Селеноцистеин: 21-ші аминқышқылы және оның қасиеттері
Selenocysteine
Селеноцистеин – 21-ші аминқышқыл, құрамында селен бар. Ағзадағы маңызды ферменттерде (глутатион пероксидазалар, деиодиназалар) кездеседі. Денсаулыққа пайдалы!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Селеноцистеин (символ Sec немесе U, ескі басылымдарда Se Cys) – 21-ші протеиногендік аминқышқылы. Селенопротеиндер селеноцистеин қалдықтарын қамтиды. Селеноцистеин – күкірт орнына селен қосылған, цистеиннің аналогы. Селеноцистеин бірнеше ферменттерде кездеседі (мысалы, глутатион пероксидазалары, тетрайодтиронин 5'-деиодиназалары, тиоредоксин редуктазалары, формат дегидрогеназалары, глицин редуктазалары, селенофосфат синтетазасы 2, метионин R сульфоксид редуктазасы B1 (SEPX1) және кейбір гидрогеназалар). Ол тіршілік әлемінің барлық үш доменінде, соның ішінде адамдардағы маңызды ферменттерде (жоғарыда аталғандар) кездеседі. Селеноцистеин 1974 жылы Ұлттық денсаулық сақтау институтында биохимик Тресса Штудтман ашқан.
Selenocysteine (symbol Sec or U, in older publications also as Se Cys) is the 21st proteinogenic amino acid. Selenoproteins contain selenocysteine residues. Selenocysteine is an analogue of the more common cysteine with selenium in place of the sulfur. Selenocysteine is present in several enzymes (for example glutathione peroxidases, tetraiodothyronine 5′ deiodinases, thioredoxin reductases, formate dehydrogenases, glycine reductases, selenophosphate synthetase 2, methionine R sulfoxide reductase B1 (SEPX1), and some hydrogenases). It occurs in all three domains of life, including important enzymes (listed above) present in humans. Selenocysteine was discovered in 1974 by biochemist Thressa Stadtman at the National Institutes of Health.
Химия
Селеноцистеин - цистеиннің Se аналогы. Ол тірі тіндерден тыс жерде сирек кездеседі (және коммерциялық түрде қол жетімді емес), себебі ол ауада тез тотығады. Көбірек таралғаны – селеноцистиннің тотыққан түрі, ол Se-Se байланысына ие. Селеноцистеин де, селеноцистин де ақ түсті қатты заттар. Se-H тобы күшті қышқыл (pKa = 5,43).
Selenocysteine is the Se analogue of cysteine. It is rarely encountered outside of living tissue (and is not available commercially) because it is very susceptible to air oxidation. More common is the oxidized derivative selenocystine, which has an Se Se bond. Both selenocysteine and selenocystine are white solids. The Se H group is more acidic (pKa = 5.43
Құрылымы
Селеноцистеин цистеинмен бірдей құрылымға ие, бірақ әдеттегі күкірт атомының орнына селен атомы болады. Онда селенол тобы бар. Басқа табиғи протеиногендік аминқышқылдары сияқты, цистеин мен селеноцистеиннің глицеральдегидке ұқсастығына негізделген ескі / нотациясында хиралдылығы бар. Хиралдылықты анықтаудың жаңа R/S жүйесінде, асимметриялық көміртекке жақын атомдардың атомдық сандарына сүйене отырып, олар күкірт немесе селеннің екінші көршісі болғандықтан R хиралдылығына ие. Қалған хиральды аминқышқылдары, сол позицияда тек жеңіл атомдар болғандықтан, S хиралдылығына ие. Селеноцистеин қалдықтарын қамтитын белоктар селенопротеиндер деп аталады. Көптеген селенопротеиндерде бір ғана селеноцистеин қалдығы болады. Каталитикалық белсенділігі бар селенопротеиндер селеноферменттер деп аталады.
Selenocysteine has the same structure as cysteine, but with an atom of selenium taking the place of the usual sulfur. It has a selenol group. Like other natural proteinogenic amino acids, cysteine and selenocysteine have chirality in the older / notation based on homology to and glyceraldehyde. In the newer R/S system of designating chirality, based on the atomic numbers of atoms near the asymmetric carbon, they have R chirality, because of the presence of sulfur or selenium as a second neighbor to the asymmetric carbon. The remaining chiral amino acids, having only lighter atoms in that position, have S chirality.) Proteins which contain a selenocysteine residue are called selenoproteins. Most selenoproteins contain a single selenocysteine residue. Selenoproteins that exhibit catalytic activity are called selenoenzymes.
Биология
Селеноцистеин цистеинге қарағанда төмендеу потенциалына ие. Бұл қасиеттері оны антиоксиданттық қызметке қатысатын ақуыздар үшін өте қолайлы етеді. Ол тіршіліктің үш доменінде кездеседі, бірақ барлық организмдерде де универсалды емес. Биологиялық белоктардағы басқа аминқышқылдарынан айырмашылығы, селеноцистеин генетикалық кодта тікелей кодталмайды. Оның орнына, ол UGA кодоны арқылы ерекше жолмен кодталады, бұл кодон әдетте «опал» тоқтату кодоны болып табылады. Мұндай механизм трансляциялық қайта кодтау деп аталады, ал оның тиімділігі синтезделіп жатқан селенопротеинге және трансляцияны бастау факторларына байланысты. Жасушалар селенсіз ортада өсірілгенде, селенопротеиндердің трансляциясы UGA кодонында тоқталады, нәтижесінде қысқартылған, функционалды емес фермент түзіледі. UGA кодоны mRNA-дағы селеноцистеин енгізу тізбегінің (SECIS) болуы арқасында селеноцистеинге кодтау үшін «қайта бағдарланады». SECIS элементі ерекше нуклеотидтік тізбектермен және екіншілік құрылымның негіздерінің жұптасу схемаларымен сипатталады. Бактерияларда SECIS элементі селенопротеиннің оқу аясындағы UGA кодонынан кейін орналасқан. Археяларда және эукариоттарда SECIS элементі mRNA-ның 3′ аударылмаған аймағында (3′ UTR) орналасады және селеноцистеин қалдықтарын кодтау үшін бірнеше UGA кодонын бағыттай алады. Басқа аминқышқылдарынан айырмашылығы, жасушада селеноцистеиннің еркін қоры жоқ. Оның жоғары реактивтілігі жасушаларға зиян келтіруі мүмкін. Сондықтан, жасушалар селенді аз реактивті тотыққан түрінде – селеноцистинде немесе метилденген түрінде – селенометионинде сақтайды. Селеноцистеин синтезі арнайы тРНК-да жүзеге асады, ол оны жаңа түзілген полипептидтерге енгізу үшін де қолданылады. Селеноцистеинге тән тРНК, tRNASec, стандартты тРНК-дан бірнеше ерекшеліктерімен көзге түседі, ең бастысы – 8 негіз жұбы (бактерияларда) немесе 10 негіз жұбы (эукариоттарда) акцепторлық сабағы, ұзын өзгермелі аймақ және бірнеше жақсы сақталған негіз позицияларындағы ауыстырулар. Селеноцистеин тРНК-лары серил тРНК лигазасымен серинмен зарядталады, бірақ түзілген Ser tRNASec трансляцияға қолданылмайды, өйткені ол қалыпты трансляциялық удлинение факторымен (бактерияларда EF Tu, эукариоттарда eEF1A) танылмайды. Керісінше, тРНК-ға байланысқан серил қалдығы пиридоксал фосфатын қамтитын селеноцистеин синтетаза ферменті арқылы селеноцистеин қалдығына айналады. Эукариоттар мен археяларда тРНК-ға байланысқан серил қалдығын тРНК-ға байланысқан селеноцистеинил қалдығына айналдыру үшін екі фермент қажет: PSTK (O фосфоссерил тРНК[Ser]Sec киназасы) және селеноцистеин синтетазасы. Соңында, түзілген Sec tRNASec ерекше трансляциялық удлинение факторымен (SelB немесе mSelB (немесе eEFSec)) байланысады, ол оны селенопротеиндер үшін mRNA-ны аударатын рибосомаларға бағыттайды. Бұл жеткізу механизмінің ерекшелігін бактерияларда SelB, ал эукариоттық mSelB/eEFSec үшін SBP2 сияқты қосымша белок домені немесе қосымша суббірлік қамтамасыз етеді, олар селенопротеин mRNA-сындағы SECIS элементтерімен қалыптасқан РНК-ның екіншілік құрылымдарына байланысады. Селеноцистеин селеноцистеин лиаза ферментімен L-аланинге және селенидке ыдырайды. 2021 жылғы мәліметтер бойынша, 136 адам ақуызында (37 отбасында) селеноцистеин (селенопротеиндер) бар екені белгілі. Allium және Brassica туыстарындағы өсімдіктерде γ-глутамил Se-метилселеноцистеин және Se-метилселеноцистеин селеноцистеиннің туындылары табиғи түрде кездеседі.
Selenocysteine has a lower reduction potential than cysteine. These properties make it very suitable in proteins that are involved in antioxidant activity. Although it is found in the three domains of life, it is not universal in all organisms. Unlike other amino acids present in biological proteins, selenocysteine is not coded for directly in the genetic code. Instead, it is encoded in a special way by a UGA codon, which is normally the "opal" stop codon. Such a mechanism is called translational recoding and its efficiency depends on the selenoprotein being synthesized and on translation initiation factors. When cells are grown in the absence of selenium, translation of selenoproteins terminates at the UGA codon, resulting in a truncated, nonfunctional enzyme. The UGA codon is made to encode selenocysteine by the presence of a selenocysteine insertion sequence (SECIS) in the mRNA. The SECIS element is defined by characteristic nucleotide sequences and secondary structure base pairing patterns. In bacteria, the SECIS element is typically located immediately following the UGA codon within the reading frame for the selenoprotein. In Archaea and in eukaryotes, the SECIS element is in the 3′ untranslated region (3′ UTR) of the mRNA and can direct multiple UGA codons to encode selenocysteine residues. Unlike the other amino acids, no free pool of selenocysteine exists in the cell. Its high reactivity would cause damage to cells. Instead, cells store selenium in the less reactive oxidized form, selenocystine, or in methylated form, selenomethionine. Selenocysteine synthesis occurs on a specialized tRNA, which also functions to incorporate it into nascent polypeptides. The primary and secondary structure of selenocysteine specific tRNA, tRNASec, differ from those of standard tRNAs in several respects, most notably in having an 8 base pair (bacteria) or 10 base pair (eukaryotes) acceptor stem, a long variable region arm, and substitutions at several well conserved base positions. The selenocysteine tRNAs are initially charged with serine by seryl tRNA ligase, but the resulting Ser tRNASec is not used for translation because it is not recognised by the normal translation elongation factor (EF Tu in bacteria, eEF1A in eukaryotes). Rather, the tRNA bound seryl residue is converted to a selenocysteine residue by the pyridoxal phosphate containing enzyme selenocysteine synthase. In eukaryotes and archaea, two enzymes are required to convert tRNA bound seryl residue into tRNA selenocysteinyl residue: PSTK (O phosphoseryl tRNA[Ser]Sec kinase) and selenocysteine synthase. Finally, the resulting Sec tRNASec is specifically bound to an alternative translational elongation factor (SelB or mSelB (or eEFSec)), which delivers it in a targeted manner to the ribosomes translating mRNAs for selenoproteins. The specificity of this delivery mechanism is brought about by the presence of an extra protein domain (in bacteria, SelB) or an extra subunit (SBP2 for eukaryotic mSelB/eEFSec) which bind to the corresponding RNA secondary structures formed by the SECIS elements in selenoprotein mRNAs. Selenocysteine is decomposed by the enzyme selenocysteine lyase into L alanine and selenide. as of 2021, 136 human proteins (in 37 families) are known to contain selenocysteine (selenoproteins). Selenocysteine derivatives γ glutamyl Se methylselenocysteine and Se methylselenocysteine occur naturally in plants of the genera Allium and Brassica.
Қолданбалар
Селеноцистеиннің биотехнологиялық қолданыстары 73Se изотопымен белгіленген Sec (73Se-нің жартылай жойылу мерзімі = 7,2 сағат) позитрондық эмиссиялық томография (PET) зерттеулерінде, ал 75Se изотопымен белгіленген Sec (75Se-нің жартылай жойылу мерзімі = 118,5 күн) нақты радиобелгілеуде қолданылады. Сонымен қатар, Sec-ті ғана немесе Sec-ті селенометионинмен (SeMet) бірге енгізу арқылы белоктардың рентгендік кристаллографиясында көп толқынды аномальды дифракция арқылы фазаларды анықтау процесін жеңілдетуге, және ядролық спині бар тұрақты 77Se изотопын қосуға болады, оны жоғары ажыратымдылықтағы ЯМР (NMR) үшін пайдалануға болады.
Biotechnological applications of selenocysteine include use of 73Se labeled Sec (half life of 73Se = 7.2 hours) in positron emission tomography (PET) studies and 75Se labeled Sec (half life of 75Se = 118.5 days) in specific radiolabeling, facilitation of phase determination by multiwavelength anomalous diffraction in X ray crystallography of proteins by introducing Sec alone, or Sec together with selenomethionine (SeMet), and incorporation of the stable 77Se isotope, which has a nuclear spin of and can be used for high resolution NMR, among others.