Цистеин: аминокислота, свойства и применение¶

Цистеин (сокр. Cys или C) — одна из двадцати стандартных протеиногенных аминокислот, входящая в состав белков всех живых организмов. По химическому строению представляет собой α-аминокислоту с боковой цепью, содержащей тиольную (сульфгидрильную) группу —SH. Брутто-формула C₃H₇NO₂S, молярная масса 121,16 г/моль. Цистеин относится к полярным незаряженным аминокислотам, его радикал гидрофилен и химически высокореактивен. В генетическом коде кодируется двумя кодонами: UGU и UGC. Для человека цистеин является условно незаменимой аминокислотой: он синтезируется из метионина, но при определённых состояниях (у детей, при некоторых заболеваниях) его образование может быть недостаточным.

¶Физико-химические свойства

Цистеин — белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде и полярных растворителях, плохо — в неполярных. Температура плавления около 240 °C (с разложением). Изоэлектрическая точка лежит вблизи pH 5,07.

Ключевая особенность цистеина — наличие тиольной группы, которая легко окисляется. При окислении двух молекул цистеина образуется цистин — димер, в котором остатки соединены дисульфидным мостиком —S—S—. Эта реакция обратима, что имеет фундаментальное биологическое значение. Тиольная группа также участвует в реакциях нуклеофильного замещения, связывании ионов металлов и образовании координационных комплексов.

¶Биологическая роль

¶Дисульфидные связи

Дисульфидные мостики между остатками цистеина стабилизируют трёхмерную структуру многих белков, особенно секретируемых во внеклеточную среду. Классические примеры — инсулин, иммуноглобулины, лизоцим, кератины волос и ногтей. Именно большое число дисульфидных связей придаёт кератину прочность и нерастворимость. Разрушение этих связей при химической завивке или восстановлении лежит в основе соответствующих технологий.

¶Активный центр ферментов

Тиольная группа цистеина часто входит в активный центр ферментов. Так, в цистеиновых протеазах (папаин, катепсины, каспазы) остаток цистеина выполняет роль нуклеофила при расщеплении пептидной связи. Цистеин участвует в работе многих металлотионеинов, связывающих ионы цинка, меди и других металлов.

¶Антиоксидантные функции

Цистеин — предшественник глутатиона, важнейшего внутриклеточного антиоксиданта. Глутатион (γ-глутамил-цистеинил-глицин) защищает клетки от активных форм кислорода и участвует в детоксикации ксенобиотиков. Цистеин также входит в состав тиоредоксинов — белков, регулирующих окислительно-восстановительный баланс.

¶Метаболические пути

В организме цистеин образуется преимущественно из метионина через промежуточные соединения гомоцистеин и цистатионин. Катаболизм цистеина включает окисление до сульфата, который выводится с мочой, либо включение серы в другие соединения. Нарушения обмена цистеина приводят к ряду наследственных заболеваний, в частности цистинурии и цистинозу.

¶Источники и получение

Цистеин содержится в продуктах животного и растительного происхождения. Богаты им яйца, мясо, птица, молочные продукты, бобовые, чеснок, лук, брокколи, овсяные хлопья. В белках цистеин встречается относительно редко — его доля обычно составляет 1–2 % от общего числа аминокислотных остатков.

Промышленно L-цистеин получают несколькими способами: гидролизом кератина (волос, перьев), микробиологическим синтезом с использованием мутантных штаммов бактерий, а также ферментативным методом из синтетических предшественников. Ранее широко применялся гидролиз человеческих волос, от которого впоследствии отказались по этическим соображениям.

¶Применение

Ацетилцистеин — производное цистеина — применяется как отхаркивающее средство при заболеваниях дыхательных путей, а также как антидот при отравлении парацетамолом. В биохимических лабораториях восстановленный цистеин и его аналоги (дитиотреитол, β-меркаптоэтанол) используют для разрушения дисульфидных связей при анализе белков.

¶Стереохимия и формы

Природный цистеин относится к L-ряду. D-цистеин в природе редок, но встречается у некоторых микроорганизмов и в составе отдельных пептидов. Помимо стандартной формы, известны селеноцистеин (селен вместо серы) и гомоцистеин (на одну CH₂-группу длиннее), которые выполняют иные биологические функции.

¶Значение в науке и технике

Открытие цистеина связано с исследованиями белков в XIX веке; его выделили из камней мочевого пузыря и роговых образований. В современной молекулярной биологии остатки цистеина активно используют для направленного связывания меток, сшивок и конструирования наноразмерных структур. Реакции тиол-ен и тиол-малеимид широко применяются в биоконъюгации — присоединении флуоресцентных, лекарственных или полимерных групп к белкам. Благодаря высокой реакционной способности тиольной группы цистеин остаётся одним из наиболее востребованных объектов химической модификации белков.