Reakcija je katalizirana enzimom cistein dioksigenazom.

K tome, cistein se može oksidirati formaldehidom da bi se dobio N-formil cistein, čija kasnija obrada može dovesti do stvaranja "merkapturata" (produkta kondenzacije cisteina s aromatskim spojevima).

Kod životinja se koristi i cistein, kao i glutamat i glutamin, za sintezu koenzima A, glutation (GSH), piruvata, sulfata i hidrogen sulfida.

Jedna od metoda pretvorbe cisteina u piruvat događa se u dva koraka: prvi uključuje uklanjanje atoma sumpora, a drugi reakciju transaminacije.

Bubrezi su odgovorni za izlučivanje sulfata i sulfita koji nastaju metabolizmom sumpornih spojeva poput cisteina, dok pluća izlučuju sumporni dioksid i hidrogen sulfid.

glutation

Glutation, molekula koju čine tri aminokiselinska ostatka (glicin, glutamat i cistein), molekula je prisutna u biljkama, životinjama i bakterijama.

Ima posebna svojstva koja ga čine izvrsnim redoks puferom jer štiti stanice od različitih vrsta oksidativnog stresa.

Hrana bogata cisteinom

Cistein se prirodno nalazi u namirnicama koje sadrže sumpor, poput (žutog) žumanjka, crvene paprike, češnjaka, luka, brokule, cvjetače, kelja i briselske klice, vodene kreše i senf zeleno.

Prisutna je uglavnom u hrani bogatoj proteinima, poput mesa, mahunarki i mliječnih proizvoda, među kojima su:

- govedina, svinjetina, piletina i riba

- Zob i leća

- Sjemenke suncokreta

- Jogurt i sir

Prednosti unosa cisteina

Smatra se da njegov unos sprječava gubitak kose i potiče njegov rast. U prehrambenoj industriji naširoko se koristi kao sredstvo za poboljšanje tijesta za kruh i također za "reprodukciju" okusa poput mesa.

Drugi su autori izvijestili da unos dodataka prehrani ili hrane bogate cisteinom smanjuje biokemijske povrede uzrokovane pretjeranom konzumacijom hrane onečišćene metalnim elementima, jer sudjeluje u reakcijama "keliranja".

Neke prehrambene dodatke povezane s cisteinom ljudi koriste kao antioksidanse, što se smatra korisnim sa stajališta "usporavanja" starenja.

Na primjer, N-acetil cistein (prekursor u sintezi cisteina) uzima se kao dodatak prehrani jer to rezultira povećanjem biosinteze glutation-a (GSH).

Srodne bolesti

Postoje neke znanstvene publikacije koje povezuju visoku razinu cisteina u plazmi s pretilošću i drugim srodnim patologijama kao što su kardiovaskularne bolesti i drugi metabolički sindromi.

Cistinurija, kao što je već spomenuto, je patologija koja je povezana s prisutnošću cistinskih kamenova, derivata cisteina, zbog genetskog oštećenja bubrežne reapsorpcije dvobaznih aminokiselina, poput cistina.

Poremećaji nedostatka

Manjak cisteina povezan je s oksidativnim stresom, jer je to jedan od glavnih prekursora za sintezu glutationa. Stoga, nedostatak ove aminokiseline može dovesti do preranog starenja i svih stanova koje to znači.

Dokazano je da suplementacija cisteinom poboljšava funkcije koštanih mišića, smanjuje omjer masne i masne tjelesne mase, smanjuje razinu upalnih citokina u plazmi, poboljšava funkcije imunološkog sustava itd.

Sredinom 1990-ih, neke studije sugerirale su da bi sindrom stečenog imunog deficita (AIDS) mogao biti posljedica virusa izazvanog nedostatka cisteina.

Ove su tvrdnje potkrijepljene činjenicom da su pregledani HIV-pozitivni bolesnici uz nisku koncentraciju glutationa u plazmi imali i nisku razinu cistina u plazmi i cisteina.

Reference

1. Dröge, W. (1993). Manjak cisteina i glutation u bolesnika sa AIDS-om: obrazloženje za liječenje N-acetil-cisteinom. Farmakologija, 46, 61-65.
2. Dröge, W. (2005). Oksidativni stres i starenje: Je li starenje sindrom nedostatka cisteina? Filozofske transakcije Kraljevskog društva B: Biološke znanosti, 360 (1464), 2355-2372.
3. Elshorbagy, AK, Smith, AD, Kozich, V. i Refsum, H. (2011). Cistein i pretilost. Pretilost, 20 (3), 1–9.
4. Kredich, N. (2013). Biosinteza cisteina. EcoSal Plus, 1–30.
5. McPherson, RA, i Hardy, G. (2011). Kliničke i prehrambene koristi proteinskih dodataka obogaćenih cisteinom. Trenutačno mišljenje o kliničkoj prehrani i metaboličkoj skrbi, 14, 562–568.
6. Mokhtari, V., afrički, P., Shahhoseini, M., Kalantar, SM, & Moini, A. (2017). Pregled različitih primjena N-acetil cisteina. Cell Journal, 19 (1), 11–17.
7. Piste, P. (2013). Antioksidans koji svlada cistein. Međunarodni časopis za farmaceutske, kemijske i biološke znanosti, 3 (1), 143–149.
8. Quig, D. (1998). Metabolizam cisteina i toksičnost metala. Pregled alternativne medicine, 3 (4), 262-270.
9. Wu, G. (2013). Aminokiseline. Biokemija i prehrana. Boca Raton, FL: Taylor & Francis Group.