Tsüsteiin

Tsüsteiin (süstemaatiline nimetus: 2-amino-3-sulfhüdrüülpropaanhape) on looduslik aminohape, mis sisaldab külgahelas tioolrühma. Looduses esineb tsüsteiin L-isomeerina ning valkude koostises leiduvat tsüsteiinijääki (tähistatakse Cys) kodeerib DNA tasemel nukleotiidijärjestus TGT või TGC ning vastavalt mRNA tasemel järjestus UGU või UGC. Täiskasvanud inimese organism suudab tsüsteiini toota teistest aminohapetest (seriinist ja metioniinist), mistõttu ei kuulu tsüsteiin asendamatute aminohapete hulka. Küll on tsüsteiin aga asendamatu enneaegselt sündinud vastsündinutele, sest nende rakud ei tooda veel funktsionaalset ensüümi tsüstationaasi, mis on oluline tsüsteiini sünteesiks organismis. L-tsüsteiini CAS number on 52-90-4 ja D-tsüsteiini CAS number on 921-01-7. Kommertsiaalselt on tsüsteiin kättesaadav ka soola kujul (nt vesinikkloriidhappe soolana) ja hüdraadina. Nagu teisedki looduslikud kiraalsed aminohapped esineb ka tsüsteiin ja tsüsteiinijääk looduses valdavalt L-isomeerina (D/L-nomenklatuuri kohaselt). R/S-nomenklatuuri kohaselt on aga tsüsteiin erandlik: kui teised kiraalsed aminohapped esinevad looduses valdavalt S-isomeeridena, siis tsüsteiin esineb R-isomeerina. See on tingitud asjaolust, et tsüsteiin on ainus aminohape, mille külgahelas on hapnikust suurema aatommassiga element. Seega on R/S-nomenklatuuri kohaselt tioolrühma nn vanus asendajana suurem kui karboksüülrühma hapnike oma. Tsüsteiini ülesanded organismis on suuresti seotud tioolrühma nukleofiilsete omadustega. Kuna tsüsteiini tioolrühma pKa väärtus on 8,33, siis võib see füsioloogilise pH juures esineda ka deprotoneeritud kujul (st tiolaat-anioonina). Tiolaat on veelgi tugevam nukleofiil kui tiool. Tioolrühm võimaldab tsüsteiinil osaleda ka redoksreaktsioonides. Tioolrühm (R-SH) võiks oksüdeeruda kuni sulfoonrühma moodustumiseni (R-SO3-), kuid organismi seisukohalt on olulisem tioolrühma oksüdeerumine disulfiidiks (R-S-S-R). Väävel paikneb perioodilisustabelis hapnikuga samas rühmas (VIA), kuid erinevalt peroksiididest on disulfiidrühmad oluliselt stabiilsemad. Kahe tsüsteiinijäägi tioolrühmadest moodustunud disulfiidside võib tagada nii ühe valgumolekuli ruumilise kuju koospüsimist (kui mõlemad Cys kuuluvad sama valgumolekuli koostisse) kui valkude kompleksi kvaternaarset struktuuri (kui Cys jäägid kuuluvad eri ahelatesse). Disulfiidsideme ehk disulfiidsilla kaudu ühendatud kahest tsüsteiinijäägist koosnevat molekuli nimetatakse ka tsüstiiniks. Tsüsteiini üks olulisemaid rolle on seotud kuulumisega tripeptiidi glutatiooni koostisse. Glutatioon esineb rakkudes millimolaarses kontsentratsioonis ja reguleerib raku redokstasakaalu just tänu tsüsteiini tioolrühma võimele pöörduvalt moodustada disulfiidsidet. Sel viisil käitub glutatioon rakkudes antioksüdandina, oksüdeerudes ise ning kaitstes rakusiseseid komponente liigreaktiivsete hapnikuühendite (nt vabade radikaalide) eest. Nagu eespool mainitud, omab disulfiidside olulist rolle ka valgumolekulide ja nendest koosnevate kompleksite ruumiliste struktuuride kooshoidmisel. Tsüsteiinijääkide vahendusel tagatakse näiteks mitmeahelaliste funktsionaalsete antikehade ehk immunoglobuliinide (nt IgG, IgM) moodustumine. Tänu tioolrühma nukleofiilsetele omadustele võib tsüsteiinijääk võib mängida olulist rolli ka ensüümide aktiivtsentrites katalüüsi vahendajana. Selliste ensüümide alla kuuluvad näiteks tsüsteiinproteaasid (ehk tsüsteiinsõltuvad proteaasid) – sealhulgas kaspaasid, mis on tuntud kui raku programmeeritud surma ehk apoptoosi kesksed läbiviijad. Samuti on tsüsteiini tioolrühma deprotoneerumisel tekkiv tiolaatioon oluline DNA paranduses osaleva valgu O-6-metüülguaniin-DNA metüültransferaasi (lühendatult ka MGMT) ülesannete täitmiseks. Tiolaatiooni negatiivse laengu ning vabade elektronpaaride vahendusel saab tsüsteiin moodustada komplekse ka d-metallide ioonidega, mille aatomites on olemas vabad orbitaalid. Nii kuulub tsüsteiin mitmete redoks-aktiivsete ensüümide heemide koostisse, nt tsütokroom C (oluline hingamisahelas) või tsütokroom P450 (oluline ainevahetuse seisukohalt, vastutab mitmete ühendite lagundamise eest). Tsüsteiini võime moodustada komplekse raskmetallidega on oluline ka organismi võime seisukohalt vältida raskmetallidemürgistust, kuid loomulikult suudavad need kaitsemehhanismid toimida vaid raskmetallide teatud kontsentratsioonideni. Tsüsteiini sisaldus on suhteliselt kõrge keratiinides (valkude perekond, mida leidub rohkesti selgroogsete loomade nahas, karvades, sulgedes, küüntes jms). Nendes fibrillaarsetes valkudes tagavad tsüsteiinide tioolrühmade vahendusel tekkinud disulfiidsillad struktuuri mehaanilist sitkust. Seepärast on tsüsteiin ka üks väheseid aminohappeid, mida toodetakse tööstuslikult enamasti just loomset päritolu keratiinirikaste materjalide (nt kanasulgede) hüdrolüüsi teel. DNA tasemel tekkinud vead (mutatsioonid), mis peegelduvad mRNA nukleotiidjärjestuses ning edaspidi ka valgu aminohappelises järjestuses, võivad olla rohkem või vähem patogeensete tulemustega (olenevalt sellest, kui palju muutub valgu võime täita oma rolli organismis). On näidatud, et tsüsteiinijäägi (Cys) mutatsioonid on suure tõenäosusega väga patogeensed – Cys asendatakse enamasti kas arginiinijäägi (Arg) või türosiinijäägiga (Tyr), mis on keemilistelt omadustelt tsüsteiinist oluliselt erinevad. Ka vastupidised mutatsioonid (Arg → Cys, Tyr → Cys) on suhteliselt levinud ja samuti patogeensed. Nagu kõigi elusraku komponentide puhul võib ka tsüsteiini sisaldavate valkude või peptiidide anomaalne hulk rakus käivitada haiguste teket või aidata kaasa haiguse arengule. Näiteks on glutatiooni kui antioksüdandi anomaalselt madalat taset seostatud mitmete patoloogiliste seisunditega, sh neurodegeneratiivsete haigustega. Samas on tsüsteiini sisaldav ensüüm MGMT (vt ka eespool) küll vajalik DNA parandusmehhanismide seisukohalt, kuid selle ülehulk aitab kaasa vähkkasvajate (eriti glioomi) resistentsuse tekkele. Nimelt põhineb mitmete vähiravimite, sh mitmete keemiaravimite toime vähirakkude DNA vigastamisel – kui aga vigastused parandatakse, ei suuda ravimid oma toimet realiseerida. Teisalt võib tsüsteiinijäägi olemasolu valgus hoopis soodustada vähiravimite väljatöötamist. Näiteks on sihtmärkravis muutunud viimasel aastakümnel populaarseks nn pöördumatute inhibiitorite arendamine, mis moodustavad bioloogilise sihtmärgiga (ensüümiga, enamasti teatud türosiinkinaasiga) kovalentse kompleksi. Sel viisil püsivad inhibiitorid pikemalt sihtmärgi küljes ning takistavad efektiivsemalt ensüümi tööd, mis muidu soodustaks vähi vohamist. Pöördumatute inhibiitorite molekulis peab seega sisalduma reaktsioonivõimeline funktsionaalrühm, mis reageeriks ensüümi mõne aminohappejäägiga. Kuna tsüsteiinijäägi tioolrühm on suhteliselt reaktiivne, siis ongi seni arendatud pöördumatuid inhibiitoreid just selliste ensüümide jaoks, kus tsüsteiinijääk on inhibiitori jaoks suhteliselt kergesti kättesaadav (nt Brutoni türosiinkinaas, epidermaalse kasvufaktori retseptorid 1 ja 2). Veel üks haiguslik seisund, mis on seotud tsüsteiini tioolrühma oksüdeerumisel moodustuva tsüstiiniga, on tsüstinuuria. Tsüstinuuria on autosoomne retsessiivne haigus, mis on tingitud mutatsioonidest geenides SLC3A1 või SLC7A9. Nende geenide poolt kodeeritud valgud on nn transporterid, mis vastutavad tsüstiini absorbtsiooni eest tagasi vereringesse. Valkude muteerumisel tekivad tsüstiini imendusmishäired neerutorukestes, mis omakorda tingivad tsüstiini kristallumist ja neerukivide teket. Tsüsteiini olulisim ravimina kasutatav derivaat on N-atsetüültsüsteiin, milles tsüsteiini aminorühm on derivatiseeritud atsetüülrühmaga. See struktuurne muudatus parandab tsüsteiini imendumist maos, kuid organismis toimub ajapikku atsetüülrühma hüdrolüüs ja tsüsteiini taasteke. N-atsetüültsüsteiini kasutatakse nii antidoodina paratsetamoolimürgistuse puhul kui rögalahtistina hingamisteede haiguste korral. Paratsetamoolimürgistuse korral kasutatakse ära asjaolu, et tsüsteiini kättesaadavus piirab rakkudes glutatiooni tootmist. Glutatiooni hulga suurenedes reageerib glutatioonis sisalduv Cys tioolrühm paratsetamoolist tekkitud mürgise metaboliidiga (bensokinoon NAPQI), moodustades mittemürgist saadust. N-atsetüültsüsteiini rögalahtistav toime on samuti seotud tioolrühmaga, mis tekitab disulfiidsidemeid lima koostisse kuuluvate valkude tsüsteiinijääkidega. Nimelt on lima koostises olevad valgud omavahel seotud molekulidevaheliste disulfiidsildadega. Kui N-atsetüültsüsteiini hulk on suur, siis on suurem ka tõenäosus, et valgu koostisse kuuluv Cys moodustab disulfiidsidet just N-atsetüültsüsteiiniga, mitte naabervalgu tsüsteiinijäägiga. Kuna N-atsetüültsüsteiini molekul on valgumolekulist väiksem, siis aitabki N-atsetüültsüsteiin lõhkuda disulfiidsildu valgumolekulide vahel ja vedeldada lima. Ferré, Sabrina; González-Ruiz, Víctor; Zangari, Joséphine; Girel, Sergey; Martinou, Jean-Claude; Sardella, Roccaldo; Rudaz, Serge (5. veebruar 2022). "Separation and determination of cysteine enantiomers in plasma after derivatization with 4-fluoro-7-nitrobenzofurazan". Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis (inglise). 209: 114539. DOI:10.1016/j.jpba.2021.114539. ISSN 0731-7085. Xu, Xue-Ming; Turanov, Anton A.; Carlson, Bradley A.; Yoo, Min-Hyuk; Everley, Robert A.; Nandakumar, Renu; Sorokina, Irina; Gygi, Steven P.; Gladyshev, Vadim N.; Hatfield, Dolph L. (14. detsember 2010). "Targeted insertion of cysteine by decoding UGA codons with mammalian selenocysteine machinery". Proceedings of the National Academy of Sciences (inglise). 107 (50): 21430–21434. DOI:10.1073/pnas.1009947107. ISSN 0027-8424. PMC 3003055. PMID 21115847.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link) Arora, Nikhil; Strand, Tor A.; Chandyo, Ram K.; Elshorbagy, Amany; Shrestha, Laxman; Ueland, Per M.; Ulak, Manjeswori; Schwinger, Catherine (2020). "Association of Maternal Plasma Total Cysteine and Growth among Infants in Nepal: A Cohort Study". Nutrients (inglise). 12 (9): 2849. DOI:10.3390/nu12092849. ISSN 2072-6643. Riedijk, Maaike A; van Beek, Ron HT; Voortman, Gardi; de Bie, Henrica MA; Dassel, Anne CM; van Goudoever, Johannes B (1. oktoober 2007). "Cysteine: a conditionally essential amino acid in low-birth-weight preterm infants?23". The American Journal of Clinical Nutrition (inglise). 86 (4): 1120–1125. DOI:10.1093/ajcn/86.4.1120. ISSN 0002-9165. PubChem. "Cysteine". pubchem.ncbi.nlm.nih.gov (inglise). Vaadatud 11. augustil 2023. PubChem. "D-cysteine". pubchem.ncbi.nlm.nih.gov (inglise). Vaadatud 11. augustil 2023. PubChem. "L-Cysteine hydrochloride monohydrate". pubchem.ncbi.nlm.nih.gov (inglise). Vaadatud 11. augustil 2023. "25.2: Structure and Stereochemistry of the Amino Acids". Chemistry LibreTexts (inglise). 25. veebruar 2016. Vaadatud 11. augustil 2023. Ning, Matthew S.; Price, Stacy E.; Ta, Jackie; Davies, Keith M. (2009). "Nucleophilic reactivity of thiolate, hydroxide, and phenolate ions toward a model O 2 -arylated diazeniumdiolate prodrug in aqueous and cationic surfactant media". Journal of Physical Organic Chemistry (inglise): n/a–n/a. DOI:10.1002/poc.1607. PMC 3083076. PMID 21533014.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link) Schilter, David (25. jaanuar 2017). "Thiol oxidation: A slippery slope". Nature Reviews Chemistry (inglise). 1 (2): 1–1. DOI:10.1038/s41570-016-0013. ISSN 2397-3358. Kolšek, Katra; Aponte-Santamaría, Camilo; Gräter, Frauke (29. august 2017). "Accessibility explains preferred thiol-disulfide isomerization in a protein domain". Scientific Reports (inglise). 7 (1): 9858. DOI:10.1038/s41598-017-07501-4. ISSN 2045-2322. Pizzorno, Joseph (2014). "Glutathione!". Integrative Medicine (Encinitas, Calif.). 13 (1): 8–12. ISSN 1546-993X. PMC 4684116. PMID 26770075. Liu, Hongcheng; May, Kimberly (2012). "Disulfide bond structures of IgG molecules: Structural variations, chemical modifications and possible impacts to stability and biological function". mAbs (inglise). 4 (1): 17–23. DOI:10.4161/mabs.4.1.18347. ISSN 1942-0862. PMC 3338938. PMID 22327427.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link) Pasalic, Dzana; Weber, Benedikt; Giannone, Chiara; Anelli, Tiziana; Müller, Roger; Fagioli, Claudio; Felkl, Manuel; John, Christine; Mossuto, Maria Francesca; Becker, Christian F. W.; Sitia, Roberto; Buchner, Johannes (10. oktoober 2017). "A peptide extension dictates IgM assembly". Proceedings of the National Academy of Sciences (inglise). 114 (41). DOI:10.1073/pnas.1701797114. ISSN 0027-8424. PMC 5642677. PMID 28973899.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link) Otto, Hans-Hartwig; Schirmeister, Tanja (1. veebruar 1997). "Cysteine Proteases and Their Inhibitors". Chemical Reviews (inglise). 97 (1): 133–172. DOI:10.1021/cr950025u. ISSN 0009-2665. Julien, Olivier; Wells, James A. (2017). "Caspases and their substrates". Cell Death & Differentiation (inglise). 24 (8): 1380–1389. DOI:10.1038/cdd.2017.44. ISSN 1476-5403. Yu, Wei; Zhang, Lili; Wei, Qichun; Shao, Anwen (2020). "O6-Methylguanine-DNA Methyltransferase (MGMT): Challenges and New Opportunities in Glioma Chemotherapy". Frontiers in Oncology. 9. DOI:10.3389/fonc.2019.01547/full. ISSN 2234-943X. Zhong, Fangfang; Lisi, George P.; Collins, Daniel P.; Dawson, John H.; Pletneva, Ekaterina V. (21. jaanuar 2014). "Redox-dependent stability, protonation, and reactivity of cysteine-bound heme proteins". Proceedings of the National Academy of Sciences (inglise). 111 (3). DOI:10.1073/pnas.1317173111. ISSN 0027-8424. PMC 3903235. PMID 24398520.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link) VandenBrink, Brooke M.; Davis, John A.; Pearson, Josh T.; Foti, Robert S.; Wienkers, Larry C.; Rock, Dan A. (1. november 2012). "Cytochrome P450 Architecture and Cysteine Nucleophile Placement Impact Raloxifene-Mediated Mechanism-Based Inactivation". Molecular Pharmacology (inglise). 82 (5): 835–842. DOI:10.1124/mol.112.080739. ISSN 0026-895X. PMID 22859722. Quig, D. (1998). "Cysteine metabolism and metal toxicity". Alternative Medicine Review: A Journal of Clinical Therapeutic. 3 (4): 262–270. ISSN 1089-5159. PMID 9727078. Jan, Arif Tasleem; Azam, Mudsser; Siddiqui, Kehkashan; Ali, Arif; Choi, Inho; Haq, Qazi Mohd Rizwanul (2015). "Heavy Metals and Human Health: Mechanistic Insight into Toxicity and Counter Defense System of Antioxidants". International Journal of Molecular Sciences (inglise). 16 (12): 29592–29630. DOI:10.3390/ijms161226183. ISSN 1422-0067. Imura, Makoto; Etoh, Shinichi; Iwakiri, Ryo; Okano, Kenji; Honda, Kohsuke (1. detsember 2021). "Improvement of production yield of l-cysteine through in vitro metabolic pathway with thermophilic enzymes". Journal of Bioscience and Bioengineering (inglise). 132 (6): 585–591. DOI:10.1016/j.jbiosc.2021.09.003. ISSN 1389-1723. Vitkup, Dennis; Sander, Chris; Church, George M. (30. oktoober 2003). "The amino-acid mutational spectrum of human genetic disease". Genome Biology. 4 (11): R72. DOI:10.1186/gb-2003-4-11-r72. ISSN 1474-760X. PMC 329120. PMID 14611658.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link) Euroopa Ravimiamet. "Imbruvica, INN-ibrutinib" (PDF). ec.europa.eu. Vaadatud 11.08.2023. Vázquez-Meza, Héctor; Vilchis-Landeros, María Magdalena; Vázquez-Carrada, Melissa; Uribe-Ramírez, Daniel; Matuz-Mares, Deyamira (2023). "Cellular Compartmentalization, Glutathione Transport and Its Relevance in Some Pathologies". Antioxidants (inglise). 12 (4): 834. DOI:10.3390/antiox12040834. ISSN 2076-3921. Iskusnykh, Igor Y.; Zakharova, Anastasia A.; Pathak, Dhruba (2022). "Glutathione in Brain Disorders and Aging". Molecules (inglise). 27 (1): 324. DOI:10.3390/molecules27010324. ISSN 1420-3049. Oldrini, Barbara; Vaquero-Siguero, Nuria; Mu, Quanhua; Kroon, Paula; Zhang, Ying; Galán-Ganga, Marcos; Bao, Zhaoshi; Wang, Zheng; Liu, Hanjie; Sa, Jason K.; Zhao, Junfei; Kim, Hoon; Rodriguez-Perales, Sandra; Nam, Do-Hyun; Verhaak, Roel G. W. (4. august 2020). "MGMT genomic rearrangements contribute to chemotherapy resistance in gliomas". Nature Communications (inglise). 11 (1): 3883. DOI:10.1038/s41467-020-17717-0. ISSN 2041-1723. Kitange, Gaspar J.; Carlson, Brett L.; Schroeder, Mark A.; Grogan, Patrick T.; Lamont, Jeff D.; Decker, Paul A.; Wu, Wenting; James, C. David; Sarkaria, Jann N. (2009). "Induction of MGMT expression is associated with temozolomide resistance in glioblastoma xenografts". Neuro-Oncology. 11 (3): 281–291. DOI:10.1215/15228517-2008-090. ISSN 1522-8517. PMC 2718972. PMID 18952979. Liu, Qingsong; Sabnis, Yogesh; Zhao, Zheng; Zhang, Tinghu; Buhrlage, Sara J.; Jones, Lyn H.; Gray, Nathanael S. (21. veebruar 2013). "Developing Irreversible Inhibitors of the Protein Kinase Cysteinome". Chemistry & Biology (inglise). 20 (2): 146–159. DOI:10.1016/j.chembiol.2012.12.006. ISSN 1074-5521. Das, Debasis; Hong, Jian (2020). "Irreversible Kinase Inhibitors Targeting Cysteine Residues and their Applications in Cancer Therapy". Mini Reviews in Medicinal Chemistry. 20 (17): 1732–1753. DOI:10.2174/1389557520666200513121524. ISSN 1875-5607. PMID 32400331. Sahota, Amrik; Tischfield, Jay A.; Goldfarb, David S.; Ward, Michael D.; Hu, Longqin (1. veebruar 2019). "Cystinuria: genetic aspects, mouse models, and a new approach to therapy". Urolithiasis (inglise). 47 (1): 57–66. DOI:10.1007/s00240-018-1101-7. ISSN 2194-7236. PMC 6592844. PMID 30515543.{{ajakirjaviide}}: CS1 hooldus: PMC vormistus (link) Schmitt, Bernard; Vicenzi, Morgane; Garrel, Catherine; Denis, Frédéric M. (1. detsember 2015). "Effects of N-acetylcysteine, oral glutathione (GSH) and a novel sublingual form of GSH on oxidative stress markers: A comparative crossover study". Redox Biology (inglise). 6: 198–205. DOI:10.1016/j.redox.2015.07.012. ISSN 2213-2317. Uttamsingh, V.; Keller, D. A.; Anders, M. W. (1998). "Acylase I-catalyzed deacetylation of N-acetyl-L-cysteine and S-alkyl-N-acetyl-L-cysteines". Chemical Research in Toxicology. 11 (7): 800–809. DOI:10.1021/tx980018b. ISSN 0893-228X. PMID 9671543. Heard, Kennon J. (17. juuli 2008). "Acetylcysteine for acetaminophen poisoning". The New England Journal of Medicine. 359 (3): 285–292. DOI:10.1056/NEJMct0708278. ISSN 1533-4406. PMC 2637612. PMID 18635433. Tenório, Micaely Cristina Dos Santos; Graciliano, Nayara Gomes; Moura, Fabiana Andréa; Oliveira, Alane Cabral Menezes de; Goulart, Marília Oliveira Fonseca (16. juuni 2021). "N-Acetylcysteine (NAC): Impacts on Human Health". Antioxidants (Basel, Switzerland). 10 (6): 967. DOI:10.3390/antiox10060967. ISSN 2076-3921. PMC 8234027. PMID 34208683. Aronson, J. K., toim (1. jaanuar 2016), "Acetylcysteine", Meyler's Side Effects of Drugs (Sixteenth Edition) (inglise), Oxford: Elsevier, lk 23–25, ISBN 978-0-444-53716-4, vaadatud 11. augustil 2023 Aldini, Giancarlo; Altomare, Alessandra; Baron, Giovanna; Vistoli, Giulio; Carini, Marina; Borsani, Luisa; Sergio, Francesco (2018). "N-Acetylcysteine as an antioxidant and disulphide breaking agent: the reasons why". Free Radical Research. 52 (7): 751–762. DOI:10.1080/10715762.2018.1468564. ISSN 1029-2470. PMID 29742938.