السيستين

السيستين ( يُلفظ / ˈsɪstɪiːn / ؛ ^{[ 5 ]} رمزه Cys أو C ^{[ 6} ] ) هو حمض أميني شبه أساسي [7] مُكوِّن للبروتين، ^صيغته الكيميائية ^HS − CH₂ − CH ⁽ _NH₂ ) ^−COOH . تُتيح سلسلة الثيول الجانبية في السيستين تكوين روابط ثنائية الكبريتيد ، وغالبًا ما يُشارك في التفاعلات الإنزيمية ككاشف _{نيوكليوفيلي} . السيستين كيرالي، ولكن يوجد كل من السيستين D والسيستين L في الطبيعة. يُعد السيستين L مونومرًا بروتينيًا في جميع الكائنات الحية ، بينما يعمل السيستين D كجزيء إشارة في الجهاز العصبي للثدييات. ^{[ 8 ]} سُمي السيستين بهذا الاسم نسبةً لاكتشافه في البول، الذي يأتي من المثانة البولية أو الكيس، من الكلمة اليونانية κύστις kýstis ، والتي تعني "المثانة". ^{[ 9 ]}

تكون مجموعة الثيول قابلة للأكسدة لتكوين مشتق ثنائي الكبريتيد السيستين ، الذي يؤدي دورًا بنيويًا هامًا في العديد من البروتينات . في هذه الحالة، يُستخدم الرمز Cyx أحيانًا. ^{[ 10 ] [ 11 ]} ويمكن وصف الشكل منزوع البروتون عمومًا بالرمز Cym أيضًا. ^{[ 11 ] [ 10 ]}

عند استخدام السيستين كمادة مضافة للأغذية، يكون له الرقم E920.

يتم ترميز السيستين بواسطة الكودونات UGU و UGC.

مثل الأحماض الأمينية الأخرى (ليس كبقايا بروتين)، يوجد السيستين على شكل أيون ثنائي القطب . يتميز السيستين بكيرالية L وفقًا للتصنيف القديم d / l القائم على التشابه مع D- و L- جليسرالدهيد. في نظام R / S الأحدث لتحديد الكيرالية، والذي يعتمد على الأعداد الذرية للذرات المجاورة لذرة الكربون غير المتناظرة، يتميز السيستين (والسيلينوسيستين) بكيرالية R ، نظرًا لوجود الكبريت (أو السيلينيوم) كذرة مجاورة ثانية لذرة الكربون غير المتناظرة. أما الأحماض الأمينية الكيرالية المتبقية، التي تحتوي على ذرات أخف في ذلك الموضع، فلها كيرالية S. استبدال الكبريت بالسيلينيوم يُعطي السيلينوسيستين .

تشمل بعض الأطعمة الغنية بالسيستين الدواجن والبيض ولحم البقر والحبوب الكاملة. في الأنظمة الغذائية الغنية بالبروتين، قد يكون السيستين مسؤولاً جزئياً عن خفض ضغط الدم وتقليل خطر الإصابة بالسكتة الدماغية. ^{[ 12 ]} على الرغم من تصنيفه كحمض أميني غير أساسي ، ^{[ 13 ]} إلا أنه في حالات نادرة، قد يكون السيستين ضرورياً للرضع وكبار السن والأفراد المصابين بأمراض أيضية معينة أو الذين يعانون من متلازمات سوء الامتصاص . يستطيع الجسم البشري عادةً تصنيع السيستين في ظل الظروف الفسيولوجية الطبيعية إذا توفرت كمية كافية من الميثيونين عبر مسار نقل الكبريت .

يُستخلص معظم السيستين -ل صناعيًا عن طريق تحلل المواد الحيوانية، مثل ريش الدواجن أو شعر الخنازير. وعلى الرغم من الشائعات المنتشرة، ^{[ 14 ]} فإن شعر الإنسان نادرًا ما يكون مصدرًا له. ^{[ 15 ]} في الواقع، لا يُسمح قانونًا لمصنعي إضافات الأغذية أو مستحضرات التجميل في الاتحاد الأوروبي بالحصول على السيستين من شعر الإنسان. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

تُخالف بعض مصادر السيستين من أصل حيواني، عند استخدامها كمضاف غذائي، أحكام النظام الغذائي الكوشر، والحلال، والنباتي، والنباتي الصرف. ^{[ 14 ]} ولتجنب هذه المشكلة، يتوفر السيستين الاصطناعي، المتوافق مع أحكام الكوشر اليهودية والحلال الإسلامية، وإن كان بسعر أعلى. [ 18 ] وتتضمن الطريقة ^{الاصطناعية النموذجية التخمير} باستخدام سلالة اصطناعية من بكتيريا الإشريكية القولونية . ^{[ 19 ]} 

بدلاً من ذلك، قدمت شركة إيفونيك (ديغوسا سابقاً) مساراً من الثيازولينات المستبدلة . ^{[ 20 ]} تقوم بكتيريا Pseudomonas thiazolinophilum بتحليل حمض 2 - أمينو-Δ2- ^{ثيازولين} -4 - كربوكسيليك الراسيمي إلى ل - سيستين. ^{[ 19 ]}

في الحيوانات، تبدأ عملية التخليق الحيوي للسيستين بحمض السيرين الأميني . يُستمد الكبريت من الميثيونين ، الذي يتحول إلى هوموسيستين عبر المركب الوسيط S- أدينوسيل ميثيونين . ثم يقوم إنزيم سيستاثيونين بيتا-سينثاز بدمج الهوموسيستين والسيرين لتكوين ثيوإيثر السيستاثيونين غير المتماثل . يحول إنزيم سيستاثيونين غاما-لياز السيستاثيونين إلى سيستين وألفا-كيتوبوتيرات . يُسمى هذا المسار بمسار نقل الكبريت . في النباتات والبكتيريا ، يبدأ التخليق الحيوي للسيستين أيضًا من السيرين، الذي يتحول إلى O- أسيتيل سيرين بواسطة إنزيم سيرين ترانس أسيتيلاز . يقوم إنزيم سيستاثيونين سينثاز ، باستخدام مصادر الكبريتيد، بتحويل هذا الإستر إلى سيستين، مُطلقًا الأسيتات. ^{[ 21 ]}

مجموعة الثيول في السيستين محبة للنواة وتتأكسد بسهولة. تزداد فعاليتها عند تأين الثيول، وبقايا السيستين في البروتينات لها _قيم pKa قريبة من التعادل، لذا فهي غالبًا ما تكون في شكلها الثيولاتي النشط داخل الخلية. ^{[ 22 ]} وبسبب فعاليتها العالية، تؤدي مجموعة الثيول في السيستين وظائف بيولوجية عديدة.

يمكن عادةً أكسدة مجموعة الثيول في البروتينات بالطرق التالية، حيث GSH هو الجلوتاثيون ، وGSSG هو ثنائي كبريتيد الجلوتاثيون ، وRSH هو بروتين يحتوي على مجموعة ثيول، و R هو بقايا البروتين. ^{[ 23 ]}

2 RSH → RSSR + 2 H ⁺ + 2 e ⁻

يُساهم تكوين روابط ثنائي الكبريتيد في استقرار بنية البروتين المطوية. ويمكن اختزال بروتين ثنائي الكبريتيد بواسطة الثيوريدوكسين أو مختزلة الثيوريدوكسين . ^{[ 24 ]} وهي شائعة في البروتينات المُفرزة والبروتينات الغشائية التي تتطلب خصائص ميكانيكية معينة لأداء وظيفتها، مثل الكيراتين . وتُستخدم هذه الروابط في تنظيم البروتينات، كما هو الحال في نظام الفيريدوكسين-ثيوريدوكسين .

RSH + GSSG ⇌ RSSG + GSH

تُعدّ عملية إضافة الجلوتاثيون شائعة في السيتوسول والميتوكوندريا. فهي تحمي مجموعة الثيول التفاعلية، كما تُساهم في تنظيم البروتين بعد الترجمة . ويمكن اختزال البروتين المُضاف إليه الجلوتاثيون بواسطة الجلوتاثيون المختزل (GSH) أو الجلوتاريدوكسين . ^{[ 24 ]}

_RSH + _{H₂O₂ →} RSOH + H₂O

تُعدّ عملية السلفنة شائعة في إشارات الأكسدة والاختزال ، وهي عملية قابلة للعكس مع البيروكسيريدوكسينات .

RSOH + _H₂O₂ → _RSO₂H + _H₂O​_​

السلفنة هي عملية أكسدة إضافية، وهي شائعة أيضًا في إشارات الأكسدة والاختزال. ^{[ 25 ]} وهي قابلة للعكس باستخدام السلفيريدوكسينات .

RSO₂H + _{H₂O₂ →} RSO₃H + _H₂O​​_​​

السلفنة هي عملية أكسدة غير قابلة للانعكاس. وغالبًا ما ترتبط بسلفنة أو اقتران السلفنة للهرمونات الستيرويدية . ^{[ 26 ]}

أدوار في بنية البروتين

في ترجمة جزيئات الحمض النووي الريبوزي الرسول لإنتاج عديدات الببتيد، يتم ترميز السيستين بواسطة كودونات UGU و UGC .

لطالما اعتُبر السيستين حمضًا أمينيًا محبًا للماء ، استنادًا إلى حد كبير إلى التشابه الكيميائي بين مجموعة الثيول فيه ومجموعات الهيدروكسيل في السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية القطبية الأخرى. ومع ذلك، فقد ثبت أن السلسلة الجانبية للسيستين تُثبّت التفاعلات الكارهة للماء في المذيلات بدرجة أكبر من السلسلة الجانبية في الحمض الأميني غير القطبي جليسين والحمض الأميني القطبي سيرين. ^{[ 33 ]} في تحليل إحصائي لتكرار ظهور الأحماض الأمينية في مختلف البروتينات، وُجد أن بقايا السيستين ترتبط بالمناطق الكارهة للماء في البروتينات. وكانت نزعتها الكارهة للماء مماثلة لتلك الموجودة في الأحماض الأمينية غير القطبية المعروفة مثل الميثيونين والتيروسين (التيروسين حمض أميني عطري قطبي ولكنه أيضًا كاره للماء ^{[ 34 ]} )، والتي كانت بدورها أكبر بكثير من تلك الموجودة في الأحماض الأمينية القطبية المعروفة مثل السيرين والثريونين . ^{[ 35 ]} تُصنّف مقاييس كراهية الماء ، التي تُرتّب الأحماض الأمينية من الأكثر كراهية للماء إلى الأكثر محبة للماء، السيستين باستمرار ضمن الطرف الكاره للماء من الطيف، حتى عندما تستند هذه المقاييس إلى طرق لا تتأثر بميل السيستين لتكوين روابط ثنائية الكبريتيد في البروتينات. لذلك، يُصنّف السيستين حاليًا ضمن الأحماض الأمينية الكارهة للماء، ^{[ 36 ] [ 37 ]} على الرغم من أنه يُصنّف أحيانًا على أنه قطبي قليلًا، ^{[ 38 ]} أو قطبي. ^{[ 7 ]}

ترتبط معظم بقايا السيستين بروابط تساهمية مع بقايا سيستين أخرى لتكوين روابط ثنائية الكبريتيد ، والتي تلعب دورًا هامًا في طي واستقرار بعض البروتينات، وخاصة البروتينات التي تُفرز إلى الوسط خارج الخلوي. ^{[ 39 ]} ونظرًا لأن معظم الحجيرات الخلوية بيئات مُختزلة ، فإن روابط ثنائية الكبريتيد تكون غير مستقرة عمومًا في السيتوسول، مع بعض الاستثناءات المذكورة أدناه.

تتكون روابط ثنائي الكبريتيد في البروتينات نتيجة أكسدة مجموعة الثيول في بقايا السيستين. أما الميثيونين، وهو حمض أميني آخر يحتوي على الكبريت، فلا يستطيع تكوين روابط ثنائي الكبريتيد. تعمل المؤكسدات القوية على تحويل السيستين إلى حمض السلفينيك وحمض السلفونيك المقابلين . تلعب بقايا السيستين دورًا هامًا في ربط البروتينات، مما يزيد من صلابتها ويكسبها مقاومة للتحلل البروتيني (نظرًا لأن تصدير البروتين عملية مكلفة، فإن تقليل الحاجة إليها يُعدّ أمرًا مفيدًا). ​​داخل الخلية، تدعم جسور ثنائي الكبريتيد بين بقايا السيستين في عديد الببتيد البنية الثالثية للبروتين. يُعدّ الأنسولين مثالًا على بروتين يحتوي على روابط سيستين، حيث ترتبط سلسلتان ببتيديتان منفصلتان بزوج من روابط ثنائي الكبريتيد.

تحفز إنزيمات إيزوميراز ثنائي كبريتيد البروتين تكوين روابط ثنائي الكبريتيد بشكل صحيح ؛ حيث تنقل الخلية حمض ديهيدروأسكوربيك إلى الشبكة الإندوبلازمية ، مما يؤدي إلى أكسدة البيئة المحيطة. في هذه البيئة، تتأكسد السيستينات عمومًا إلى سيستين، وتفقد قدرتها على العمل ككاشف نيوكليوفيلي.

إلى جانب أكسدته إلى سيستين، يشارك السيستين في العديد من التعديلات اللاحقة للترجمة . تسمح مجموعة الثيول المحبة للنواة للسيستين بالارتباط بمجموعات أخرى، كما في عملية البرينيل . تنقل إنزيمات يوبيكويتين ليغاز اليوبيكويتين إلى البروتينات والكاسبازات المرتبطة به ، والتي تشارك في التحلل البروتيني في دورة موت الخلايا المبرمج. غالبًا ما تعمل الإنتينات بمساعدة سيستين محفز. تقتصر هذه الأدوار عادةً على البيئة داخل الخلوية، حيث تكون البيئة مختزلة، ولا يتأكسد السيستين إلى سيستين.

يُعتبر السيستين حمضًا أمينيًا "حديث الإضافة"، فهو الحمض الأميني السابع عشر المُدمج في الشفرة الوراثية . ^{[ 40 ] [ 41 ]} ومثل الأحماض الأمينية الأخرى التي أُضيفت لاحقًا ، مثل الميثيونين والتيروسين والتريبتوفان ، يُظهر السيستين خصائص نيوكليوفيلية قوية ونشاطًا في تفاعلات الأكسدة والاختزال. ^{[ 42 ] [ 43 ]} تُساهم هذه الخصائص في استنزاف السيستين من مُركبات سلسلة التنفس ، مثل المُركبين الأول والرابع ، ^{[ 44 ]} حيث يُمكن لأنواع الأكسجين التفاعلية ( ROS ) التي تُنتجها سلسلة التنفس أن تتفاعل مع بقايا السيستين في هذه المُركبات، مما يؤدي إلى خلل في وظائف البروتينات ، وربما يُساهم في الشيخوخة. الاستجابة الأساسية للبروتين لأنواع الأكسجين التفاعلية هي أكسدة السيستين وفقدان مجموعات الثيول الحرة، ^{[ 45 ]} مما ينتج عنه زيادة في جذور الثيول وما يرتبط بها من تشابك بروتيني. ^{[ 46 ] [ 47 ]} في المقابل، لا يُظهر حمض أميني آخر يحتوي على الكبريت ونشط في تفاعلات الأكسدة والاختزال، وهو الميثيونين، هذه الخصائص الكيميائية الحيوية، ويكون محتواه مرتفعًا نسبيًا في البروتينات المشفرة في الميتوكوندريا . ^{[ 48 ]}

يُعد السيستين، وخاصةً النظير الفراغي L ، مادةً أوليةً في صناعات الأغذية والأدوية والعناية الشخصية. ومن أبرز استخداماته إنتاج النكهات. فعلى سبيل المثال، ينتج عن تفاعل السيستين مع السكريات في تفاعل ميلارد نكهات اللحوم. ^{[ 49 ]} كما يُستخدم L- سيستين كمساعد في عمليات الخبز. ^{[ 50 ]}

في مجال العناية الشخصية، يُستخدم السيستين في تطبيقات التجعيد الدائم للشعر ، وخاصة في آسيا. ويُستخدم السيستين لكسر روابط ثاني كبريتيد في كيراتين الشعر .

يُعد السيستين هدفًا شائعًا جدًا لتجارب الوسم الموجه للموقع لدراسة بنية الجزيئات الحيوية وديناميكيتها. ترتبط مركبات المالييميد بشكل انتقائي بالسيستين باستخدام إضافة مايكل التساهمية . كما يُستخدم السيستين على نطاق واسع في الوسم الدوراني الموجه للموقع في الرنين المغناطيسي الإلكتروني أو الرنين المغناطيسي النووي المعزز بالاسترخاء البارامغناطيسي.

نظرًا لتعدد وظائفه، يخضع السيستين لتفاعلات متنوعة. وقد انصبّ اهتمام كبير على حماية مجموعة الثيول. ^{[ 58 ]} يؤدي مثيلة السيستين إلى تكوين S-ميثيل سيستين . ويؤدي معالجته بالفورمالديهايد إلى تكوين الثيازوليدين ثيوبيرولين . أما مع الفوسجين وعوامل الكربنة ذات الصلة، فيُعطي السيستين البروسيستين .

يشكل السيستين مجموعة متنوعة من المركبات التناسقية عند معالجته بأيونات المعادن. ^{[ 59 ]} ويُلاحظ هذا السلوك التناسقي في العديد من الإنزيمات المعدنية-السيستينية.

بالمقارنة مع معظم الأحماض الأمينية الأخرى، يعتبر السيستين أكثر سمية بكثير. ^{[ 60 ]}

في عام 1884، اكتشف الكيميائي الألماني يوجين باومان أن اختزال السيستين بالزنك ينتج مونومرًا أطلق عليه اسم "سيستين". ^{[ 61 ]} وقد شكّلت سهولة التحويل التأكسدي والاختزالي بين السيستين والسيستين "أحيرًا لعلماء كيمياء البروتينات أكثر من أي حمض أميني آخر". ^{[ 62 ]}

• الأحماض الأمينية
• استقلاب السيستين
• بيلة السيستين
• رد فعل سافيل
• تفاعل سوليفان

• ناغانو ن، أوتا م، نيشيكاوا ك (سبتمبر 1999). "الطبيعة الكارهة للماء القوية لبقايا السيستين في البروتينات" . رسائل FEBS . 458 (1): 69-71 . Bibcode : 1999FEBSL.458...69N . doi : 10.1016/S0014-5793(99) 01122-9 . PMID 10518936. S2CID 34980474 .  

• هولي (2005). مركز معلومات بيلة السيستين
• طيف الكتلة للسيستين
• المعهد الدولي لحصى الكلى ( مؤرشف بتاريخ 13 مايو 2019 في أرشيف الإنترنت )