Selenoprotein

U molekulskoj biologiji, **selenoprotein** je bilo koji protein koji uključuje ostatak aminokiseline selenocisteina (Sec, U, Se-Cys). Među funkcionalno okarakteriziranim selenoproteinima su pet glutation peroksidaza (GPX) i tri tiredoksin-reduktaze, (TrxR/TXNRD) koji oba sadrže samo jedan Sec. Selenoprotein P je najčešći selenoprotein koji se nalazi u plazmi. Neobičan je jer kod ljudi sadrži 10 Sec ostataka, koji su podijeljeni u dva domena, duži N-terminalni domen koji sadrži 1 Sec i kraći C-terminalni domen koji sadrži 9 Sec. Duži N-terminalni domen je vjerovatno enzimski domen, a kraći C-terminalni domen je vjerovatno sredstvo za siguran transport vrlo reaktivnog atoma selena kroz tijelo..

## Speciisjka distribucija 
Selenoproteini postoje u svim glavnim domenima života, eukarioti,ma bakterijamaima i arhejama. Među eukariotima, selenoproteini su česti kod životinja, ali rijetki ili odsutni u drugim koljenima – jedan je identificiran u zelenoj algi *Chlamydomonas*, ali gotovo nijedan u drugim biljkama ili u gljivama. američka brusnica (*Vaccinium macrocarpon* Ait.) je jedina kopnena biljka za koju se zna (od 2014. godine) da posjeduje mehanizam na nivou sekvence za proizvodnju selenocisteina (posebno u svom mitohondrijalnom genomu), iako njen nivo funkcionalnosti još nije određen. Među gljivama, red Harpellales je bio "posebno dobro zastupljen" među vrstama gljiva za koje je utvrđeno da posjeduju selenocistein, jer se vjeruje da sedam od osam analiziranih vrsta Harpellales koriste selenoproteine.

Među bakterijama i arhejama, selenoproteini su prisutni samo u nekim lozama, dok su potpuno odsutni u mnogim drugim filogenetskim grupama. Ova zapažanja su sada potvrđena analizom cijelog genoma, koja pokazuje prisustvo ili odsustvo gena selenoproteina i pomoćnih gena za sintezu selenoproteina u odgovarajućem organizmu.

## Proizvodnja 
Selenoproteine, kao i obične proteine, proizvodi ribosom, što zahtijeva ostatke koje prenose tRNK. Selenocistin (Sec) ima svoju posebnu tRNKSec za ovu svrhu. Ova tRNK, za razliku od drugih tRNA, nije direktno učitana selenocistilnim ostatkom iz slobodne molekule Sec; umjesto toga, prvo se učita serilnim ostatkom iz serina, pomoću konvencionalne seril-tRNAK-sintaze (formirajući Ser-tRNKSec), zatim enzim pretvara ovaj seril u selenocistilni ostatak, formirajući Sec-tRNKSec. Kod bakterija, L-seril-tRNKSec selen-transferaza (SelA) obavlja ovaj posao koristeći selen koji obezbjeđuje selenofosfat. In archaea and eukarya, this happens first by phosphoseryl-tRNA kinase attaching a phosphate group to the seryl, then by SLA/LP converting the phosphoseryl to selenocystyl with the help of selenophosphate.

Struktura tRNASec razlikuje se od tipičnih (kanonskih) tRNA po produženju D-stabla i vrlo dugoj varijabilnoj petlji. Ovo sprečava uobičajeni EF-Tu (eEF1A kod eukariota) da prepozna tRNA. Umjesto toga, potreban je poseban faktor elongacije nazvan SelB kako bi se pomoglo ribosomu da koristi Sec-tRNASec. SelB se sastoji od dva proteinska domena: N-terminalni dio je visoko homologan EF-Tu i služi za obezbjeđivanje elongacije, a C-terminalni dio služi za prepoznavanje SECIS elementa na mRNA koja kodira selenoprotein. Zajedno, ova dva dijela omogućavaju SelB-u da prenese Sec-tRNASec do A mjesta ribosoma za dekodiranje UGA kodona. Kod bakterija, SECIS element se javlja ubrzo nakon UGA kodona koji aktivira.

### Ne-UAG (CUA) tRNA 
Primjeri prekodiranih verzija tRNKSec pronađeni su u prirodi. Oni obuhvataju stop kodon UAA i 10 sens kodona.

## Redoks aktivnost 
Većina selenoproteina ima redoks funkciju analognu proteinima sa Cys aktivnim mjestima. Dva ostatka Sec mogu se oksidirati i formirati diselenidnu vezu (-Se-Se-), selenov analog disulfidnog mosta. Sec također može formirati selenenil sulfidnu (-Se-S-) vezu sa Cys.

Se-H veza se lakše prekida od S-H veze, što rezultira većom reaktivnošću Sec ostatka u poređenju sa Cys. Reaktivnosti također doprinosi veća nukleofilnost, kiselost i sposobnost odlaska grupe selenolata (R-Se-) u poređenju sa tiolatom (R-S-). Se-Se veza je također slabija od S-S veze. Rezultat je da se Sec može lako oksidirati i reducirati, bez veće promjene u zaglavljivanju u jednom stanju.

Sec nije reaktivniji od Cys ni u jednom aspektu. Selanilni radikali generirani iz Sec-a su manje skloni napadu na ostatke aromatskih aminokiselina i proteinske Cα atome nego tiilni radikali generirani iz Cys-a. Ovo pruža redoks-aktivnim selenoproteinima određenu zaštitu od samorazgradnje u poređenju sa njihovim srodnicima koji sadrže samo cistin.

## Glavne porodice 
Barijera za običan protein da postane selenoprotein je relativno visoka zbog potrebe za SECIS elementom. Kao rezultat toga, nove porodice selenoproteina se ne pojavljuju lako. Također nije neuobičajeno da ove porodice uključuju potomke koji nisu selenoproteini, jer (uglavnom kopnena) okruženja siromašna selenom pružaju prednost u pogledu sposobnosti prilagođavanja organizmu koji ima niže potrebe za selenom. U nastavku će se fokusirati na porodice koje se nalaze kod ljudi.

### Glutation peroksidaza 
Glutation-peroksidaze (GPx) su enzimi koji koriste glutation za razgradnju [peroksid]]a, štiteći ćeliju od oksidativnog oštećenja. To je ključni dio antioksidativne odbrane životinja (uključujući ljude). Nalaze se i u bakterijama, biljkama i gljivama. GPx je bio prvi otkriveni selenoprotein, sa visoko reaktivnim Sec ostatkom na aktivnom mjestu. Poređenje GPx sekvenci iz svih ovih vrsta života sugerira da predački GPx nije sadržavao selen; umjesto toga, usvajanje Sec se dogodilo rano u evoluciji životinja, prije nego što su se spužve odvojile od drugih životinja.

Ljudi imaju osam Gpx gena, ali samo pet od njih sadrži Sec (GPX1, GPX2, GPX3, GPX4, GPX6). Nepostojanje Sec u GPX7 i GPX8 izgleda da je univerzalno među životinjama.

### Tioredoksin-reduktaza 
Tioredoksin-reduktaza je također ključna komponenta antioksidativne odbrane. Iako se enzimi koji obavljaju ovu funkciju nalaze u većini oblika života, verzija selenoproteina visoke molekularne težine koja se nalazi kod životinja evoluirala je odvojeno od češće verzije selenoproteina niske molekularne težine. Ova verzija se pojavljuje kao grana unutar glutation-reduktaza, što je opet ključna komponenta antioksidativne odbrane.

### Jodotironin-dejodinaza 
Centralne uloge u etabolizmu  [hormona štitnjače kod ljudi (i kičmenjaka općenito) imaju tri proteina jodotironin-dejodinaze, sa genskim simbolima DIO1, DIO2, DIO3 kod ljudi. Srodni proteini pronađeni su kod beskičmenjaka, uglavnom sa selenocistinom, iako neki umjesto toga imaju cistin.

### Selenofosfat-sintetaza 
Proizvodnja selenoproteina ne može se dogoditi bez selenofosfata, koji proizvodi selenofosfat-sintetaza. Kičmenjaci, uključujući ljude, nose dvije verzije ovog enzima, pri čemu je jedna (SEPHS2) selenoprotein, a druga (SEPHS1) ga zamjenjuje treoninom, iako i dalje sa zaostalim SECIS-elementom. Analiza životinjskih verzija ovog enzima pokazuje da je originalna životinjska verzija selenoprotein, pri čemu SEPHS1 nastaje kasnije kroz duplikaciju gena.
Među prokariotima, većina bakterija ima verziju sa cistinom umjesto selenocistina, što sugerira da bi ovo moglo biti pretkalo stanje (što bi izbjeglo problem kokoške i jajeta). Neke imaju dvije verzije, jednu sa Sec, a drugu sa Cys. Arheje uglavnom imaju Sec verziju.

### Ostale porodice 
Porodice koje postoje kao selenoproteini kod ljudi i ostalih sisara:

* Selenoprotein I (SELENOI/EPT1), CDP-etanolamin:diacilglicerol etanolamin-fosfotransferaza.
* Selenoproteini K (SELENOK) i S (SELS (gen)) su mali transmembranski proteini koji se nalaze na ER membrani.
* Selenoprotein R (MSRB1) je peptid-metionin (R)-S-oksid reduktaza. Kod ljudi ima dva srodna proteina koji nisu selenoproteini, a također imaju istu katalitičku aktivnost. uključujući ljude. Do sada je u ljudskim ćelijama i tkivima uočeno oko 25 različitih selenoproteina koji sadrže selenocistein. Budući da nedostatak selena lišava ćeliju sposobnosti sinteze selenoproteina, smatra se da su mnogi zdravstveni efekti niskog unosa selena uzrokovani nedostatkom jednog ili više specifičnih selenoproteina. Tri selenoproteina, TXNRD1 (TR1), TXNRD2 (TR3) i glutation peroksidaza 4 (GPX4), pokazali su se esencijalnim u eksperimentima s knockoutom miševa. S druge strane, previše selena u ishrani uzrokuje toksične efekte i može dovesti do trovanja selenom. Prag između esencijalnih i toksičnih koncentracija ovog elementa je prilično uzak s faktorom u rasponu od 10 –100.

Mutacije u selenoproteinu N (SELENON, ranije SEPN1) kod ljudi uzrokuju podtip kongenitalne mišićne distrofije poznat kao SELENON-vezana miopatija.

## Srodni sistemi 
Prokarioti sadrže neobične sisteme povezane s tipičnim tRNK-SelAB sistemom.
* Neki arheoni poput *Methanocaldococcus jannaschii* nemaju cistein—tRNK ligazu. Umjesto toga, oni vjerovatno proizvode cistil-rRNK, putem seril-tRNK i fosfoseril-tRNK, analogno Sec-tRNA proizvodnom putu kod eukariota i arheja.

** Neke verzije tRNAReC su dodatno mutirane kako bi ih prepoznale seril-tRNA sintaza i SelA, što ih čini drugom vrstom tRNASec. Predlaže se da se ovo nazove tRNAReU. ReU nije toliko efikasna kao standardna tRNASec.
Postoje i laboratorijski modificirane verzije tRNK-SelAB sistema.
* Kraće D-stablo: Da bi se razumjela uloga neobično dugog D-stabla u tRNKSec, vještačke varijante s kraćim D-stablima su stavljene u *E. coli*. Ispostavilo se da ove varijante rade brže od standardne verzije na redovnim temperaturama, ali lahko gube funkciju na visokim temperaturama. Ovo sugerira da je dugo D-stablo evoluiralo kao adaptacija na visoku temperaturu.
* Uklanjanje zahtjeva za *SelB* i SECIS: 2013. godine, nova vrsta tRNK je vještački stvorena stavljanjem akceptorskog stabla i CUA antikodona *E. coli* tRNKSec na okosnicu *E. coli* tRNASer. Ovu novu tRNAUTu može prepoznati obični EF-Tu, uklanjajući zahtjev za *SelB* i SECIS za elongaciju. Međutim, oko 40% insercija bili su serin umjesto selenocistina, što sugerira da *SelA* ne prepoznaje efikasno ovu tRNK. 2014. godine, usmjerena evolucija je korištena kako bi se značajno poboljšala sposobnost tRNAUTu da je prepozna *SelA*, postižući verziju koja rezultira neotkrivenom pogrešnom inkorporacijom serina. Ovo omogućava jednostavnu zamjenu bilo kojeg ostatka sa Sec u budućim naporima proteinskog inženjerstva.
Do 2018. godine, sistem *E. coli* je sazrio i postao pogodan za proizvodnju u "industrijskim razmjerima". U jednom slučaju to je postignuto laboratorijskom evolucijom. U drugom slučaju ovo je postignuto ugradnjom elemenata alo-tRNK.
** tRNKUTu sistem je 2023. godine prilagođen za *Saccharomyces cerevisiae* (kvasac), koji nema prirodni selenocistinski sistem. Mješavina bakterijskih i mišjih enzima djeluje na modificiranu kvasnu tRNASer, koju eEF1A može prepoznati.

## Ostale vrste selena u proteinima 
### Ligand-selanoproteini 
Pored selenoproteina koji sadrže selenocistein, postoje i neki selenoproteini poznati iz bakterijskih vrsta, koji imaju selen nekovalentno vezan. Smatra se da većina ovih proteina sadrži selenidni ligand za kofaktor molibdopterin na svojim aktivnim mjestima (npr. nikotinat-dehidrogenaza iz *Eubacterium barkeri* ili ksantin-dehidrogenaza).

### Slučajni selenometionin 
Osim toga, selen se u proteinima javlja kao nespecifično ugrađen selenometionin, koji zamjenjuje ostatke metionina. Proteini koji sadrže takve nespecifično ugrađene ostatke selenometionina ne smatraju se selenoproteinima, jer ugradnja selena nije potrebna ni za jednu funkciju proteina.
Kod bakterija se zamjena metionina selenometioninom uglavnom toleriše.

Kod životinja, prekomjerna količina zamjene selenometioninom rezultira "alkalnom bolešću" koja utiče na strukturu keratina i drugih proteina tkiva. Ovo je glavni mehanizam toksičnosti selena kod životinja.

Nespecifična inkorporacija i relativna tolerancija bakterija na supstituciju selenometioninom korišteni su za određivanje strukture proteina. Protein se proizvodi tako da su svi metionini zamijenjeni selenometioninima putem ekspresije u mikroorganizmu uzgojenom u selenometioninu. Ovo omogućava upotrebu MAD-faziranja tokom kristalografskog određivanja strukture mnogih proteina rendgenskim zracima.

### Slučajni selenocistin 
Kao što se selenometionin može nasumično ugraditi u proteine, selenocistin se također može pogrešno vezati za tRNACys pomoću cisteinil-tRNK-sintetaze i ugraditi u proteine umjesto cistina. To uzrokuje znatnu toksičnost. Varijanta sintaze koja može razlikovati Cys i Sec pomaže u smanjenju toksičnosti.

Ova toksičnost može biti jedan od razloga za postojanje prilično komplikovanog puta biosinteze selenocisteina i specifične ugradnje u selenoproteine (opisane gore), što izbjegava pojavu slobodne aminokiseline kao međuprodukta. Zbog ovog puta, čak i ako se selenoprotein koji sadrži selenocistein unese ishranom i koristi kao izvor selena, ostatak selenocisteina se ne ponovo koristi direktno.

### Biomolekuli koji nisu proteini 
Selen se također specifično ugrađuje u modificirane baze nekih tRNA (kao 5-metilaminometil-2-selenouridin).

## Također pogledajte
* SECIS-element
*Trovanje živom

## Reference
## Dodatni izvori 
* 
* 
* 
* 

Kategorija:Proteini
Kategorija:Organska hemija