ลักษณะของซีสเทอีนโครงสร้างหน้าที่การสังเคราะห์ทางชีวภาพ - ชีววิทยา - 2025

ซิสเทอีน ( Cys, C ) เป็นหนึ่งในกรดอะมิโน 22 ชนิดที่พบในธรรมชาติโดยเป็นส่วนหนึ่งของโซ่โพลีเปปไทด์ที่ประกอบเป็นโปรตีนของสิ่งมีชีวิต มันเป็นสิ่งสำคัญสำหรับความเสถียรของโครงสร้างระดับตติยภูมิของโปรตีนเนื่องจากมันช่วยในการสร้างสะพานไดซัลไฟด์เข้ากล้าม

เช่นเดียวกับกรดอะมิโนอื่น ๆ เช่นอะลานีนอาร์จินีนแอสพาราจีนกลูตาเมตและกลูตามีนไกลซีนโปรลีนซีรีนและไทโรซีนมนุษย์สามารถสังเคราะห์ซิสเทอีนได้ดังนั้นจึงไม่ ถือเป็นกรดอะมิโนที่จำเป็น

โครงสร้างของกรดอะมิโน Cysteine ​​(ที่มา: Hattrich ผ่าน Wikimedia Commons)

อย่างไรก็ตามเรื่องนี้และจากข้อเท็จจริงที่ว่าอัตราการสังเคราะห์ไม่ได้เป็นไปตามความต้องการของร่างกายเสมอไปผู้เขียนบางคนอธิบายว่าซีสเทอีนเป็นกรดอะมิโนที่จำเป็น "ตามเงื่อนไข"

กรดอะมิโนนี้ได้รับการตั้งชื่อตาม "ซีสตีน" ซึ่งเป็นส่วนประกอบของนิ่วที่ค้นพบในปี พ.ศ. 2353 ซึ่งชื่อนี้ได้รับการประกาศเกียรติคุณโดย A. Baudrimont และ F. Malaguti ในปี พ.ศ. 2375 ไม่กี่ปีต่อมาในปีพ. ศ. 2427 อี. เบามันน์พบว่าซีสเทอีนเป็นผลมาจากการลดซีสทีน

หลังจากการทำงานของ Bauman ในปีพ. ศ. 2442 ได้มีการพิจารณาว่าซิสเทอีนเป็นองค์ประกอบหลักของโปรตีนที่ประกอบเป็นแตรของสัตว์หลายชนิดซึ่งแนะนำให้ใช้ในการสังเคราะห์โพลีเปปไทด์ได้

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าซีสเทอีนในร่างกายมาจากอาหารการรีไซเคิลโปรตีนและการสังเคราะห์จากภายนอกซึ่งส่วนใหญ่เกิดขึ้นในเซลล์ตับ

ลักษณะเฉพาะ

ซีสเทอีนมีน้ำหนักโมเลกุล 121.16 กรัม / โมลพร้อมด้วยลิวซีนไอโซลิวซีนวาลีนฟีนิลอะลานีนทริปโตเฟนเมไทโอนีนและไทโรซีนซึ่งเป็นกรดอะมิโนที่ไม่ชอบน้ำมากที่สุด

มันอยู่ในกลุ่มของกรดอะมิโนขั้วที่ไม่มีประจุและเช่นเดียวกับกรดอะมิโนอื่น ๆ สามารถย่อยสลายได้โดยการไฮโดรไลซิสอัลคาไลน์ที่อุณหภูมิสูง

เช่นเดียวกับทริปโตเฟนซีรีนไกลซีนและ ธ รีโอนีนซีสเตอีนเป็นสารตั้งต้นการเผาผลาญสำหรับกลูโคโนเจเนซิสและคีโตเจเนซิส (การก่อตัวของคีโตนร่างกาย)

กรดอะมิโนนี้มีอยู่เป็นส่วนหนึ่งของลำดับเปปไทด์ของโปรตีน แต่ยังสามารถพบได้ในเลือดที่เป็นเนื้อเดียวกัน (ซีสตีนอนุพันธ์) หรือไดซัลไฟด์ผสมซึ่งประกอบด้วยรูปแบบโฮโมซิสเทอีน - ซิสเทอีน

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างซีสเทอีนอิสระและที่พบในโครงสร้างโปรตีนคืออดีตอยู่ในสถานะรีดอกซ์ออกซิไดซ์สูงในขณะที่ชนิดหลังมักจะลดลงค่อนข้างมาก

โครงสร้าง

เช่นเดียวกับกรดอะมิโนที่เหลือที่อธิบายไว้จนถึงปัจจุบัน cysteine ​​มีอะตอมของคาร์บอนกลางซึ่งเป็น chiral และเรียกว่าα-carbon

สารเคมีสี่ชนิดที่แตกต่างกันติดอยู่กับอะตอมของคาร์บอนนี้:

- กลุ่มอะมิโน (-NH3 +)

- กลุ่มคาร์บอกซิล (-COO-)

- อะตอมของไฮโดรเจนและ

- สารทดแทน (-R)

กลุ่มสารทดแทนคือกลุ่มที่ให้เอกลักษณ์ของกรดอะมิโนแต่ละตัวและซีสเทอีนมีลักษณะโดยประกอบด้วยอะตอมของกำมะถันเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่ม thiolหรือsulfhydryl (-CH2-SH)

เป็นกลุ่มนี้ที่ช่วยให้สามารถมีส่วนร่วมในการสร้างสะพานไดซัลไฟด์ภายในและระหว่างโมเลกุล เนื่องจากเป็นนิวคลีโอไฟล์จึงสามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการทดแทน

ในความเป็นจริงสายโซ่ด้านข้างของซิสเทอีนนี้สามารถปรับเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของสารประกอบ 2 ชนิดที่เรียกว่า "ซีลีโนซิสเทอีน" และ "แลนไทโอนีน" อย่างแรกคือกรดอะมิโนที่มีส่วนร่วมในการสร้างโปรตีนและอย่างที่สองคืออนุพันธ์ของกรดอะมิโนที่ไม่ใช่โปรตีน

กลุ่มซีสเทอีน thiol ยังมีความสัมพันธ์สูงกับไอออนของเงินและปรอท (Ag + และ Hg2 +)

คุณสมบัติ

หน้าที่หลักของ cysteine ​​ในสิ่งมีชีวิตเกี่ยวข้องกับการมีส่วนร่วมในการสร้างโปรตีน โดยเฉพาะซิสเทอีนมีส่วนร่วมในการสร้างสะพานไดซัลไฟด์ซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างโครงสร้างโปรตีนระดับตติยภูมิ

นอกจากนี้กรดอะมิโนนี้ไม่เพียง แต่มีประโยชน์ในการสังเคราะห์โปรตีน แต่ยังมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์กลูตาไธโอน (GSH) และให้กำมะถันลดลงสำหรับเมไทโอนีนกรดไลโปอิคไทอามีนโคเอนไซม์เอ (CoA) molybdopterin (ปัจจัยร่วม) และสารประกอบสำคัญทางชีวภาพอื่น ๆ

ภายใต้สภาวะที่มีกรดอะมิโนกำมะถันในปริมาณมากเกินไปซีสเทอีนและกรดอะมิโนอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องสามารถใช้ในการผลิตไพรูเวตและกำมะถันอนินทรีย์ได้ Pyruvate สามารถเปลี่ยนเส้นทางไปยังเส้นทาง gluconeogenic ซึ่งทำหน้าที่ในการผลิตน้ำตาลกลูโคส

เคราตินซึ่งเป็นโปรตีนโครงสร้างที่มีอยู่มากที่สุดชนิดหนึ่งในอาณาจักรสัตว์อุดมไปด้วยซีสเทอีนที่ตกค้าง ตัวอย่างเช่นขนแกะมีกำมะถันมากกว่า 4% จากกรดอะมิโนนี้

ซีสเทอีนยังมีส่วนร่วมในปฏิกิริยารีดิวซ์ออกซิเดชั่นจำนวนมากทำให้เป็นส่วนหนึ่งของเอนไซม์บางชนิด

ด้วยการทำปฏิกิริยากับกลูโคสกรดอะมิโนนี้จะสร้างผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่นำเสนอรสชาติและกลิ่นที่น่าดึงดูดในการปรุงอาหารบางอย่าง

การสังเคราะห์

การสังเคราะห์ทางชีวภาพของกรดอะมิโนในร่างกายมนุษย์และของสัตว์อื่น ๆ (สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและสัตว์ที่ไม่ใช่สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) เกิดขึ้นในลักษณะเฉพาะของเนื้อเยื่อและเซลล์ เป็นกระบวนการที่ต้องใช้พลังงานและมักจะแยกระหว่างอวัยวะต่างๆ

ตับเป็นอวัยวะหลักอย่างหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์กรดอะมิโนที่ไม่จำเป็นส่วนใหญ่ไม่ว่าจะพิจารณาจากสายพันธุ์ใดก็ตาม

ในสิ่งนี้ไม่เพียง แต่สังเคราะห์ซีสเทอีนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแอสพาเทตแอสปาราจีนกลูตาเมตและกลูตามีนไกลซีนซีรีนไทโรซีนและอื่น ๆ จากสารตั้งต้นของกรดอะมิโนที่เฉพาะเจาะจง

ในปีพ. ศ. 2478 Erwin Brand พบว่า cysteine ​​ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมนั้นสังเคราะห์จากเมไทโอนีนตามธรรมชาติซึ่งเกิดขึ้นเฉพาะในเนื้อเยื่อตับ

กระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้โดยการ "transmethylation" ของ methionine ซึ่งกลุ่มเมธิลจะถูกถ่ายโอนไปยังโคลีนและครีเอทีน อย่างไรก็ตามซีสเทอีนสามารถเกิดขึ้นได้จากเมไทโอนีนเนื่องจากทรานส์ซัลฟิวไรเซชัน

ต่อมามีการแสดงให้เห็นว่านอกจากเมไทโอนีนแล้วยังมีสารประกอบสังเคราะห์บางชนิดเช่น N-acetyl cysteine, cysteamine และ cystamine ซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่มีประโยชน์สำหรับการสังเคราะห์ cysteine

ในกรณีของ N-acetyl cysteine ​​เซลล์จะถูกดูดซึมซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็น cysteine ​​โดยเอนไซม์ deacetylase ใน cytosol

กลไกการสังเคราะห์

กลไกการสังเคราะห์ซิสเทอีนจากเมไทโอนีนที่รู้จักกันดีที่สุดคือกลไกการทรานส์ซัลฟิวไรเซชัน สิ่งนี้เกิดขึ้นส่วนใหญ่ในตับ แต่ยังได้รับการพิจารณาในลำไส้และตับอ่อนด้วย

สิ่งนี้เกิดขึ้นจาก homocysteine ​​ซึ่งเป็นสารประกอบที่ได้จากกรดอะมิโนเมไทโอนีน และปฏิกิริยาแรกในวิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพนี้คือการควบแน่นที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ cystathionine β-synthase (CBS)

เอนไซม์นี้แสดงถึงขั้นตอน "ประนีประนอม" ของทางเดินและควบแน่นโฮโมซิสเทอีนกับสารตกค้างของซีรีนซึ่งเป็นกรดอะมิโนโปรตีนชนิดอื่นซึ่งสร้างซีสตาไธโอนีน ต่อจากนั้นสารประกอบนี้จะถูก "ตัด" หรือ "ตัด" โดยเอนไซม์ cystathionase ซึ่งนำไปสู่การปลดปล่อยซีสเทอีน

การควบคุมกิจกรรมของเอนไซม์ CBS เป็นสื่อกลางโดยความพร้อมของเมไทโอนีนและสถานะรีดอกซ์ของเซลล์ที่กระบวนการนี้เกิดขึ้น

ผ่านเส้นทางการสังเคราะห์ซีสเทอีนเซลล์สามารถจัดการกับเมไทโอนีนส่วนเกินได้เนื่องจากการเปลี่ยนเป็นซีสเทอีนเป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้

การสังเคราะห์ซีสเทอีนในพืชและจุลินทรีย์

ในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ซิสเทอีนถูกสังเคราะห์ส่วนใหญ่มาจากกำมะถันอนินทรีย์ซึ่งเป็นแหล่งกำมะถันที่ใช้งานได้มากที่สุดในชีวมณฑลแอโรบิค

สิ่งนี้ถูกถ่ายเข้าสู่เซลล์และลดเป็นกำมะถัน (S2-) ซึ่งรวมอยู่ในซีสเทอีนในลักษณะเดียวกับที่เกิดขึ้นกับแอมโมเนียในการสังเคราะห์กลูตาเมตหรือกลูตามีน

การเผาผลาญและการย่อยสลาย

การเร่งปฏิกิริยาของซีสเทอีนส่วนใหญ่เกิดขึ้นในเซลล์ตับ (hepatocytes) แม้ว่าจะสามารถเกิดขึ้นได้ในเซลล์ประเภทอื่น ๆ เช่นเซลล์ประสาทเซลล์บุผนังหลอดเลือดและเซลล์กล้ามเนื้อเรียบของหลอดเลือดในร่างกาย

ข้อบกพร่องบางอย่างในการสลายตัวของซีสเทอีนก่อให้เกิดโรคที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมที่เรียกว่า "ซีสตีนนูเรีย" โดยมีนิ่วซีสตีนอยู่ในไตกระเพาะปัสสาวะและท่อไต

ซีสตีนเป็นกรดอะมิโนที่ได้จากซิสเทอีนและหินเกิดจากการรวมตัวกันของโมเลกุลสองโมเลกุลเหล่านี้ผ่านอะตอมของกำมะถัน

ส่วนหนึ่งของเมแทบอลิซึมของซีสเทอีนส่งผลให้เกิดการสร้างกรดไซสเทอรีนซึ่งก่อให้เกิดทอรีนซึ่งเป็นกรดอะมิโนที่ไม่ใช่โปรตีน ปฏิกิริยาจะถูกเร่งโดยเอนไซม์ cysteine ​​dioxygenase

นอกจากนี้ซิสเทอีนสามารถถูกออกซิไดซ์โดยฟอร์มาลดีไฮด์เพื่อผลิต N-formyl cysteine ​​ซึ่งกระบวนการต่อมาสามารถนำไปสู่การก่อตัวของ "เมอร์แคปทูเรต" (ผลิตภัณฑ์จากการควบแน่นของซิสเทอีนด้วยสารประกอบอะโรมาติก)

ในสัตว์ยังใช้ซิสเทอีนเช่นเดียวกับกลูตาเมตและกลูตามีนในการสังเคราะห์โคเอนไซม์เอกลูตาไธโอน (GSH) ไพรูเวตซัลเฟตและไฮโดรเจนซัลไฟด์

วิธีการหนึ่งในการเปลี่ยนซีสเทอีนเป็นไพรูเวตเกิดขึ้นในสองขั้นตอนขั้นแรกเกี่ยวข้องกับการกำจัดอะตอมของกำมะถันและขั้นที่สองคือปฏิกิริยาการทรานส์ฟอร์ม

ไตมีหน้าที่ในการขับซัลเฟตและซัลไฟต์ที่ได้จากการเผาผลาญของสารประกอบกำมะถันเช่นซิสเทอีนในขณะที่ปอดจะขับก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์และไฮโดรเจนซัลไฟด์ออกไป

กลูตาไธโอน

กลูตาไธโอนซึ่งเป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยกรดอะมิโนตกค้าง 3 ชนิด (ไกลซีนกลูตาเมตและซีสเทอีน) เป็นโมเลกุลที่มีอยู่ในพืชสัตว์และแบคทีเรีย

มีคุณสมบัติพิเศษที่ทำให้เป็นรีดอกซ์บัฟเฟอร์ที่ยอดเยี่ยมเนื่องจากช่วยปกป้องเซลล์จากความเครียดออกซิเดชันประเภทต่างๆ

อาหารที่อุดมด้วยซีสเทอีน

Cysteine ​​พบได้ตามธรรมชาติในอาหารที่มีกำมะถันเช่นไข่แดง (สีเหลือง) พริกหยวกแดงกระเทียมหัวหอมบรอกโคลีกะหล่ำดอกผักคะน้าและกะหล่ำบรัสเซลส์แพงพวยและ มัสตาร์ดสีเขียว

นอกจากนี้ยังมีอยู่ในอาหารที่อุดมไปด้วยโปรตีนเช่นเนื้อสัตว์พืชตระกูลถั่วและผลิตภัณฑ์จากนมซึ่ง ได้แก่ :

- เนื้อวัวหมูไก่และปลา

- ข้าวโอ๊ตและถั่วฝักยาว

- เมล็ดทานตะวัน

- โยเกิร์ตและชีส

ประโยชน์ของการบริโภคซีสเทอีน

ถือว่าการบริโภคป้องกันผมร่วงและกระตุ้นการเจริญเติบโต ในอุตสาหกรรมอาหารมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะตัวปรับแต่งแป้งขนมปังและเพื่อ "จำลอง" รสชาติคล้ายเนื้อสัตว์

ผู้เขียนคนอื่นรายงานว่าการบริโภคผลิตภัณฑ์เสริมอาหารหรืออาหารที่อุดมไปด้วยซีสเทอีนช่วยลดการบาดเจ็บทางชีวเคมีที่เกิดจากการบริโภคอาหารที่ปนเปื้อนองค์ประกอบโลหะมากเกินไปเนื่องจากมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา "คีเลชั่น"

ผลิตภัณฑ์เสริมอาหารบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับซีสเทอีนถูกใช้โดยมนุษย์เป็นสารต้านอนุมูลอิสระซึ่งถือว่าเป็นประโยชน์ในแง่ของการ "ชะลอวัย"

ตัวอย่างเช่น N-acetyl cysteine ​​(สารตั้งต้นในการสังเคราะห์ cysteine) ถูกนำมาเป็นอาหารเสริมเนื่องจากส่งผลให้การสังเคราะห์กลูตาไธโอน (GSH) เพิ่มขึ้น

โรคที่เกี่ยวข้อง

มีสิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์บางฉบับที่เชื่อมโยงซีสเทอีนในพลาสมาในระดับสูงกับโรคอ้วนและโรคอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องเช่นโรคหัวใจและหลอดเลือดและกลุ่มอาการเมตาบอลิซึมอื่น ๆ

Cystinuria ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นเป็นพยาธิสภาพที่เกี่ยวข้องกับการปรากฏตัวของหินซีสตีนซึ่งเป็นอนุพันธ์ของซิสเทอีนเนื่องจากความบกพร่องทางพันธุกรรมในการดูดซึมไตของกรดอะมิโน dibasic เช่น cystine

ความผิดปกติของการขาด

การขาดซีสเทอีนเกี่ยวข้องกับความเครียดจากการเกิดออกซิเดชันเนื่องจากเป็นหนึ่งในสารตั้งต้นหลักสำหรับการสังเคราะห์กลูตาไธโอน ดังนั้นการขาดกรดอะมิโนนี้อาจทำให้เกิดริ้วรอยก่อนวัยและแฟลตทั้งหมดที่หมายถึง

การเสริมซีสเทอีนได้รับการทดลองเพื่อปรับปรุงการทำงานของกล้ามเนื้อโครงร่างลดอัตราส่วนระหว่างไขมันและมวลกายที่ไม่ใช่ไขมันลดระดับไซโตไคน์อักเสบในพลาสมาปรับปรุงการทำงานของระบบภูมิคุ้มกัน ฯลฯ

ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 การศึกษาบางชิ้นชี้ให้เห็นว่าโรคภูมิคุ้มกันบกพร่องที่ได้รับ (โรคเอดส์) อาจเป็นผลมาจากการขาดซีสเทอีนที่เกิดจากไวรัส

ข้อเรียกร้องเหล่านี้ได้รับการสนับสนุนจากข้อเท็จจริงที่ว่าผู้ป่วยที่ติดเชื้อเอชไอวีที่ตรวจพบว่ามีระดับซีสทีนในพลาสมาและซีสเทอีนในระดับต่ำนอกเหนือจากความเข้มข้นของกลูตาไธโอนในเซลล์ต่ำ

อ้างอิง

1. Dröge, W. (1993). การขาดซิสเทอีนและกลูตาไธโอนในผู้ป่วยโรคเอดส์: เหตุผลในการรักษาด้วย N-Acetyl-Cysteine เภสัชวิทยา, 46, 61-65
2. Dröge, W. (2005). ความเครียดจากการออกซิเดชั่นและความชรา: ความชราเป็นโรคขาดซีสเทอีนหรือไม่? Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 360 (1464), 2355–2372
3. Elshorbagy, AK, Smith, AD, Kozich, V. , & Refsum, H. (2011). Cysteine ​​และโรคอ้วน โรคอ้วน, 20 (3), 1–9.
4. Kredich, N. (2013). การสังเคราะห์ทางชีวภาพของซิสเทอีน EcoSal Plus, 1–30.
5. McPherson, RA, & Hardy, G. (2011). ประโยชน์ทางคลินิกและโภชนาการของอาหารเสริมโปรตีนที่อุดมด้วยซีสเทอีน ความคิดเห็นในปัจจุบันเกี่ยวกับโภชนาการทางคลินิกและการดูแลระบบเผาผลาญ, 14, 562–568
6. Mokhtari, V. , Afsharian, P. , Shahhoseini, M. , Kalantar, SM, & Moini, A. (2017). การทบทวนการใช้ N-acetyl cysteine ​​ต่างๆ Cell Journal, 19 (1), 11–17
7. พิสเต้, พี. (2013). สารต้านอนุมูลอิสระ Cysteine-master International Journal of Pharmaceutical, Chemical and Biological Sciences, 3 (1), 143–149
8. Quig, D. (1998). การเผาผลาญของซีสเทอีนและความเป็นพิษของโลหะ Alternative Medicine Review, 3 (4), 262–270.
9. Wu, G. (2013). กรดอะมิโน. ชีวเคมีและโภชนาการ. Boca Raton, FL: กลุ่ม Taylor & Francis