ציסטאין: מאפיינים, מבנה, פונקציות, ביוסינתזה - ביולוגיה - 2025

ציסטאין ( Cys, C ) היא אחת 22 חומצות אמינו המצויים בטבע כחלק מרשתות פוליפפטיד שמרכיבים את החלבונים של היצורים החיים. זה חיוני ליציבות המבנים השלשוניים של חלבונים, מכיוון שהוא מסייע להיווצרות גשרי דיסולפיד intramolecular.

בדיוק כמו שנכון לחומצות אמינו אחרות כמו אלנין, ארגינין, אספרגין, גלוטמט וגלוטמין, גליצין, פרולין, סרין וטירוזין, בני אדם מסוגלים לסנתז ציסטאין, כך שזה לא נחשב כחומצת אמינו חיונית.

מבנה חומצת האמינו ציסטאין (מקור: Hattrich באמצעות ויקימדיה Commons)

למרות זאת, ונוכח העובדה כי שיעורי הסינתזה לא תמיד עומדים בדרישות הגוף, ישנם מחברים המתארים ציסטאין כחומצת אמינו חיונית "בתנאי".

חומצה אמינית זו נקראה על שם "ציסטין", מרכיב באבני מרה שהתגלה בשנת 1810, ושמו נטבע בשנת 1832 על ידי א 'בודרימונט ופ' מלגוטי. כמה שנים אחר כך, בשנת 1884, גילה א 'באומן כי ציסטאין הוא תוצר של הפחתת ציסטין.

לאחר העבודות שבוצע על ידי באומן, בשנת 1899, נקבע כי ציסטאין הוא המרכיב העיקרי של החלבון המרכיב את קרניו של בעלי חיים שונים, מה שהציע את השימוש האפשרי שלו לסינתזה של פוליפפטידים.

כיום ידוע כי ציסטאין בגוף מקורו במזון, ממחזור חלבונים וסינתזה אנדוגנית המופיעה בעיקר בהפטוציטים.

מאפיינים

לציסטאין משקל מולקולרי של 121.16 גרם / מול והיא, יחד עם לאוצין, איזולוצין, וולין, פנילאלנין, טריפטופן, מתיונין וטירוזין, בין חומצות האמינו ההידרובוביות ביותר.

זה שייך לקבוצת חומצות האמינו הקוטביות הלא טעונות, וכמו חומצות אמינו אחרות, ניתן להידרדר על ידי הידרוליזה אלקלית בטמפרטורות גבוהות.

בדומה לטריפטופן, סרין, גליצין ותראונין, ציסטאין הוא מבשר מטבולי לגלוקונאוגנזה ולקיטוגנזה (היווצרות גופי קטון).

חומצת אמינו זו קיימת כחלק מרצף הפפטידים של חלבונים, אך ניתן למצוא אותה גם חופשית בפלסמת הדם כהומוגנית (ציסטין, נגזרת) או דיסולפידים מעורבים, המורכבים מצורת ההומוציסטאין-צסטאין.

ההבדל העיקרי בין ציסטאין חופשי לזה שנמצא במבנה החלבון הוא שהראשון נמצא במצב רדוקס מחומצן מאוד, ואילו האחרון בדרך כלל מופחת למדי.

מִבְנֶה

בדומה לשאר חומצות האמינו שתוארו עד כה, לציסטאין יש אטום פחמן מרכזי, שהוא כיראלי ומכונה α- פחמן.

ארבעה מינים כימיים שונים קשורים לאטום הפחמן הזה:

- קבוצת אמינו (-NH3 +)

- קבוצת קרבוקסיל (-COO-)

- אטום מימן ו

- תחליף (-R).

קבוצת התחליפים היא זו שנותנת זהות לכל חומצת אמינו וקבוצת הציסטאין מאופיינת בכך שהיא מכילה אטום גופרית כחלק מקבוצה תיול או סולפהידריל (-CH2-SH)

הקבוצה הזו היא שמאפשרת לה להשתתף ביצירת גשרי דיסולפיד תוך-מולקולריים. מכיוון שמדובר בנוקלאופיל, הוא יכול להשתתף גם בתגובות התחלופה.

למעשה, ניתן לשנות שרשרת צדדית זו של ציסטאין ליצירת שני תרכובות המכונות "סלנוציסטאין" ו"לאנטיונין ". הראשונה היא חומצת אמינו שמשתתפת גם בהיווצרות חלבונים והשנייה היא נגזרת של חומצת אמינו שאינה חלבונית.

קבוצת התיאול של ציסטאין מאופיינת גם בזיקה הגבוהה שלה ליוני כסף וכספית (Ag + ו- Hg2 +).

מאפיינים

תפקידיו העיקריים של ציסטאין באורגניזמים חיים קשורים להשתתפותו ביצירת חלבונים. באופן ספציפי, ציסטאין משתתף בהקמת גשרי דיסולפיד, החיוניים ליצירת מבנה החלבון השלישוני.

בנוסף, חומצה אמינית זו אינה מועילה רק לסינתזת חלבונים, אלא גם משתתפת בסינתזה של גלוטתיון (GSH) ומספקת את הגופרית המופחתת למתיונין, חומצה ליפואית, תיאמין, קו אנזים A (CoA), molybdopterin (קופקטור) ותרכובות אחרות בעלות חשיבות ביולוגית.

בתנאים של כמויות מופרזות של חומצות אמינו גופרית, ניתן להשתמש בציסטאין וחומצות אמינו הקשורות אחרות לייצור פירובט וגופרית אנאורגנית. פירובאט מצליח להיות מופנה לכיוון המסלול הגלוקונוגני, ומשמש לייצור גלוקוזה.

קרטינים, שהם אחד הסוגים השכיחים ביותר של חלבונים מבניים בממלכת החיות, עשירים בשאריות ציסטאין. לדוגמא, צמר כבשים מכיל יותר מ -4% גופרית מחומצת אמינו זו.

ציסטאין משתתף גם בתגובות רבות להפחתת חמצון, מה שהופך אותו לחלק מהאתר הפעיל של אנזימים מסוימים.

באמצעות תגובה עם גלוקוז, חומצה אמינית זו מייצרת מוצרי תגובה המציגים טעמים וארומות אטרקטיביים לכמה תכשירים קולינריים.

ביוסינתזה

הביוסינתזה של חומצות אמינו בגוף האדם ושל בעלי חיים אחרים (יונקים ואינם יונקים) מתרחשת באופן ספציפי לרקמות ותאים; זהו תהליך הדורש אנרגיה ומופרד בדרך כלל בין איברים שונים.

הכבד הוא אחד האיברים העיקריים המעורבים בסינתזה של מרבית חומצות האמינו הלא חיוניות, ללא קשר למין שנחשב.

בכך מסונתז לא רק ציסטאין, אלא גם אספרטט, אספרגין, גלוטמט וגלוטמין, גליצין, סרין, טירוזין ואחרים ממבשרים חומצת האמינו הספציפיים שלהם.

בשנת 1935 קבע ארווין ברנד כי ציסטאין, ביונקים, מסונתז באופן טבעי ממתיונין, המופיע אך ורק ברקמת הכבד.

תהליך זה יכול להתרחש באמצעות "טרנסמיטילציה" של מתיונין, כאשר קבוצות המתיל מועברות לכולין וקריאטין. עם זאת, ניתן ליצור ציסטאין ממתיונין בזכות טרנס-גופרית.

בהמשך הוכח כי בנוסף למתיונין, כמה תרכובות סינתטיות כמו N- אצטיל ציסטאין, ציסטאמין וסיסטמין, הם מקדימים שימושיים לסינתזה של ציסטאין.

במקרה של ציסטאין N-אצטיל, הוא נלקח על ידי תאים, שם הוא מומר לציסטאין על ידי אנזים deacetylase בציטוזול.

מנגנון סינתזה

מנגנון הסינתזה הידוע ביותר של ציסטאין ממתיונין הוא מנגנון טרנס-גופרית. זה מתרחש בעיקר בכבד, אך נקבע גם במעי ובלבלב.

זה מתרחש מהומוציסטאין, תרכובת הנגזרת מחומצת האמינו מתיונין; והתגובה הראשונה במסלול ביו-סינטטי זה היא עיבוי המוזרז על ידי האנזים cystathionine β-synthase (CBS).

האנזים האמור מייצג את שלב ה"פשרה "של המסלול ומעבה הומוציסטאין עם שאריות סרין, עוד חומצה אמינית חלבונית, המייצרת ציסטתיונין. בהמשך, תרכובת זו "נחתכת" או "נסתרת" על ידי האנזים ציסטתיונאז, מה שמוביל לשחרור ציסטאין.

ויסות הפעילות האנזימטית ב- CBS מתווך בזמינות של מתיונין ועל ידי מצב הרדוקס של התא בו מתרחש תהליך זה.

דרך מסלול סינתזת הציסטאין, התאים יכולים להתמודד עם עודפי מתיונין, מכיוון שהמרתו לציסטאין היא תהליך בלתי הפיך.

סינתזת ציסטאין בצמחים ומיקרואורגניזמים

באורגניזמים אלה סינתזה מסונתזת בעיקר מגופרית אורגנית, שהיא המקור השופע ביותר לגופרית שמישה בביוספרה האירובית.

זה נלקח, נכנס לתאים ואז מצטמצם לגופרית (S2-), המשולב בציסטאין באופן דומה למה שקורה עם אמוניה בסינתזה של גלוטמט או גלוטמין.

מטבוליזם והשפלות

קטבוליזם של ציסטאין מתרחש בעיקר בתאי כבד (הפטוציטים), אם כי הוא יכול להופיע גם בסוגים אחרים של תאים כמו נוירונים, תאי אנדותל ותאי שריר חלקים בכלי הדם בגוף.

פגמים מסוימים בקטבוליזם של ציסטאין מייצרים מחלה תורשתית המכונה "ציסטינוריה", המאופיינת בנוכחות אבני ציסטין בכליות, שלפוחית ​​השתן והשופכן.

ציסטין היא חומצת אמינו שמקורם בציסטאין ואבנים נוצרות על ידי איחוד של שתי מולקולות מהן דרך אטומי הגופרית שלהם.

חלק מהמטבוליזם של ציסטאין מביא להיווצרותה של חומצה מדעית-סולנית, שממנה נוצרת טאורין, חומצה אמינית שאינה חלבונית. התגובה מנותזת על ידי האנזים ציסטאין דיוקסיגנז.

בנוסף, ניתן לחמצן את הציסטאין על ידי פורמלדהיד לייצור ציסטאין N-פורמיל, שעיבודו לאחר מכן יכול להוביל להיווצרות "מרקפטוראט" (תוצר העיבוי של ציסטאינים עם תרכובות ארומטיות).

אצל בעלי חיים משתמשים בציסטאין, כמו גם גלוטמט וגלוטמין, לסינתזה של קו אנזים A, גלוטתיון (GSH), פירובט, סולפט ומימן גופרתי.

אחת השיטות להמרה של ציסטאין לפירובאט מתרחשת בשני שלבים: הראשון כולל הסרת אטום הגופרית והשני תגובת טרנסמינציה.

הכליות אחראיות להפרשת גופרים וסולפיטים שמקורם בחילוף חומרים של תרכובות גופרית כמו ציסטאין, ואילו הריאות נושפות דו תחמוצת הגופרית והמימן הגופרתי.

גלוטתיון

גלוטתיון, מולקולה המורכבת משלושה שאריות חומצות אמינו (גליצין, גלוטמט וציסטאין) היא מולקולה שנמצאת בצמחים, בבעלי חיים ובחיידקים.

יש לו תכונות מיוחדות ההופכות אותו למאגר רדוקס מעולה, מכיוון שהוא מגן על תאים מסוגים שונים של לחץ חמצוני.

מזונות עשירים בציסטאין

ציסטאין נמצא באופן טבעי במזונות המכילים גופרית כמו חלמונים (צהובים), פלפלים אדומים, שום, בצל, ברוקולי, כרובית, כרוב כרוב ניצנים, גרגיר ים ירקות חרדל.

זה קיים בעיקר במזונות עשירים בחלבון כמו בשרים, קטניות ומוצרי חלב, ביניהם:

- בקר, חזיר, עוף ודגים

- שיבולת שועל ועדשים

- זרעי חמניות

- יוגורט וגבינה

היתרונות של צריכת ציסטאין

זה נחשב שצריכתו מונעת נשירת שיער ומגרה את צמיחתה. בתעשיית המזון משתמשים בה באופן נרחב כמשפרת בצק לחם וגם כדי "לשחזר" טעמים דמויי בשר.

מחברים אחרים דיווחו כי צריכת תוספי תזונה או מזונות עשירים בציסטאין מפחיתה פגיעות ביוכימיות הנגרמות כתוצאה מצריכה מוגזמת של מזונות המזוהמים עם אלמנטים מתכתיים, מכיוון שהיא משתתפת בתגובות "קלציה".

כמה תוספי תזונה הקשורים לציסטאין משמשים על ידי בני אדם כנוגדי חמצון, הנחשבים מועילים מבחינת ההזדקנות "מפגרת".

ציסטאין N-אצטיל (מבשר בסינתזה של ציסטאין), למשל, נלקח כתוסף תזונה, מכיוון שהדבר מביא לעלייה בביוסינתזה של גלוטתיון (GSH).

מחלות קשורות

ישנם כמה פרסומים מדעיים המקשרים בין רמות גבוהות של ציסטאין בפלזמה לבין השמנת יתר ופתולוגיות קשורות אחרות כמו מחלות לב וכלי דם ותסמונות מטבוליות אחרות.

ציסטינוריה, כאמור, היא פתולוגיה שקשורה לנוכחות אבני ציסטין, נגזרת של ציסטאין, עקב פגם גנטי בספיגה חוזרת של הכליות של חומצות אמינו דיבאסיות כמו ציסטין.

הפרעות לקויות

מחסור בציסטאין היה קשור ללחץ חמצוני, מכיוון שזה אחד המקדימים העיקריים לסינתזת גלוטתיון. לכן, חסרים בחומצה אמינית זו יכולים להוביל להזדקנות מוקדמת ובכל הדירות שמשמעותן.

ניסוי הוכח כי תוספי ציסטאין משפרים את תפקודי שרירי השלד, מפחיתים את היחס בין מסת גוף שאינה שומן, מפחיתים את רמות הפלזמה של ציטוקינים דלקתיים, משפרים את תפקודי מערכת החיסון וכו '.

באמצע שנות התשעים, מחקרים מסוימים העלו כי תסמונת של מחסור בחיסון (AIDS) יכולה להיות תוצאה של מחסור במערכת ציסטאין הנגרמת.

טענות אלה נתמכו בכך שהחולים החיוביים ל- HIV שנבדקו היו רמות נמוכות של ציסטין ופלסטין בפלזמה, בנוסף לריכוזי גלוטתיון תאיים נמוכים.

הפניות

1. Dröge, W. (1993). מחסור בציסטאין וגלוטתיון בקרב חולי איידס: רציונל לטיפול באמצעות N-Acetyl-Cysteine. פרמקולוגיה, 46, 61-65.
2. Dröge, W. (2005). לחץ חמצוני והזדקנות: האם הזדקנות היא תסמונת חסר של ציסטאין? עסקאות פילוסופיות של החברה המלכותית ב ': מדעים ביולוגיים, 360 (1464), 2355–2372.
3. Elshorbagy, AK, Smith, AD, Kozich, V., & Refsum, H. (2011). ציסטאין והשמנה. השמנת יתר, 20 (3), 1-9.
4. קרדיץ ', נ' (2013). ביוסינתזה של ציסטאין. EcoSal Plus, 1–30.
5. מקפרסון, RA, והרדי, ג '(2011). היתרונות הקליניים והתזונתיים של תוספי חלבון מועשרים בציסטין. חוות דעת נוכחית בנושא תזונה קלינית וטיפול בחילוף חומרים, 14, 562–568.
6. Mokhtari, V., Afsharian, P., Shahhoseini, M., Kalantar, SM, and Moini, A. (2017). סקירה על שימושים שונים של ציסטאין N-אצטיל. תא Journal, 19 (1), 11–17.
7. Piste, P. (2013). נוגד חמצון ציסטאין-מאסטר. כתב העת הבינלאומי למדעי התרופות, הכימיה והביולוגיה, 3 (1), 143–149.
8. קוויג, ד (1998). מטבוליזם ציסטאין ורעילות מתכות. סקירה של רפואה אלטרנטיבית, 3 (4), 262–270.
9. וו, ג '(2013). חומצות אמינו. ביוכימיה ותזונה. בוקה רטון, פלורידה: קבוצת טיילור ופרנסיס.