Скелетная формула L - цистеина | |||
Имена | |||
---|---|---|---|
Название ИЮПАК Цистеин | |||
Другие имена
| |||
Идентификаторы | |||
3D модель ( JSmol ) |
| ||
Сокращения | Цис , С | ||
ЧЭБИ | |||
ChEMBL | |||
ChemSpider | |||
Информационная карта ECHA | 100.000.145 | ||
Номер ЕС |
| ||
Номер E | E920 (глазирователи, ...) | ||
| |||
КЕГГ | |||
CID PubChem |
| ||
УНИИ | |||
Панель инструментов CompTox ( EPA ) |
| ||
| |||
| |||
Свойства [4] | |||
С3Н7НО2S | |||
Молярная масса | 121,15 г·моль −1 | ||
Появление | белые кристаллы или порошок | ||
Температура плавления | 240 °C (464 °F; 513 K) разлагается | ||
277 г/л (при 25 °C) [1] | |||
Растворимость | 1,5 г/100 г этанола 19 °C [2] | ||
Кислотность ( pK a ) | 1,71 ( сопряженная кислота ), 8,33 ( тиол ), 10,78 [3] | ||
Хиральное вращение ([α] D ) | +9,4° (H 2 O, c = 1,3) | ||
Страница дополнительных данных | |||
Цистеин (страница данных) | |||
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). |
Цистеин ( / ˈ s ɪ s t ɪ iː n / ; [5] символ Cys или C [6] ) является полузаменимой [7] протеиногенной аминокислотой с формулой HOOC−CH(−NH 2 )−CH 2 −SH . Тиоловая боковая цепь в цистеине обеспечивает образование дисульфидных связей и часто участвует в ферментативных реакциях в качестве нуклеофила . Цистеин хиральный, но в природе встречаются как D- , так и L -цистеин. L -цистеин является мономером белка во всей биоте, а D -цистеин действует как сигнальная молекула в нервной системе млекопитающих. [8] Цистеин назван в честь его обнаружения в моче, которая поступает из мочевого пузыря или кисты, от греческого κύστις kýstis , «мочевой пузырь». [9]
Тиол подвержен окислению с образованием дисульфидного производного цистина , который играет важную структурную роль во многих белках . В этом случае иногда используется символ Cyx . [10] [11] Депротонированная форма, как правило, также может быть описана символом Cym . [11] [12]
При использовании в качестве пищевой добавки цистеин имеет номер E920.
Цистеин кодируется кодонами UGU и UGC.
Как и другие аминокислоты (не как остаток белка), цистеин существует в виде цвиттер-иона . Цистеин имеет l- хиральность в старой нотации d / l, основанной на гомологии с d- и l -глицеральдегидом. В более новой системе обозначения хиральности R / S , основанной на атомных числах атомов вблизи асимметричного углерода, цистеин (и селеноцистеин) имеют R- хиральность из-за присутствия серы (или селена) в качестве второго соседа асимметричного атома углерода. Остальные хиральные аминокислоты, имеющие более легкие атомы в этом положении, имеют S- хиральность. Замена серы на селен дает селеноцистеин .
Цистеинил является остатком в продуктах с высоким содержанием белка . Некоторые продукты, которые считаются богатыми цистеином, включают птицу, яйца, говядину и цельные зерна. В диетах с высоким содержанием белка цистеин может быть частично ответственен за снижение артериального давления и риска инсульта. [13] Хотя цистеин классифицируется как незаменимая аминокислота , [14] в редких случаях цистеин может быть необходим для младенцев, пожилых людей и людей с определенными метаболическими заболеваниями или страдающих синдромами мальабсорбции . Цистеин обычно может синтезироваться организмом человека в нормальных физиологических условиях, если доступно достаточное количество метионина .
Большая часть l -цистеина добывается промышленным способом путем гидролиза животных материалов, таких как перья птицы или свиная шерсть. Несмотря на распространенные слухи, [15] человеческие волосы редко являются исходным материалом. [16] Действительно, производители пищевых добавок или косметических продуктов не могут легально получать человеческие волосы в Европейском Союзе. [17] [18]
Некоторые источники L- цистеина животного происхождения в качестве пищевой добавки противоречат кошерной, халяльной, веганской или вегетарианской диетам. [15] Чтобы избежать этой проблемы, также доступен синтетический L -цистеин, соответствующий еврейским законам кашрута и мусульманским законам халяля , хотя и по более высокой цене. [19] Типичный синтетический путь включает ферментацию с искусственным штаммом E. coli . [20]
В качестве альтернативы компания Evonik (ранее Degussa) представила путь из замещенных тиазолинов . [21] Pseudomonas thiazolinophilum гидролизует рацемическую 2-амино-Δ 2- тиазолин-4-карбоновую кислоту до L -цистеина. [20]
У животных биосинтез начинается с аминокислоты серина . Сера образуется из метионина , который преобразуется в гомоцистеин через промежуточный S -аденозилметионин . Затем цистатионин бета-синтаза объединяет гомоцистеин и серин, образуя асимметричный тиоэфир цистатионин . Фермент цистатионин гамма-лиаза преобразует цистатионин в цистеин и альфа-кетобутират . У растений и бактерий биосинтез цистеина также начинается с серина, который преобразуется в O -ацетилсерин ферментом серин трансацетилазой . Фермент цистеин синтаза , используя источники сульфида, преобразует этот эфир в цистеин, высвобождая ацетат. [22]
Сульфгидрильная группа цистеина является нуклеофильной и легко окисляется. Реакционная способность усиливается, когда тиол ионизирован, а остатки цистеина в белках имеют значения pK a, близкие к нейтральным, поэтому часто находятся в своей реактивной тиолатной форме в клетке. [23] Из-за своей высокой реакционной способности сульфгидрильная группа цистеина имеет многочисленные биологические функции.
Благодаря способности тиолов подвергаться окислительно-восстановительным реакциям, остатки цистеина и цистеина обладают антиоксидантными свойствами. Его антиоксидантные свойства обычно выражаются в трипептиде глутатионе , который встречается у людей и других организмов. Системная доступность перорального глутатиона (GSH) незначительна; поэтому он должен биосинтезироваться из его составляющих аминокислот, цистеина, глицина и глутаминовой кислоты . В то время как глутаминовой кислоты обычно достаточно, поскольку азот аминокислоты рециркулируется через глутамат в качестве посредника, диетические добавки цистеина и глицина могут улучшить синтез глутатиона. [24]
Цистеин является важным источником сульфида в метаболизме человека . Сульфид в железо-серных кластерах и в нитрогеназе извлекается из цистеина, который в этом процессе преобразуется в аланин . [25]
Помимо железо-серных белков, многие другие металлические кофакторы в ферментах связаны с тиолатным заместителем остатков цистеина. Примерами являются цинк в цинковых пальцах и алкогольдегидрогеназе , медь в синих медных белках , железо в цитохроме P450 и никель в [NiFe]-гидрогеназах . [ 26] Сульфгидрильная группа также имеет высокое сродство к тяжелым металлам , поэтому белки, содержащие цистеин, такие как металлотионеин , будут прочно связывать такие металлы, как ртуть, свинец и кадмий. [27]
При трансляции молекул матричной РНК для получения полипептидов цистеин кодируется кодонами UGU и UGC .
Цистеин традиционно считался гидрофильной аминокислотой, что во многом основано на химической параллели между его сульфгидрильной группой и гидроксильными группами в боковых цепях других полярных аминокислот. Однако было показано, что боковая цепь цистеина стабилизирует гидрофобные взаимодействия в мицеллах в большей степени, чем боковая цепь в неполярной аминокислоте глицине и полярной аминокислоте серине. [28] В статистическом анализе частоты, с которой аминокислоты появляются в различных белках, было обнаружено, что остатки цистеина ассоциируются с гидрофобными областями белков. Их гидрофобная тенденция была эквивалентна тенденции известных неполярных аминокислот, таких как метионин и тирозин (тирозин является полярным ароматическим, но также гидрофобным [29] ), которые были намного больше, чем у известных полярных аминокислот, таких как серин и треонин . [30] Шкалы гидрофобности , которые ранжируют аминокислоты от самых гидрофобных до самых гидрофильных, последовательно помещают цистеин к гидрофобному концу спектра, даже когда они основаны на методах, которые не зависят от тенденции цистеинов образовывать дисульфидные связи в белках. Поэтому цистеин теперь часто группируют среди гидрофобных аминокислот, [31] [32], хотя иногда его также классифицируют как слегка полярный, [33] или полярный. [7]
Большинство остатков цистеина ковалентно связаны с другими остатками цистеина, образуя дисульфидные связи , которые играют важную роль в сворачивании и стабильности некоторых белков, обычно белков, секретируемых во внеклеточную среду. [34] Поскольку большинство клеточных компартментов представляют собой восстановительную среду , дисульфидные связи, как правило, нестабильны в цитозоле, за некоторыми исключениями, как указано ниже.
Дисульфидные связи в белках образуются путем окисления сульфгидрильной группы остатков цистеина. Другая серосодержащая аминокислота, метионин, не может образовывать дисульфидные связи. Более агрессивные окислители преобразуют цистеин в соответствующую сульфиновую кислоту и сульфоновую кислоту . Остатки цистеина играют ценную роль, сшивая белки, что увеличивает жесткость белков, а также выполняют функцию придания протеолитической устойчивости (поскольку экспорт белка является дорогостоящим процессом, минимизация его необходимости выгодна). Внутри клетки дисульфидные мостики между остатками цистеина в полипептиде поддерживают третичную структуру белка. Инсулин является примером белка с цистиновой сшивкой, в котором две отдельные пептидные цепи соединены парой дисульфидных связей.
Протеиновые дисульфидизомеразы катализируют правильное образование дисульфидных связей ; клетка переносит дегидроаскорбиновую кислоту в эндоплазматический ретикулум , который окисляет окружающую среду. В этой среде цистеины, как правило, окисляются до цистина и больше не выполняют функции нуклеофилов.
Помимо окисления до цистина, цистеин участвует в многочисленных посттрансляционных модификациях . Нуклеофильная сульфгидрильная группа позволяет цистеину конъюгировать с другими группами, например, в пренилировании . Убиквитинлигазы переносят убиквитин в его подвеску, белки и каспазы , которые участвуют в протеолизе в апоптотическом цикле. Интеины часто функционируют с помощью каталитического цистеина. Эти роли обычно ограничиваются внутриклеточной средой, где окружающая среда восстанавливается, а цистеин не окисляется до цистина.
Цистеин считается «новой» аминокислотой, будучи 17-й аминокислотой, включенной в генетический код . [35] [36] Подобно другим добавленным позже аминокислотам, таким как метионин , тирозин и триптофан , цистеин проявляет сильные нуклеофильные и окислительно-восстановительные свойства. [37] [38] Эти свойства способствуют истощению цистеина из комплексов дыхательной цепи , таких как комплексы I и IV , [39] поскольку активные формы кислорода ( ROS ), производимые дыхательной цепью, могут реагировать с остатками цистеина в этих комплексах, что приводит к дисфункциональным белкам и потенциально способствует старению. Первичной реакцией белка на ROS является окисление цистеина и потеря свободных тиоловых групп, [40] что приводит к увеличению тиильных радикалов и связанному с ними сшиванию белков. [41] [42] Напротив, другая серосодержащая, окислительно-восстановительно-активная аминокислота, метионин, не проявляет этих биохимических свойств, и ее содержание относительно повышено в митохондриально кодируемых белках. [43]
Цистеин, в основном l - энантиомер , является прекурсором в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности. Одно из самых больших применений — производство ароматизаторов. Например, реакция цистеина с сахарами в реакции Майяра дает мясные ароматизаторы. [44] l -цистеин также используется в качестве технологической добавки для выпечки. [45]
В области личной гигиены цистеин используется для перманентной завивки , преимущественно в Азии. Опять же, цистеин используется для разрыва дисульфидных связей в кератине волос .
Цистеин является очень популярной целью для экспериментов по сайт-направленному мечению для исследования биомолекулярной структуры и динамики. Малеимиды селективно присоединяются к цистеину с помощью ковалентного присоединения Михаэля . Сайт-направленное спиновое мечение для ЭПР или ЯМР с парамагнитной релаксацией также широко использует цистеин.
Цистеин был предложен в качестве профилактического средства или противоядия от некоторых негативных эффектов алкоголя, включая повреждение печени и похмелье . Он противодействует ядовитому воздействию ацетальдегида . [46] Он связывается с ацетальдегидом, образуя малотоксичный гетероцикл метилтиопролин . [ 47]
В исследовании на крысах подопытные животные получили дозу ацетальдегида LD 90. Те, кто получил цистеин, имели 80% выживаемость; когда вводили и цистеин, и тиамин , все животные выжили. Контрольная группа имела 10% выживаемость. [48]
В 2020 году была опубликована статья, в которой предполагается, что L-цистеин может также действовать на людей. [49]
N -Ацетил- l -цистеин - производное цистеина, в котором ацетильная группа присоединена к атому азота. Это соединение продается как пищевая добавка и используется как противоядие в случаях передозировки ацетаминофена . [50]
Цистеин необходим овцам для производства шерсти. Это незаменимая аминокислота, которую они получают из корма. Как следствие, в условиях засухи овцы производят меньше шерсти; однако были выведены трансгенные овцы, которые могут производить свой собственный цистеин. [51]
Будучи многофункциональным, цистеин подвергается различным реакциям. Большое внимание уделялось защите сульфгидрильной группы. [52] Метилирование цистеина дает S-метилцистеин . Обработка формальдегидом дает тиазолидин тиопролин . Цистеин образует различные координационные комплексы при обработке ионами металлов. [53]
По сравнению с большинством других аминокислот цистеин гораздо более токсичен. [54]
Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, дополнив его. ( Январь 2023 ) |
В 1884 году немецкий химик Ойген Бауманн обнаружил, что при обработке цистина восстановителем цистин оказывается димером мономера , который он назвал «цистеином». [55]
L-цистеин гидрохлорид или гидрохлорид моногидрат. Человеческие волосы не могут быть использованы в качестве источника этого вещества
ПРИЛОЖЕНИЕ II СПИСОК ВЕЩЕСТВ, ЗАПРЕЩЕННЫХ В КОСМЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ...416 Клетки, ткани или продукты человеческого происхождения