Cistein

Cistein (skr. Cys ili C) jest semi-esencijska proteinogena aminokiselina sa hemijskom formulom HO₂CCH(NH₂)CH₂SH. Kod čovjeka se, u izvjesnoj mjeri, može i (bio)sintetizirati.^[1] Ugradnju cisteina u proteinski lanac kodiraju tripletni kodoni UGU i UGC. Tiolski bočni lanac često sudjeluje u enzimskim reakcijama, služeći kao nukleofil.^[2][3] Tiol je podložan oksidaciji nakon čega nastaje disulfidni derivat cistin, koji ima važnu strukturnu ulogu u mnogim proteinima. Kada se koristi kao dodatak hrani, ima međunarodni kod E920.

L-Cistein 3D struktura L-cisteina
Općenito
Hemijski spoj	L-Cistein 3D struktura L-cisteina
Molekularna formula	HO2CCH(NH2)CH2SH
CAS registarski broj	52-90-4
Kratki opis	beli kristali ili prah
Osobine1
Molarna masa	60,07 g/mol
Agregatno stanje	čvrsto
Gustoća	1,32 g/cm3
Tačka topljenja	132,7-135 °C
Rastvorljivost	rastvorljiv
1 Gdje god je moguće korištene su SI jedinice. Ako nije drugačije naznačeno, dati podaci vrijede pri standardnim uslovima.

Prehrambeni izvori

Iako je klasificiran kao semiesencijalna aminokiselina, u rijetkim slučajevima, cistein može biti esencijalan za djecu, starije osobe i bolesnike sa specifičnim metaboličkim poremećajima ili kod onih sa sindromom malapsorpcije. U normalnim fiziološkim uvjetima, ljudsko tijelo obično može da sintetizira cistein, ako je dostupna dovoljna količina metionina. U gastrointestinalnom traktu i krvnoj plazmi, podložan je katabolizi. Za razliku od reaktivnog cisteina, njegova izvedenica cistin neizmenjen prolazi kroz GI trakt i krvnu plazmu, a pri ulasku u ćelije brzo se reducira u dva molekula cisteina.

Cistein se nalazi u većini visokoproteinskih izvora hrane. Neki od njih su:

• životinjski izvori: meso (uključujući i svinjetinu i perad), jaja, mliječni proizvodi;
• biljni izvori: crvene paprike, češnjak, luk, brokula, prokula, zob, granola, pšenične klice, isklijala leća.

Kao i druge aminokiseline, cistein ima amfoterna svojstva.

(R)-Cistein (lijevo) i (S)-Cistein (desno) na neutralnom pH

Industrijski izvori

L-Cistein se industrijski dobijao putem hidrolizom dlaka i keratina. Glavni suvremeni industrijski način proizvodnje počiva na fermentaciji uz upotrebu mutirane E. coli, a Wacker Chemie je uveo proceduru proizvodnje iz substituiranih tiazolina.^[4] Po toj tehnologiji, L-cistein se proizvodi hidrolizom racemiske 2-amino-Δ²-thiazolin-4-karboksilne kiseline koristeći Pseudomonas thiazolinophilum.^[5]

Biosinteza

Sinteza cisteina: cistationin beta sintetaza katalizira gornju reakciju, a cistationin gama-lijaza donju.

Kod životinja, biosinteza počinje aminokiselinom serinom. Sumpor potiče iz metionina, koji konvertira u homocistein preko intermediara S-adenozil metionina. Zatim cistationin beta-sintetaza kombinira homocistein i serin u formu asimetričnog tioetra cistationina. Enzim cistationin gama-lijaza konvertuje cistationin u cistein i alfa-keto butirat. U biljkama i bakterijama, biosinteza cisteina isto počinje od serina, koji se konvertuje u O-acetil serin enzimom serin transacetilaza. Enzim O-acetilserin (tiol)-lijaza, iz raspoloživih sulfidnnih izvora, konvertira taj ester u cistein, pri čemu se oslobađa acetat.

Biološke funkcije

Tiol grupa cisteina ima nukleofilna svojstva, pa lahko oksidira. Reaktivnost se pojačava kad je tiol joniziran. Konstanta disocijacije kiseline (pK_a) cisteinskih ostataka u proteinima je blizu neutralnosti, tako da su u ćeliji česti u reaktivnom tiolatnom obliku .^[6] Visoka reaktivnost tiol grupe, cisteinu omogućavaju brojne biološke funkcije.

Prekursor antioksidansa glutationa

Kao posledica podložnosti tiola redoks reakcijama, cistein ima i antioksidantne osobenosti. Naprimjer, one se ispoljavaju u slučaju tripeptida glutationa, koji je prisutan u ljudskom tijelu, kao i u nizu drugih organizama. Sistemska dostupnost oralnog glutationa (GSH) je neznatna, zbog čega se mora sintetizirati iz konstitutivnih aminokiselina: cisteina, glicina, i glutaminske kiseline. Ove aminokiseline lahko su dostupne iz uobičajene hrane, ali raspoloživost cisteina može biti ograničavajući faktor.

Disulfidne veze

Disulfidne veze imaju značajnu ulogu u savijanju i stabilnosti nekih proteina, pogotovu izlučenih u ekstracelularni medij.^[7] Budući da većina ćelijskih kompartmana ima reducirajuće okruženje, disulfidne veze u citosolu su općenito nestabilne.

Cistin (u neutralnoj formi) je formiran od dvije molekule cisteina.

Disulfidne veze u proteinima se formiraju oksidacijom tiol grupe cisteinskih ostataka. Druga aminokiselina koja sadrži sumpor - metionin - ne može stvarati disulfidne veze. Agresivniji oksidansi konvertiraju cistein u korespondirajuću sulfinsku i sulfonsku kiselinu. Cisteinski ostaci imaju značajnu ulogu u umrežavanju proteina, što povećava čvrstoću molekula i doprinosi stvaranju proteolitičke otpornosti. Unutar ćelije, disulfidni mostovi među cisteinskim ostatacima u polipeptidima podržavaju proteinsku sekundarnu strukturu. Insulin je primjer proteina sa cistinskim umrežavanjem, gdje su dva nezavisna peptidna lanca povezana parom disulfidnih veza.

Korektnu formaciju disulfidnih veza katalizira protein disulfid izomeraza. Ćelija prenosi dehidro askorbinsku kiselinu u endoplazmatski retikulum, što uvjetuje oksidaciju sredine. U takvim uvjetima, cisteini su uglavnom oksidirani do cistina koji nemaju nukleofilna svojstva.

Prekursor klastera gvožđe-sumpor

U metabolizmu ljudskog organizma, cistein je značajan izvor sulfida. Sulfid je, u gvožđe-sumpor klasteru i u nitrogenazi, ekstrahiran iz cisteina, koji se istovremeno konvertira u alanin.

Vezanje za metalne jone

Osim proteina sa gvožđe-sumpornim motivom, mnogi drugi metalni kofaktori u enzimima su vezani za tiolat substituent cisteinil ostatake. Primjeri takvih konstrukta su cink u cinkovom prstu i alkohol dehidrogenazi, bakar u plavim bakarnim proteinima, te nikl u [NiFe]-hidrogenazi.^[8] Tiolna grupa ima jak afinitet prema teškim metalima, tako da se cisteinski proteini, kao što je metalotionein, čvrsto vežu za metale kao što su živa, olovo i kadmij.

Post-translacijske modifikacije

Osim oksidacije u cistin, cistein učestvuje i u mnogim post-translacijskim modifikacijama. Nukleofilna tiol grupa mu omogućava da konjuguje sa drugim grupama, npr., u prenilaciji. Ubikvitin ligaze transferiraju ubikvitin na njihove zavisne proteine i kaspaze, učestvujući u proteolizi u apoptotičnom krugu. Inteini često funkcioniraju pomoću katalitičkog cisteina. Uloge su obično ograničene na dio intracelularne sredine, gdje je okruženje reducirajuće, a cistein nije oksidiran u cistin.

Primjena

Cistein, osobito L-enantiomer, je prekursor u prehrambenoj, farmaceutskoj, i kozmetičkoj industriji. Jedna od najobimnijih upotreba je u proizvodnji začina. Reakcija cisteina sa šećerima, naprimjer, u Maillard reakciji daje okus mesa.L-cistein se koristi kao pomoćno sredstvo za pečenje hrane.

U kozmetici, cistein se koristi u oblikovanju "trajnih frizura", uglavnom u Aziji. U ovoj oblasti, cistein raskida disulfidne veze u keratinu kose.

Cistein je veoma popularan u eksperimentima usmjerenog obilježavanja, kojima se ispituje biomolekulska struktura i dinamika. Na cistein se selektivno pričvršćuju maleimidi, preko kovalentnog Michael dodavanja. U položajem usmjerenog spinsko obeležavanja za EPR ili para-magnetnom relaksacijom poboljšan NMR, također široko koristi cistein.

Također pogledajte

• Aminokiselina
• Protein
• Tiol
• Metabolizam