Селеноцистеин: 21-я протеиногенная аминокислота и её роль в биологических системах.
Selenocysteine
Селеноцистеин – 21-я протеиногенная аминокислота, аналог цистеина с селеном. Важен для работы ферментов (глутатионпероксидазы и др.) в организме человека.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Селеноцистеин (символ Sec или U, в старых публикациях также как Se Cys) — 21-я протеиногенная аминокислота. Селенопротеины содержат остатки селеноцистеина. Селеноцистеин является аналогом более распространенного цистеина, в котором сера заменена на селен. Селеноцистеин входит в состав нескольких ферментов (например, глутатионпероксидаз, тетрайодтирониновых 5'-деиодиназ, тиоредоксинредуктаз, форматдегидрогеназ, глицинредуктаз, селенофосфатсинтазы 2, метионин-R-сульфоксидредуктазы B1 (SEPX1) и некоторых гидрогеназ). Он встречается во всех трех доменах жизни, включая важные ферменты (упомянутые выше), присутствующие у человека. Селеноцистеин был открыт в 1974 году биохимиком Трессой Штудтман в Национальных институтах здоровья.
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 является селеновым аналогом цистеина. Он редко встречается за пределами живых тканей (и не доступен в коммерческой продаже) из-за высокой чувствительности к окислению на воздухе. Более распространенным является окисленное производное – селеноцистин, содержащее связь Se–Se. И селеноцистеин, и селеноцистин представляют собой белые твердые вещества. Группа Se–H более кислотна (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
Структура
Селеноцистеин имеет ту же структуру, что и цистеин, но с атомом селена вместо обычного атома серы. Он содержит селенольную группу. Как и другие природные протеиногенные аминокислоты, цистеин и селеноцистеин обладают хиральностью в старой системе обозначений, основанной на гомологии с глицеральдегидом. В новой R/S системе обозначения хиральности, основанной на атомных номерах атомов, расположенных рядом с асимметричным атомом углерода, они имеют R-хиральность из-за наличия серы или селена в качестве второго соседа асимметричного углерода. Остальные хиральные аминокислоты, имеющие в этом положении только более легкие атомы, обладают S-хиральностью. Белки, содержащие остаток селеноцистеина, называются селенопротеинами. Большинство селенопротеинов содержат единственный остаток селеноцистеина. Селенопротеины, проявляющие каталитическую активность, называются селеноферментами.
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 обладает более низким потенциалом восстановления, чем цистеин. Эти свойства делают его особенно подходящим для белков, участвующих в антиоксидантной активности. Хотя он встречается во всех трех доменах жизни, он не является универсальным для всех организмов. В отличие от других аминокислот, входящих в состав биологических белков, селеноцистеин не кодируется непосредственно в генетическом коде. Вместо этого он кодируется особым образом кодоном UGA, который обычно является стоп-кодоном "опал". Такой механизм называется трансляционным рекодированием, и его эффективность зависит от синтезируемого селенопротеина и факторов инициации трансляции. При культивировании клеток в отсутствие селена трансляция селенопротеинов обрывается на кодоне UGA, приводя к образованию усеченного, нефункционального фермента. Кодон UGA кодирует селеноцистеин благодаря наличию в мРНК последовательности вставки селеноцистеина (SECIS). Элемент SECIS характеризуется специфическими нуклеотидными последовательностями и вторичной структурой, основанной на спаривании оснований. У бактерий элемент SECIS обычно расположен непосредственно после кодона UGA в рамке считывания селенопротеина. У архей и эукариот элемент SECIS находится в 3'-нетранслируемой области (3'-UTR) мРНК и может направлять несколько кодонов UGA для кодирования остатков селеноцистеина. В отличие от других аминокислот, в клетке не существует свободного пула селеноцистеина. Его высокая реакционная способность может повредить клеткам. Вместо этого клетки запасают селен в менее реактивной окисленной форме – селеноцистине, или в метилированной форме – селенометионине. Синтез селеноцистеина происходит на специализированной тРНК, которая также обеспечивает его включение в растущие полипептиды. Первичная и вторичная структура селеноцистеин-специфической тРНК, tRNASec, отличается от структуры стандартных тРНК в нескольких аспектах, в частности, наличием акцепторного стебля из 8 пар оснований (у бактерий) или 10 пар оснований (у эукариот), длинной вариабельной петли и замещениями в нескольких хорошо консервативных позициях оснований. Селеноцистеиновые тРНК первоначально заряжаются серином серил-тРНК-лигазой, но полученный Ser-tRNASec не используется для трансляции, поскольку он не распознается нормальным фактором удлинения трансляции (EF-Tu у бактерий, eEF1A у эукариот). Вместо этого серильный остаток, связанный с тРНК, превращается в селеноцистеиновый остаток ферментом селеноцистеинсинтазой, содержащим пиридоксальфосфат. У эукариот и архей для превращения серильного остатка, связанного с тРНК, в селеноцистеинил-тРНК требуются два фермента: PSTK (O-фосфосерил-тРНК[Ser]Sec-киназа) и селеноцистеинсинтаза. Наконец, полученный Sec-tRNASec специфически связывается с альтернативным фактором удлинения трансляции (SelB или mSelB (или eEFSec)), который доставляет его к рибосомам, транслирующим мРНК для селенопротеинов. Специфичность этого механизма доставки обеспечивается наличием дополнительного белкового домена (у бактерий SelB) или дополнительной субъединицы (SBP2 для эукариотических mSelB/eEFSec), которые связываются с соответствующими вторичными структурами РНК, формируемыми элементами SECIS в мРНК селенопротеинов. Селеноцистеин расщепляется ферментом селеноцистеинлиазой на L-аланин и селенид. По состоянию на 2021 год известно, что 136 человеческих белков (в 37 семействах) содержат селеноцистеин (селенопротеины). Производные селеноцистеина γ-глутамил-Se-метилселеноцистеин и Se-метилселеноцистеин естественным образом встречаются в растениях родов Allium и Brassica.
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.
Приложения
Биотехнологические применения селеноцистеина включают использование 73Se-меченного Sec (период полураспада 73Se = 7,2 часа) в исследованиях позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), и 75Se-меченного Sec (период полураспада 75Se = 118,5 дней) для специфической радиомаркировки, облегчение определения фаз методом аномальной дифракции в рентгеноструктурном анализе белков путем введения Sec отдельно или Sec совместно с селенометионином (SeMet), а также включение стабильного изотопа 77Se, обладающего ядерным спином и пригодного для ЯМР высокого разрешения, и другие применения.
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.