Цистеин | Химия онлайн

Цистеин — условно заменимая алифатическая α-аминокислота.

Цистеин — серусодержащая аминокислота, так как для ее синтеза необходим атом серы, источником которого служит незаменимая аминокислота метионин.

Так же для синтеза цистеина в организме необходима еще одна аминокислота — серин (источник углеродного скелета), а также АТФ и витамин В₆.

Цистеин — 2-амино-3-меркаптопропановая кислота или α-амино-β-тиопропионовая кислота.

Цистеин (Цис, Cys, С) имеет химическую формулу HO₂CCH (NH₂) CH₂SH.

Цистеин впервые выделен в виде цистина К. Мернером в 1899 из рога.

Суточная потребность в цистеине составляет 2-3 грамма.

Физические свойства

Цистеин представляет собой бесцветные кристаллы, легко растворимые в воде. Температура плавления 178⁰С.

Пути метаболизма цистеина

Цистеин является чрезвычайно важной аминокислотой в связи с тем, что это единственный источник органической серы для клеток организма. В результате реакций метаболизма эта сера переходит в состав других серусодержащих веществ – фосфоаденозинфосфосерная кислота (ФАФС), коэнзим А, глутатион, сульфированные производные углеводов.

Биологическая роль

Цистеин  может находиться в составе белка в двух формах: либо в форме цистеина, либо в форме дипептида — цистина, который представляет собой комплекс из двух молекул цистеина, ковалентно связанных друг с другом при помощи дисульфидного мостика.

Благодаря этому свойству цистеин выполняет важную функцию по стабилизации структуры белковой молекулы.

Цистеин играет ключевую роль в формировании инсулина и иммуноглобулинов (антител).

Цистеин входит в состав белков и пептидов, играет важную роль в процессах формирования тканей кожи.

Цистеин обладает антиоксидантными свойствами.

Участвует в процессе биологической детоксикации при отравлении токсическими веществами (разлагает и удаляет токсины из организма).

Цистеин участвует в биосинтезе цистина, глутатиона, таурина и кофермента А.

Цистеин является предшественником глутатиона — вещества, оказывающего защитное действие на клетки печени и головного мозга от повреждения алкоголем, некоторыми лекарственными препаратами и токсическими веществами, содержащимися в сигаретном дыме.

Цистеин входит в состав альфа-кератина, основного белка ногтей, кожи и волос. Он способствует формированию коллагена и улучшает эластичность и текстуру кожи.

Цистеин способствует пищеварению, участвуя в процессах переаминирования.

Белки, содержащие цистеин, такие как металлотионеин, способны связывать такие металлы, как ртуть, свинец и кадмий.

Цистеин участвует в синтезе таурина в животных тканях. Таурин необходим для синтеза парных желчных кислот в печени. Кроме того, он очень важен в клетках как антиоксидант.

Цистеин участвует в обмене веществ хрусталика глаза. Изменения, происходящие при катаракте, связаны с нарушением содержания в хрусталике этой аминокислоты.

Характерная особенность цистеина – его способность подвергаться в составе молекулы белка самопроизвольному окислению с образованием остатков цистина.

Хотя цистеин классифицируется как заменимая аминокислота, в редких случаях он может быть жизненно важен для младенцев, пожилых людей и лиц с заболеванием, которое возникает вследствие нарушения пищеварительно-транспортной функции тонкой кишки, что приводит к метаболическим расстройствам.

В нормальных физиологических условиях, при наличии достаточного количества доступного метионина, цистеин может быть синтезирован в организме человека. Цистеин катаболизируется в желудочно-кишечном тракте и плазме крови.

Природные источники

Цистеин содержится в большинстве продуктов с высоким содержанием белка.

Животные источники: мясо (свинина, курица, индейка, утка), яйца, молоко, сывороточный протеин, рикотта, творог, йогурт.

Растительные источники: красный перец, чеснок, лук, брокколи, брюссельская капуста, овес, мюсли, зародыши пшеницы, проросшая чечевица, горох, соя, рис.

Области применения

Цистеин является исходным сырьем в пищевой, фармацевтической и медицинской промышленности.

Очень часто цистеин используется для создания запахов. Например, в результате взаимодействия цистеина с сахаром можно ощутить ярко выраженный запах мяса.

Цистеин также используется в качестве технологической добавки в кулинарии для выпечки. В качестве пищевой добавки цистеин обозначается как Е920.

Цистеин используется как средство для перманентной завивки волос, так как он способен разрушать дисульфидные связи кератина волос.

Цистеин растворяется лучше, чем цистин, и быстрее утилизируется в организме, поэтому его чаще используют в комплексном лечении различных заболеваний.

Цистеин необходим при ревматоидном артрите, заболеваниях артерий, раке.

Он ускоряет выздоровление после операций, ожогов, связывает тяжелые металлы и растворимое железо.

Цистеин ускоряет сжигание жиров и образование мышечной ткани.

Цистеин обладает способностью разрушать слизь в дыхательных путях, благодаря этому его часто применяют при бронхитах и эмфиземе легких. Он ускоряет процессы выздоровления при заболеваниях органов дыхания и играет важную роль в активизации лейкоцитов и лимфоцитов.

Цистеин помогает обезвреживать некоторые токсические вещества и защищает организм от повреждающего действия радиации.

Он представляет собой один из самых мощных антиоксидантов, при этом его антиоксидантное действие усиливается при одновременном приеме витамина С и селена.

Цистеин был предложен в качестве профилактического средства негативным эффектам алкоголя, в том числе повреждений печени и похмелья.

Он противодействует ядовитому воздействию ацетальдегида, основного побочного продукта метаболизма алкоголя и отвечает за большинство отрицательных последствий и долгосрочных повреждений, связанных с употреблением алкоголя (но не отменяет непосредственного эффекта опьянения).

В результате метаболизма цистеина ацетальдегид превращается в относительно безвредную уксусную кислоту.

Цистеин применяется для задержки развития катаракты и просветления хрусталика, при начальных формах возрастной, миопатической, лучевой и контузионной катаракты.

Отмечено сильное противовирусное, противоопухолевое (цитотоксическое) и противовоспалительное действие цистеина.

Цистеин помогает уменьшить отрицательные последствия химио- и лучевой терапии.

При цистинурии, редком генетическом состоянии, приводящем к образованию цистиновых камней, принимать цистеин нельзя.

Сахарный диабет также является противопоказанием для назначения цистеина.

Аминокислоты

Классификация аминокислот

Цистеин | Атлас аминокислот

Цистеин | Атлас аминокислот

Цистеин — это стандартная аминокислота, необходимая людям для нормального функционирования.
Она особенна тем, что содержит в своём составе функциональную тиольную (—SH) группу.

—SH-Группа особенна тем, что является хорошим нуклеофилом, поэтому может вступать в реакции
нуклеофильного присоединения или замещения. Остатки цистеина в белках имеют константу диссоциации
pK_a, близкую к нейтральной, поэтому часто они находятся в форме тиолат-иона: именно в такой форме
цистеин наиболее реакционно активен.

Существует ряд ферментов, принцип действия которых основан на нуклеофильной атаке цистеина. К ним
относится, например, убиквитинлигаза, которая ковалентно присоединяет убиквитин (прим.: Убиквитин —
это небольшой регуляторный белок, выполняющий ряд важных функций в клетках эукариот.) к белку-мишени
изопептидной связью. Также нуклеофилами благодаря цистеину являются белки-каспазы (cysteine-dependent
aspartate specific protease), которые играют важную роль в процессах апоптоза, некроптоза и проч.

Структурно цистеин
очень похож на серин, однако, в отличие от серина, цистеин склонен участвовать в окислительно-
восстановительных реакциях: так, окисление цистеина приводит к возникновению связи между двумя
атомами серы из двух разных остатков этой аминокислоты.

Такие ковалентные связи между двумя атомами серы часто назыают «дисульфидными мостиками». Они играют
важную роль при фолдинге белков и поддержинии их устойчивости. Например, в белках, которые выделяются
во внеклеточную среду, число SS-мостиков избыточно, чтобы увеличить стабильность молекулы
в суровых условиях, а также усилить протеолитическую сопротивляемость. В белках же, которые используются
внутри клетки, дисульфидные мостики играют роль в поддержании третичной структуры белка. Так, в инсулине
две отдельные полипептидные цепи «сшиты» парой дисульфидных связей.

Цистеин может проявлять себя в различных ДНК-белковых взаимодействиях, входя в состав различных белковых структур, таких как,
например, цинковые пальцы. Цинковый палец — небольшой белковый мотив, стабилизированный одним или двумя ионами цинка, связанными
координационными связями с аминокислотными остатками белка. Как правило, цинковый палец включает около 20 аминокислот, а сам ион
цинка связывает 2 гистидина и 2 цистеина. Цинковые пальцы являются белковыми модулями, взаимодействующими с ДНК, РНК, другими
белками или небольшими молекулами. Основными группами белков с цинковыми пальцами являются ДНК-связывающие факторы транскрипции, а
также искусственные ферменты рестрикции, получаемые слиянием ДНК-связывающего домена цинкового пальца с ДНК-разрезающим доменом.
Домен цинкового пальца может быть спроектирован так, чтобы узнавать желаемую последовательность ДНК и связываться с ней.

Важную роль цистеин играет в молекуле рецептора витамина D. Молекула РВД состоит из трех функциональных доменов. Первый из них,
С1, — гидрофильный домен, эволюционно наиболее консервативен и имеет большое сходство с ядерными рецепторами. Он расположенный на
N-конце РВД, содержит 70 аминокислот и богат цистеином, лизином и аргинином. В функционально активной молекуле РВД первые 8
цистеинов связаны с двумя атомами цинка и образуют структуру цинковых пальцев, которая, взаимодействуя с ДНК, может регулировать
работу многих генов мишеней. Мутации, приводящие к замене любого из этих цистеинов, блокируют связывание РВД со специфической
последовательностью ДНК, прерывая, таким образом, РВД-зависимую активацию генов-мишеней. Известно, что такие мутации чаще всего
несовместимы с жизнью или могут приводить к редкому моногенному заболеванию — витамин-D-резистентному рахиту.

Источники

1. Википедия: Цистеин
2. New World Encyclopedia: Cysteine
3. Генетический паспорт — осонова индивидуальной
   и предиктивной медицины. /Под редакцией В. С. Баранова. — СПб.: Изд-во Н-Л, 2009.-528 c.:ил.
4. Википедия: Цинковый палец

Цистеин химические свойства — Справочник химика 21

    Конкретная конфигурация (вторичная, третичная и четвертичная структуры) любого белка полностью определяется первичной структурой входящих в его состав полипептидных цепей и зависит от химических свойств боковых групп аминокислотных остатков. Так, при укладке полипептидной цепи неполярные гидрофобные) боковые группы склонны ориентироваться во внутреннюю область белка, в то время как полярные (гидрофильные) группы стремятся быть экспонированными на поверхности белковой глобулы. Пространственная структура белка стабилизируется за счет химических взаимодействий, в том числе гидрофобных контактов, водородных связей и дисульфидных мостиков (—8—8—). Последние, как правило, образуются, когда в процессе укладки цепи боковые группы остатков цистеина оказываются достаточно сближенными (рис. 10.19). [c.26]









    Первичная структура белков. На рис. 2-1, В показано, что три аминокислоты (аланин — Ала, аспарагиновая кислота — Асп и лейцин — Лей) соединены в следующем порядке — Aлa-A п-Лeй, образуя полипептид. Однако те же самые аминокислоты могут быть соединены шестью различными способами Ала-Асп-Лей, Ала-Лей-Асп, Асп-Ала-Лей, Асп-Лей-Ала, Лей-Ала-Асп, Лей-Асп-Ала. Хотя каждый из трипептидов построен из одних и тех же субъединиц, физические и химические свойства их несколько отличаются, т. е. они представляют собой шесть разных химических соединений. Из четырех разных аминокислот (папример, из трех прежних плюс валин) можно было бы получить 24 тетрапептида. В молекуле белка аминокислоты могут располагаться в любом порядке, причем каждая аминокислота может неоднократно повторяться в цепи. Исходя из этого, легко представить себе, что, хотя во всех белках используются одни и те же субъединицы, число их сочетаний астрономически велико другими словами, возможно создание невероятно большого числа белков, причем каждый будет иметь свойства, хоть немного отличающиеся от свойств других белков. Для многих белков уже известна полная последовательность аминокислот. Аминокислотная последовательность одного из таких белков — гормона инсулина — показана на рис. 2-2. Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей, одна из которых содержит 30 аминокислот, другая — 21. Обе цепи соединены дисуль-фидными связями. Дисульфидные связи образуются благодаря тому, что в состав аминокислоты цистеина (Цис) входит атом серы и две молекулы цистеина связываются двумя атомами серы (рис. 2-2). [c.20]

    Аминокислоты вступают во многие химические реакции благодаря наличию в их молекулах нескольких реакционноспособных групп. Алифатические моноаминомонокарбоновые кислоты проявляют химические свойства, типичные для карбоксильной группы и аминогруппы. Другие аминокислоты, кроме того, вступают в реакции, в которых принимают участие функциональные группы их боковых цепей. Например, цистеин вступает в реакции, характерные для сульфгидрильной группы (—SH), тирозин — в реакции фенольной группы и т. д. Такие же реакции характерны для белков, содержащих соответствующие R-группы. [c.118]

    Созревание теста и развитие у него вязкоэластических свойств принято объяснять образованием белками клейковины пространственной сетки путем сшивания белковых молекул, присутствующих в отдельных частицах муки. Эти молекулы находятся в исходной муке в форме плотно свернутых клубков и удерживаются в такой конфигурации физическими силами, в частности внутримолекулярными ковалентными дисульфидными мостиками между остатками цистеина. Перемешивание теста сопровождается разрывом некоторых сравнительно слабых когезионных связей (таких, как водородные связи), что делает возможным гидратацию, набухание и развертывание молекул белков в солевом растворе теста. Это влечет за собой ряд внутри- и межмолекулярных химических реакций белков и заканчивается образованием устойчивой трехмерной структуры созревшего теста. Согласно общепринятому представлению, важнейшими из этих реакций, по-видимому, являются реакции тиол-дисульфидного и дисульфид-дисульфидного обмена. [c.605]

    Все ферменты являются белками. Белки представляют собой линейные полимеры, точнее, сополимеры, построенные из связанных между собой остатков аминокислот. В состав большинства белков входят 20 важнейших аминокислот — глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, серин, треонин, лизин, аргинин, гистидин, фенилаланин, тирозин, триптофан, цистеин, цистин, метионин, пролин и оксипролин их химические формулы и обозначения приведены в таблице на стр. 5. Молекула каждой аминокислоты (1) достаточно проста и обязательно содержит две реакционноспособные группировки — одну, обладающую основными свойствами (аминогруппа HgN—) и другую, имеющую кислотные, свойства (карбоксильная группа — СООН), f. f.  [c.39]

    Наличие поперечных химических связей в белках сообщает им специфические свойства, такие, как нерастворимость, меньшая способность к набуханию под действием полярных растворителей и повышенная прочность в мокром состоянии. В небольших молекулах таких биологически активных белков, как инсулин и рибонуклеаза, поперечные дисульфидные мостики оказываются необходимыми для проявления этими белками биологической активности. При этом дисульфидные поперечные связи не участвуют непосредственно в биохимических процессах, а функции их заключаются в сохранении в неизменном состоянии такой конформации молекул белка, которая необходима для проявления биологической активности. Модификация дисульфидных поперечных связей шерсти, а также введение в нее новых поперечных связей часто придают новые интересные свойства этому белку. Такими свойствами могут быть повышение прочности на разрыв, уменьшение способности к свой-лачиванию, увеличение устойчивости к агрессивным химическим реагентам (щелочи, кислоты, окислители или восстановители), повышение устойчивости к моли и износостойкости, а также повышение прочности окрашивания. Было показано, что дубление коллагена, необходимое для превращения сырья в технический продукт, также является процессом образования поперечных связей. Поскольку коллаген не содержит цистеина или цистина, в сшивании, протекающем при дублении, участвуют, по-видимому, другие группы, возможно аминные и гидроксильные. В настоящем разделе будут рассмотрены в первую очередь поперечные химические связи упоминавшихся выше классов белков. Шерсть — типичный кератин, являющийся одним из наиболее детально изученных в этом плане белков, дает интересные и наглядные примеры образования, расщепления и поведения как дисульфидных, так и вводимых искусственно поперечных химических связей другого типа. [c.395]

    Аскорбиновая кислота содержит два асимметричных атома углерода в 4-м и 5-м положениях, что позволяет образовать четыре оптических изомера. Природные изомеры, обладающие витаминной активностью, относятся к Ь-ряду. Аскорбиновая кислота хорошо растворима в воде, хуже—в этаноле и почти нерастворима в других органических растворителях. Из представленных структурных формул видно, что наиболее важным химическим свойством аскорбиновой кислоты является ее способность обратимо окисляться в дегидроаскорбиновую кислоту, образуя окислительно-восстановительную систему, связанную с отщеплением и присоединением электронов и протонов. Окисление может быть вызвано различными факторами, в частности кислородом воздуха, метиленовым синим, перекисью водорода и др. Этот процесс, как правило, не сопровождается снижением витаминной активности. Дегидроаскорбиновая кислота легко восстанавливается цистеином, глутатионом, сероводородом. В слабощелочной (и даже в нейтральной) среде происходит гидролиз лактонового кольца, и эта кислота превращается в дикетогулоновую кислоту, лишенную биологической активности. Поэтому при кулинарной обработке пищи в присутствии окислителей часть витамина С разрушается. Аскорбиновая кислота оказалась необходимым пищевым фактором для человека, обезьян, морских свинок и некоторых птиц и рыб. Все другие животные не нуждаются в пищевом витамине С, поскольку он легко синтезируется в печени из глюкозы. Как оказалось, ткани витамин-С-чувствительных животных и человека лишены одного-единственного фер- [c.238]

    Серусодержащие аминокислотные остатки имеют важное значение в связи с особыми химическими свойствами серы. Высокая поляризуемость атома серы делает серусодержащие группировки особенно эффективными в реакциях нуклеофильного замещения (в качестве как замещаемых, так и замещающих группировок). Тиоловая группа цистеина является отличным нуклеофильным агентом. Даже тиоэфирная группа метионина обладает нуклеофильными свойствами, о чем свидетельствует ее способность к образованию сульфониевых производных типа 8-аденозилметионина. Цистеин легко окисляется в цистин, и эта реакция в белках служит единственным способом образования истинно ковалентной связи между разными полипептидными цепями или между остатками одной цепи. Такие дисульфидные связи при некоторых условиях могут вступать в обменные реакции, в результате которых происходит обмен радикалов, соединенных с атомами серы  [c.23]

    Так как при действии иодистого метила на 5-аденозил-Ь-гомо-цистеин вводится новый асимметрический центр, образуется смесь двух сульфониевых диастереомеров, т. е. (+)-5-аденозил-Ь-метио-нины. В результате расщепления смеси ферментативным путем был получен (-г)-З-аденозил-Ь-метионин. В изученных ферментных системах он оказался совершенно неактивным, но по своим химическим свойствам (за исключением оптического вращения) был идентичен активному метионину , (—)-5-аденозил-Ь-метионину, синтезированному ферментативным путем [232]. [c.68]

    Химические свойства шерсти обусловлены химической структурой кератина и наличием в нем групп, способных взаимодействовать друг с другом (остатков цистина и цистеина), солевыми связями между остатками глутаминовой и аспарагиновой кислот и свободными аминогруппами и, наконец, водородными связями. Кератин шерсти, таким образом, химически представляет собой полиэлектролит. Шерстяное волокно состоит в основном из трех слоевг [c.26]

    Препараты окситоцина и питрессина содержат соответственно 3,06 и 3,10% серы и 14,3 и 10,5% тирозина [58]. Следует напомнить, что высокое содержание серы и тирозина характерно также и для препаратов инсулина. Гормоны задней доли гипофиза во многом напоминают инсулин и по физико-химическим свойствам. Они также расщепляются протеолитическими ферментами на аминокислоты [59] и инактивируются восстановителями, например цистеином [60]. Однако в отличие от инсулина они реактиви- [c.318]

    Углеводороды алканы, алкены, алкины, диеновые углеводороды, ароматические углеводороды (физические и химические свойства, способы получения). Представление о строении циклоалканов. Кислородсодержащие соединения спирты одноатомные и многоатомные, фенол, альдегиды, карбоновые кислоты, сложные эфиры (физические и химические свойства, способы получения и области применения, медико-биологическое значение). Азотсодержащие соединения амины алифатические и ароматические, аминокислоты (физические и химические свойства, способы получения, медико-биологическое значение). Строение отдельных представителей аминокислот глицина, аланина, цистеина, серина, глутаминовой кислоты, лизина, фенилаланина и тирозина. Строение и химические свойства гетероциклических соединений (пиридин, пиррол, пиримидин, пурин). Строение пиримидиновых и пуриновых оснований цитозина, урацила, тимина, аденина, гуанина. [c.758]

    По своим химическим свойствам почти половина белковых заместителей относится к неполярным с относительно небольшими углеводородными остатками. Полярные заместители R обладают различными свойствами. Четыре из них (Asp, Glu, Туг и ysSH) содержат кислотные группы, три (His, Lys, Arg) представляют собой остатки оснований, а две (Asp (NHa) Glu (Nh3) — амидные группы. Кислотная группа SH принимает участие в биохимических реакциях, но структурная ее роль другая цистеин легко окисляется кислородом воздуха с образованием цистиновых дисульфидных связей —S—S— между двумя остатками цистеина, которые имеют большое значение в формировании необходимой пространственной структуры белковой молекулы. В отличие от других аминокислот соответствующие заместители пролина и оксипролина присоединяются к полипептидной цепи в двух точках, что приводит к резкому изменению конформации цепи в этих местах, а также влияет на пространственное расположение полипептидной цепи. [c.83]

    Превращение двух сульфгидрильных, или тиольных, групп в дисульфидную представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, чувствительную к присутствию в растворе акцептора (донора) электронов. Для кинетического изучения денатурации особенно важно то обстоятельство, что взаимодействия остатков ys в белковой молекуле определяются не столько различиями в химических свойствах их сульфгидрильных групп (они, как правило, незначительны), сколько стереохимическими факторами и конформационными возможностями полипептидной цепи. Скорость образования S-S-связи между любой парой остатков цистеина зависит исключительно от их взаимного расположения в пространстве и, следовательно, может являться количественной характеристикой вероятности соответствующих конформационных переходов. Идентификация дисульфидной связи ведет к обнаружению конформации, обеспечивающей ее образование. Термодинамическое условие состоит в том, что конформационное состояние белковой цепи, стабилизирующее данную дисульфидную связь, должно в той же степени быть стабилизировано наличием этой связи. Следовательно, конформационная основа механизма свертывания проявится благодаря конформациям промежуточных состояний, [c.359]

    Для однозначной идентификации положения дисульфидных связей важно, чтобы каждый из цистинсодержащих пептидов включал только один дисульфидный мостик. Предварительно необходимо установить число и положение в полипептидной цепи остатков цистеина поэтому к анализу приступают лишь после определения полной аминокислотной последовательности полипептидной цепи или цепей исследуемого белка. Число дисульфидных связей можно определить с помощью различных методов. Для этого наряду с установлением первичной структуры проводят исследование физико-химических свойств белка. Данные относительно внутри- и межцепочечных дисульфидных [c.166]

    Как было показагю впервые И. П. Павловым и его школой, ряд ферментов пищеварительных соков выделяется также в неактивной или малоактивной форме. На основании этих работ возникло представление о неактивной форме ферментов. Неактивная форма ферментов носит название профермента, или 3 и м о г е н а. Механизм превращения проферментов в активные ферменты может быть различным. Во многих случаях он сводится к разрушению присутствующего в проферменте парализатора, препятствующего проявлению действия фермента. По-видимому, именно таков механизм активирования профермента поджелудочной железы — трипсиногена — ферментом кишечного сока — энтерокиназой (стр. 314). К чему сводится активирующее действие ряда простых химических соединений — сказать часто трудно. Как бы то ни было, с этим действием необходимо считаться. Активность слюнной амилазы (фермента, осахаривающего крахмал) сильно повышается, например, в присутствии хлористого натрия. Соляная кислота активирует действие пепсина (фермента желудочного сока) и тем стимулирует автокаталитическое превращение профермента пепсиногена в пепсин. Липаза (фермент, расщепляющий жиры) активируется желчными кислотами, входящими в состав желчи, и т. д. Тканевые протеазы катепсины, растительная протеаза папаин, фермент аргиназа и некоторые другие сильно активируются так называемыми сульфгидрильными соединениями, содержащими SH-rpynny (цистеин, глютатион, сероводород), а также аскорбиновой кислотой. Все эти соединения обладают выраженными восстанавливающими свойствами. Таким образом, можно думать, что некоторые ферменты обнаруживают максимальную активность в восстановленной форме. [c.119]

Серил-цистеин, структурная формула, химические свойства, получение

1

H

1,008

1s¹

2,2

Бесцветный газ

t°_пл=-259°C

t°_кип=-253°C

2

He

4,0026

1s²

Бесцветный газ

t°_кип=-269°C

3

Li

6,941

2s¹

0,99

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=180°C

t°_кип=1317°C

4

Be

9,0122

2s²

1,57

Светло-серый металл

t°_пл=1278°C

t°_кип=2970°C

5

B

10,811

2s² 2p¹

2,04

Темно-коричневое аморфное вещество

t°_пл=2300°C

t°_кип=2550°C

6

C

12,011

2s² 2p²

2,55

Прозрачный (алмаз) / черный (графит) минерал

t°_пл=3550°C

t°_кип=4830°C

7

N

14,007

2s² 2p³

3,04

Бесцветный газ

t°_пл=-210°C

t°_кип=-196°C

8

O

15,999

2s² 2p⁴

3,44

Бесцветный газ

t°_пл=-218°C

t°_кип=-183°C

9

F

18,998

2s² 2p⁵

4,0

Бледно-желтый газ

t°_пл=-220°C

t°_кип=-188°C

10

Ne

20,180

2s² 2p⁶

Бесцветный газ

t°_пл=-249°C

t°_кип=-246°C

11

Na

22,990

3s¹

0,93

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=98°C

t°_кип=892°C

12

Mg

24,305

3s²

1,31

Серебристо-белый металл

t°_пл=649°C

t°_кип=1107°C

13

Al

26,982

3s² 3p¹

1,61

Серебристо-белый металл

t°_пл=660°C

t°_кип=2467°C

14

Si

28,086

3s² 3p²

1,9

Коричневый порошок / минерал

t°_пл=1410°C

t°_кип=2355°C

15

P

30,974

3s² 3p³

2,2

Белый минерал / красный порошок

t°_пл=44°C

t°_кип=280°C

16

S

32,065

3s² 3p⁴

2,58

Светло-желтый порошок

t°_пл=113°C

t°_кип=445°C

17

Cl

35,453

3s² 3p⁵

3,16

Желтовато-зеленый газ

t°_пл=-101°C

t°_кип=-35°C

18

Ar

39,948

3s² 3p⁶

Бесцветный газ

t°_пл=-189°C

t°_кип=-186°C

19

K

39,098

4s¹

0,82

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=64°C

t°_кип=774°C

20

Ca

40,078

4s²

1,0

Серебристо-белый металл

t°_пл=839°C

t°_кип=1487°C

21

Sc

44,956

3d¹ 4s²

1,36

Серебристый металл с желтым отливом

t°_пл=1539°C

t°_кип=2832°C

22

Ti

47,867

3d² 4s²

1,54

Серебристо-белый металл

t°_пл=1660°C

t°_кип=3260°C

23

V

50,942

3d³ 4s²

1,63

Серебристо-белый металл

t°_пл=1890°C

t°_кип=3380°C

24

Cr

51,996

3d⁵ 4s¹

1,66

Голубовато-белый металл

t°_пл=1857°C

t°_кип=2482°C

25

Mn

54,938

3d⁵ 4s²

1,55

Хрупкий серебристо-белый металл

t°_пл=1244°C

t°_кип=2097°C

26

Fe

55,845

3d⁶ 4s²

1,83

Серебристо-белый металл

t°_пл=1535°C

t°_кип=2750°C

27

Co

58,933

3d⁷ 4s²

1,88

Серебристо-белый металл

t°_пл=1495°C

t°_кип=2870°C

28

Ni

58,693

3d⁸ 4s²

1,91

Серебристо-белый металл

t°_пл=1453°C

t°_кип=2732°C

29

Cu

63,546

3d¹⁰ 4s¹

1,9

Золотисто-розовый металл

t°_пл=1084°C

t°_кип=2595°C

30

Zn

65,409

3d¹⁰ 4s²

1,65

Голубовато-белый металл

t°_пл=420°C

t°_кип=907°C

31

Ga

69,723

4s² 4p¹

1,81

Белый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=30°C

t°_кип=2403°C

32

Ge

72,64

4s² 4p²

2,0

Светло-серый полуметалл

t°_пл=937°C

t°_кип=2830°C

33

As

74,922

4s² 4p³

2,18

Зеленоватый полуметалл

t°_субл=613°C

(сублимация)

34

Se

78,96

4s² 4p⁴

2,55

Хрупкий черный минерал

t°_пл=217°C

t°_кип=685°C

35

Br

79,904

4s² 4p⁵

2,96

Красно-бурая едкая жидкость

t°_пл=-7°C

t°_кип=59°C

36

Kr

83,798

4s² 4p⁶

3,0

Бесцветный газ

t°_пл=-157°C

t°_кип=-152°C

37

Rb

85,468

5s¹

0,82

Серебристо-белый металл

t°_пл=39°C

t°_кип=688°C

38

Sr

87,62

5s²

0,95

Серебристо-белый металл

t°_пл=769°C

t°_кип=1384°C

39

Y

88,906

4d¹ 5s²

1,22

Серебристо-белый металл

t°_пл=1523°C

t°_кип=3337°C

40

Zr

91,224

4d² 5s²

1,33

Серебристо-белый металл

t°_пл=1852°C

t°_кип=4377°C

41

Nb

92,906

4d⁴ 5s¹

1,6

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2468°C

t°_кип=4927°C

42

Mo

95,94

4d⁵ 5s¹

2,16

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2617°C

t°_кип=5560°C

43

Tc

98,906

4d⁶ 5s¹

1,9

Синтетический радиоактивный металл

t°_пл=2172°C

t°_кип=5030°C

44

Ru

101,07

4d⁷ 5s¹

2,2

Серебристо-белый металл

t°_пл=2310°C

t°_кип=3900°C

45

Rh

102,91

4d⁸ 5s¹

2,28

Серебристо-белый металл

t°_пл=1966°C

t°_кип=3727°C

46

Pd

106,42

4d¹⁰

2,2

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1552°C

t°_кип=3140°C

47

Ag

107,87

4d¹⁰ 5s¹

1,93

Серебристо-белый металл

t°_пл=962°C

t°_кип=2212°C

48

Cd

112,41

4d¹⁰ 5s²

1,69

Серебристо-серый металл

t°_пл=321°C

t°_кип=765°C

49

In

114,82

5s² 5p¹

1,78

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=156°C

t°_кип=2080°C

50

Sn

118,71

5s² 5p²

1,96

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=232°C

t°_кип=2270°C

51

Sb

121,76

5s² 5p³

2,05

Серебристо-белый полуметалл

t°_пл=631°C

t°_кип=1750°C

52

Te

127,60

5s² 5p⁴

2,1

Серебристый блестящий полуметалл

t°_пл=450°C

t°_кип=990°C

53

I

126,90

5s² 5p⁵

2,66

Черно-серые кристаллы

t°_пл=114°C

t°_кип=184°C

54

Xe

131,29

5s² 5p⁶

2,6

Бесцветный газ

t°_пл=-112°C

t°_кип=-107°C

55

Cs

132,91

6s¹

0,79

Мягкий серебристо-желтый металл

t°_пл=28°C

t°_кип=690°C

56

Ba

137,33

6s²

0,89

Серебристо-белый металл

t°_пл=725°C

t°_кип=1640°C

57

La

138,91

5d¹ 6s²

1,1

Серебристый металл

t°_пл=920°C

t°_кип=3454°C

58

Ce

140,12

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=798°C

t°_кип=3257°C

59

Pr

140,91

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=931°C

t°_кип=3212°C

60

Nd

144,24

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1010°C

t°_кип=3127°C

61

Pm

146,92

f-элемент

Светло-серый радиоактивный металл

t°_пл=1080°C

t°_кип=2730°C

62

Sm

150,36

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1072°C

t°_кип=1778°C

63

Eu

151,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=822°C

t°_кип=1597°C

64

Gd

157,25

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1311°C

t°_кип=3233°C

65

Tb

158,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1360°C

t°_кип=3041°C

66

Dy

162,50

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1409°C

t°_кип=2335°C

67

Ho

164,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1470°C

t°_кип=2720°C

68

Er

167,26

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1522°C

t°_кип=2510°C

69

Tm

168,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1545°C

t°_кип=1727°C

70

Yb

173,04

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=824°C

t°_кип=1193°C

71

Lu

174,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1656°C

t°_кип=3315°C

72

Hf

178,49

5d² 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2150°C

t°_кип=5400°C

73

Ta

180,95

5d³ 6s²

Серый металл

t°_пл=2996°C

t°_кип=5425°C

74

W

183,84

5d⁴ 6s²

2,36

Серый металл

t°_пл=3407°C

t°_кип=5927°C

75

Re

186,21

5d⁵ 6s²

Серебристо-белый металл

t°_пл=3180°C

t°_кип=5873°C

76

Os

190,23

5d⁶ 6s²

Серебристый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=3045°C

t°_кип=5027°C

77

Ir

192,22

5d⁷ 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2410°C

t°_кип=4130°C

78

Pt

195,08

5d⁹ 6s¹

2,28

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1772°C

t°_кип=3827°C

79

Au

196,97

5d¹⁰ 6s¹

2,54

Мягкий блестящий желтый металл

t°_пл=1064°C

t°_кип=2940°C

80

Hg

200,59

5d¹⁰ 6s²

2,0

Жидкий серебристо-белый металл

t°_пл=-39°C

t°_кип=357°C

81

Tl

204,38

6s² 6p¹

Серебристый металл

t°_пл=304°C

t°_кип=1457°C

82

Pb

207,2

6s² 6p²

2,33

Серый металл с синеватым оттенком

t°_пл=328°C

t°_кип=1740°C

83

Bi

208,98

6s² 6p³

Блестящий серебристый металл

t°_пл=271°C

t°_кип=1560°C

84

Po

208,98

6s² 6p⁴

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=254°C

t°_кип=962°C

85

At

209,98

6s² 6p⁵

2,2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=302°C

t°_кип=337°C

86

Rn

222,02

6s² 6p⁶

2,2

Радиоактивный газ

t°_пл=-71°C

t°_кип=-62°C

87

Fr

223,02

7s¹

0,7

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=27°C

t°_кип=677°C

88

Ra

226,03

7s²

0,9

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=700°C

t°_кип=1140°C

89

Ac

227,03

6d¹ 7s²

1,1

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=1047°C

t°_кип=3197°C

90

Th

232,04

f-элемент

Серый мягкий металл

91

Pa

231,04

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

92

U

238,03

f-элемент

1,38

Серебристо-белый металл

t°_пл=1132°C

t°_кип=3818°C

93

Np

237,05

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

94

Pu

244,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

95

Am

243,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

96

Cm

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

97

Bk

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

98

Cf

251,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

99

Es

252,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

100

Fm

257,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

101

Md

258,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

102

No

259,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

103

Lr

266

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

104

Rf

267

6d² 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

105

Db

268

6d³ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

106

Sg

269

6d⁴ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

107

Bh

270

6d⁵ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

108

Hs

277

6d⁶ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

109

Mt

278

6d⁷ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

110

Ds

281

6d⁹ 7s¹

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

Металлы

Неметаллы

Щелочные

Щелоч-зем

Благородные

Галогены

Халькогены

Полуметаллы

s-элементы

p-элементы

d-элементы

f-элементы

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.

Метионин. Свойства, особенности, сфера применения

Метионин 

CAS номер: 59-51-8
Брутто формула: C5h21NO2S
Внешний вид: порошок белого цвета со специфическим запахом
Химическое название и синонимы: DL-Methionine, DL-2-Amino-4-(methylthio)butyric acid; Acimetion
Физико-химические свойства:
Молекулярная масса: 149.21 г/моль
Плотность 1,34
Температура плавления 270-273 ° С
Температура кипения 186 ° C
рН 5,0-6,5 при 140 г / л при 25 ° C (77 ° F)
Растворимость в воде 2,9 г / 100 мл (20 ºC)

Описание:

Метионин является незаменимой аминокислотой, содержащей в своем составе атом серы. Является прекурсором цистеина (образуется из серина с участием метионина как серосодержащая аминокислота) и таурина (образуется из цистеина). Одно из наиболее важных превращений метионина — преобразование в S-аденозилметионин или «SAM». SAM участвует во многих разнообразных химических реакциях, перенося часть себя на другие молекулы, включая ДНК и белки. SAM также используется в производстве креатина — важной молекулы для клеточной энергии. Так как метионин в ряде биохимических реакций метаболизируется до большого спектра различных веществ, то тем самым прямо или косвенно он участвует во многих важных процессах, протекающих в организме. Кроме того, метионин играет важную роль в синтезе других белков, таких как карнитин или мелатонин.

Метионин в крови позволяет сократить уровень гистамина, что в свою очередь уменьшает аллергические реакции организма. Обладает антиоксидантными и детоксицирующими свойствами, связываясь со свободными радикалами и токсинами. Метионин также обладает жирорастворимым эффектом и уменьшает осаждение жира в печени. Свойство метионина подкислять мочу позволяет использовать его при болезнях мочевыводящих путей и при образовании камней в почках.

Метионин является важным хрящеобразующим веществом. Для хряща в суставах требуется сера. Если в организме недостаточно серы, это может иметь негативные последствия для здорового человека в долгосрочной перспективе. Например, у людей, страдающих артритом, процесс заживления поврежденной ткани может быть длительным, если в начале болезни наблюдался дефицит серы.

Метионин не синтезируется организмом и должен поступать внутрь с пищей. Источниками метионина служат мясо животных (говядина, курица и др), молочные продукты (йогурт,сыр и др), орехи (высокое содержание в бразильском орехе), яйца, бобовые, семена кунжута, тыквы, подсолнечника и др.

Применение:

Перорально метионин используется для предотвращения повреждения печени при отравлении ацетаминофеном и для тестирования людей на гипергомоцистеинемию. Он также применяется перорально для понижения pH мочи, лечения заболеваний печени, вирусных инфекций, включая вирус папилломы человека, вирус простого герпеса и опоясывающий лишай, снижения риска колоректального рака и / или рака молочной железы, уменьшения боли, вторичной по отношению к панкреатиту. Метионин используют перорально при врожденных дефектах нервной трубки, депрессии, алкоголизме, аллергии, астме, токсичности меди, побочных эффектах радиации, шизофрении, отмене лекарств, постменопаузальных состояниях, включая приливы, и болезни Паркинсона.

Метионин является БАДом для обогащения пищи людей, одним из важных компонентов в спортивном питании.

Получение:

Чистый способ получения D, L-метионина, включает следующие стадии: приготовление раствора цианида калия с использованием кристаллизованного маточного раствора, содержащего карбонат калия в качестве поглощающей синильную кислоту жидкости, затем взаимодействие раствора цианида калия с 3 -метилтиопропиональдегидом и раствора бикарбоната аммония при 50-150 ° С в течение 3-15 минут для получения раствора 5- (β-метилтиоэтил) гликолюрей, доведение раствора 5- (β-метилтиоэтил) гликолюрей до температуры 140-220 ° С и получение реакции омыления в течение 2-5 минут, после завершения омыления снижение температуры до 0-40 ° С, экстракция органическим растворителем, нейтрализация водной фазы с помощью СО 2 , кристаллизация, затем фильтрация, промывка и сушка с получением приемлемого продукта D, L-метионина; доведение кристаллизованного маточного раствора D, L-метионина от фильтрации до температуры 110-160 ° С для удаления СО2, который затем циркулируют и используют в качестве жидкости, поглощающей синильную кислоту. Технологический процесс настоящего изобретения представляет собой путь, подходящий для непрерывного и чистого производства, по существу, без производства сточных вод и отработанного газа.

Используется метионин и в ветеринарии. Его иногда применяют как ингредиент корма для собак. Метионин может помочь снизить шансы возникновения камней у собак. Он разрешен в качестве дополнения к органическому корму для сельскохозяйственной птицы.

Метионин можно использовать как нетоксичный вариант пестицида против гигантских гусениц-ласточек, которые являются серьезным вредителем апельсиновых культур.

Действие на организм:

Механизм возможной антигепатотоксической активности L-метионина не совсем ясен. Считается, что метаболизм высоких доз ацетаминофена в печени приводит к снижению уровня глутатиона и усилению окислительного стресса. L-метионин является предшественником L-цистеина. Сам L-цистеин может обладать антиоксидантной активностью. L-цистеин также является предшественником антиоксиданта глютатиона. Антиоксидантная активность L-метионина и метаболитов L-метионина, по-видимому, объясняет его возможную антигепатотоксическую активность. Недавние исследования показывают, что сам метионин обладает активностью удалять свободные радикалы благодаря сере, а также своей хелатирующей способности.

При метаболизме метионин входит в метиониновый цикл и превращается в S-аденозилметионин (SAMe). После пожертвования метильной группы SAMe гидролизуется до гомоцистеина, а затем либо переметилируется до метионина, либо пересыщается, что приводит к образованию цистеина, таурина и глутатиона. Как антиоксидант глутатион предотвращает повреждение печени свободными радикалами, а таурин играет роль в конъюгации желчных кислот. Считается, что неспособность поддерживать гомеостаз цикла метионина приводит к повреждению печени. У пациентов с алкогольным заболеванием печени часто наблюдается гиперметионинемия, которая, как полагают, обусловлена ​​снижением метаболизма метионина до SAMe. При низком уровне глутатиона в печени повышен риск повреждения свободными радикалами.

Токсичные уровни метионина могут быть скорректированы с помощью глицина. Глицин, по-видимому, усиливает разложение метионина путем транссульфурации, действуя в качестве рецептора для метильных групп. Избыток метионина конкурирует за глицин и ограничивает доступность глицина для других метаболических взаимодействий, таких как синтез глутатиона. При отравлении ацетаминофеном метионин, по-видимому, предотвращает повреждение печени и некроз, стимулируя синтез глутатиона. Токсичный метаболит ацетаминофена (N-ацетил-п-бензхинонимин) будет связываться с глутатионом вместо клеток печени.

Диетический метионин обычно не влияет на уровень гомоцистеина. Уровни могут повышаться и, возможно, вызывать гипергомоцистеинемию, если ферменты, используемые для метаболизма гомоцистеина, имеют дефекты и / или существует дефицит фолиевой кислоты, витаминов B6 или B12. Гипергомоцистеинемия может вызвать повреждение эндотелия и повысить риск развития сосудистых заболеваний. Гипергомоцистеинемия, которая не отвечает на витаминные добавки, иногда реагирует на диетическое ограничение метионина.

Метионин предотвращает побочные эффекты, вызванные длительным воздействием закиси азота. Токсичность закиси азота напоминает дефицит кобаламина. Предварительные данные свидетельствуют о том, что закись азота может избирательно нарушать функцию кобаламин-зависимой метионинсинтазы. Введение метионина до операции может предотвратить инактивацию метионинсинтазы и предотвратить инактивацию кобаламина у пациентов, подвергающихся наркозу закисью азота.

Известно, что многие аминокислоты стимулируют гормон роста. Существуют предварительные доказательства того, что метионин также усиливает секрецию базального гормона роста.

Метионин может действовать синергически с фолатом, снижая риск рака толстой кишки. Однако есть также свидетельства того, что высокое потребление метионина с солью и нитратами в рационе может увеличить риск рака желудка. Уровень метилирования в опухоли намного выше, чем в нормальной ткани. Большинство опухолей зависят от экзогенного, предварительно образованного метионина для роста. Предварительные клинические данные свидетельствуют о том, что ограничение метионина в рационе у больных раком может ингибировать рост опухоли и улучшить результаты лечения рака.

Токсикологические данные:

Острая токсичность LD50 при оральном применении — крыса — 3400 мг / кг

Урок 12. аминокислоты. белки — Химия — 10 класс

Химия, 10 класс

Урок № 12. Аминокислоты. Белки

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён аминокислотам, их строению, номенклатуре, знакомству с пептидной группой и пептидной связью, химическими свойствами аминокислот, пептидам и полипептидам, знакомству с глицином как представителем аминокислот, биологической роли аминокислот, белкам, их структуре, химическим свойствам.

Глоссарий

Аминокислота – это азотсодержащее органическое соединение, в составе которой есть как аминогруппа, так и карбоксильная группа.

Белки – органические полимеры, в состав которых входят остатки аминокислот, соединённые пептидной связью. Количество аминокислотных остатков в белках обычно более 50.

Биуретовая реакция – качественная цветная реакция на пептидные связи. При добавлении к белку раствора щёлочи и сульфата меди (II) раствор приобретает красно-фиолетовую окраску.

Гидролиз белка – распад белка на отдельные аминокислоты в водном растворе кислот или щелочей.

Денатурация белка – разрушение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка при нагревании, действии растворов солей тяжёлых металлов, кислот и щелочей. При денатурации белок сворачивается и выпадает в осадок.

Ксантопротеиновая реакция – качественная цветная реакция концентрированной азотной кислоты с белками, содержащими остатки ароматических аминокислот. При добавлении концентрированной азотной кислоты к белку и нагревании сначала происходит денатурация белка, а затем появляется жёлтое окрашивание.

Олигопептиды – органические соединения, состоящие из 10–20 остатков аминокислот, связанных пептидными связями.

Пептидная группа – группа атомов в составе пептидов, состоящая из атомов углерода, кислорода, азота и водорода.

Пептидная связь – связь между атомами углерода и азота в пептидной группе.

Пептиды – органические соединения, состоящие из нескольких аминокислотных остатков, соединённых пептидной связью.

Полипептиды – макромолекулы, состоящие из 20–50 аминокислотных остатков, соединенных пептидной связью.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

• Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Аминокислоты – это азотсодержащие органические соединения, в состав которых входят как аминогруппа, так и карбоксильная группа

Простейшим представителем аминокислот является глицин – аминоуксусная (аминоэтановая) кислота

По международной номенклатуре нумерация углеродных атомов начинается от углерода карбоксильной группы.

Достаточно часто в литературе можно встретить обозначения углеродных атомов в аминокислотах с помощью букв греческого алфавита. При этом атом углерода карбонильной группы не имеет обозначения.

Для некоторых аминокислот существуют тривиальные названия.

Изомеры аминокислот различаются строением углеводородного радикала и положением аминогруппы.

Все α-аминокислоты, кроме глицина, имеют в своем составе асимметрический атом, который следует сразу за карбоксильной группой. У этого атома углерода все заместители разные.

Благодаря этому атому, для α-аминокислот характерна оптическая изомерия. В природе распространены только L-α-аминокислоты.

Биологическое значение аминокислот

Из аминокислот наибольшее значение имеют α-аминокислоты, так как они входят в состав белковых молекул, из которых построено всё живое вещество.

Растения и бактерии способны самостоятельно синтезировать все необходимые для них аминокислоты. Млекопитающие, в том числе и человек, не могут синтезировать ряд аминокислот, они должны поступать в организм с пищей. К таким незаменимым аминокислотам относятся метионин, треонин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, валин, лизин, триптофан.

α-Аминокислоты необходимы человеку для образования белков. Большую часть аминокислот для этих целей человек получает с пищей. Некоторые аминокислоты можно синтезировать. Для регулирования обменных процессов аминокислоты применяются как лекарства (например, глицин).

Получение аминокислот

В промышленности α-аминокислоты получают гидролизом белков.

Можно синтезировать аминокислоты из хлорпроизводных карбоновых кислот и аммиака.

Cl-CH₂-COOH + 2NH₃ → NH₂-CH₂-COOH + NH₄Cl

Физические и химические свойства аминокислот

Аминокислоты – кристаллические вещества без цвета и запаха, сладковатые на вкус. Хорошо растворяются в воде.

Аминокислоты – амфотерные соединения, так как аминогруппа проявляет основные свойства, а карбоксильная группа – кислотные.

Карбоксильная группа в составе аминокислот позволяет им реагировать со спиртами. В результате реакции образуются сложные эфиры.

Ион водорода от карбоксильной группы может переходить к аминогруппе, в результате образуется биполярный ион.

Пептиды

Аминокислоты могут реагировать друг с другом, аминогруппа одной кислоты соединяется с карбоксильной группой другой кислоты, при этом происходит выделение воды.

Группа атомов СО-NH называется пептидной (или амидной) группой, а связь между атомами углерода и азота – пептидной (амидной) связью.

Соединения, образованные из нескольких аминокислот с помощью пептидной связи, называются пептидами.

Называют пептиды перечислением тривиальных названий аминокислот, входящих в состав пептида, начиная с аминокислотного остатка со свободной аминогруппой (N-конец), заменяя в названии аминокислот окончание «ин» на «ил». Последней называют аминокислоту со свободной карбоксильной группой (С-конец), её название не изменяется. Часто название пептида записывают с помощью трёхбуквенных латинских сокращённых наименований аминокислот.

Молекулы, в состав которых входит 10–20 остатков аминокислот, называют олигопептидами.

Макромолекулы, образованные 20–50 остатками аминокислот называют полипептидами.

Полипептиды входят в состав многих гормонов. Нейропептиды регулируют работу мозга, процессы сна, обучения, обладают обезболивающим эффектом.

Белки

Полипептиды, содержащие в своём составе более 50 остатков аминокислот, называются белками. Это природные полимеры, которые образуют клетки всех живых организмов. Без белков невозможны обмен веществ, размножение и рост живых организмов.

Белки образованы атомами углерода, водорода, кислорода и азота. Кроме этих атомов, макромолекулы белков могут содержать атомы фосфора, серы, железа и других элементов.

Относительная молекулярная масса белковых молекул может быть от нескольких десятков до сотен атомных единиц массы.

Структура белков

Последовательность остатков аминокислот в молекуле белка образует первичную структуру белка.

Между атомом кислорода в группе С=О и атомом водорода в амидной группе – NH – образуется водородная связь, в результате чего макромолекула белка закручивается в спираль. Образуется вторичная структура белка.

Функциональные группы, расположенные на внешней стороне спирали, могут взаимодействовать с другими функциональными группами этой же макромолекулы. Например, между атомами серы образуется сульфидный мостик, между карбоксильной и гидроксильной группами возникает сложноэфирный мостик.

В результате образуется третичная структура белка, которая определяет специфическую биологическую активность белков. Именно благодаря уникальной третичной структуре биологические катализаторы – ферменты обладают уникальной избирательностью.

Благодаря различным функциональным группам белковые молекулы могут соединяться друг с другом, в результате формируется четвертичная структура белка.

Химические свойства белков

В зависимости от молекулярной массы и функциональных групп белки могут как хорошо растворяться в воде, так и не растворяться в ней.

Под действием температуры, растворов солей тяжёлых металлов, кислот и щелочей происходит разрушение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка, называемое денатурацией.

При нагревании в присутствии кислоты или щёлочи белки подвергаются гидролизу, распадаясь на исходные аминокислоты.

Белки в щелочной среде в присутствии сульфата меди (II) окрашивают раствор в красно-фиолетовый цвет. Это реакция на пептидную группу (биуретовая реакция).

Концентрированная азотная кислота при нагревании окрашивает белки в жёлтый цвет, если в состав белка входят остатки ароматических аминокислот, например, фенилаланина (ксантопротеиновая реакция).

Для обнаружения в составе белка атомов серы проводят реакцию с ацетатом свинца в щелочной среде при нагревании. В результате образуется чёрный осадок (цистеиновая реакция).

Превращения белков в организме

Белки являются обязательными компонентами в пищевом рационе человека. В организме человека белки, поступившие с пищей, под действием ферментов подвергаются гидролизу и разлагаются на отдельные аминокислоты. Эти аминокислоты – строительный материал для образования новых белков, необходимых человеку. Для синтеза белков необходима энергия, которую поставляет в организме АТФ. Также энергия выделяется при распаде жиров и углеводов. Кроме синтеза белков происходит их распад с образованием углекислого газа, аммиака, мочевины и воды.

Успехи в изучении и синтезе белков

В 1954 г. британский биолог Фредерик Сенгер впервые расшифровал строение белка инсулина. Каждая молекула инсулина состоит из двух полипептидов, в одном из которых 21 остаток аминокислоты, а в другом – 30 аминокислотных остатков.

В 1967 г. был создан прибор – секвенатор, позволяющий определять последовательность остатков аминокислот в макромолекуле белка.

Первый белок, синтезированный в лаборатории в 1953 г. был окситоцин.

В настоящее время развивается наука, которая занимается синтезом искусственных белков, – генная инженерия.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Решение задачи на вычисление массовой доли элемента в молекуле аминокислоты.

Условие задачи: вычислите массовую долю азота в молекуле аспаргина

. Ответ запишите с точностью до десятых долей.

Шаг первый: вычислить относительную молекулярную массу молекулы аспаргина:

М = 4·12 + 8·1 + 2·14 + 3·16 = 132 а.е.м.

Шаг второй: определить количество атомов азота в молекуле аспаргина и определить их относительную атомную массу:

2·14 = 28 а.е.м.

Шаг третий: определить массовую долю азота как отношение относительной атомной массы азота к относительной молекулярной массе аспаргина:

(28 : 132)·100 = 21,2 %.

Ответ: 21,2.

2. Решение задачи на определение количества различных олигопептидов, которые можно получить из определённого набора аминокислот.

Условие задачи: Сколько ди- и трипептидов можно составить из двух молекул аланина и одной молекулы цистеина?

Шаг первый: определить количество возможных дипептидов.

Из двух молекул аланина и одной молекулы цистеина можно составить три дипептида: Ala-Ala, Ala-Cys и Cys-Ala (два последних дипептида – разные соединения, так как в молекуле Ala-Cys карбоксильная группа аланина соединяется с аминогруппой цистеина, а в молекуле Cys-Ala карбоксильная группа цистеина соединяется с аминогруппой аланина).

Шаг второй: определить количество возможных трипептидов.

Ala-Ala-Cys, Ala-Cys-Ala, Cys-Ala-Ala – возможно составить 3 трипептида.

Ответ: 3 дипептида и 3 трипептида.

АМИНОКИСЛОТЫ • Большая российская энциклопедия

АМИНОКИСЛО́ТЫ, ор­га­нич. со­еди­не­ния, со­дер­жа­щие кар­бок­силь­ные COOH и ами­но­груп­пы NH₂. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ет про­лин. Об­ла­да­ют свой­ст­ва­ми и ки­слот и ос­но­ва­ний. В за­ви­си­мо­сти от по­ло­же­ния ами­но­груп­пы в уг­ле­род­ной це­пи от­но­си­тель­но кар­бок­силь­ной груп­пы раз­ли­ча­ют α-, β-, γ- и др. А. У ω-А. ами­но­груп­па на­хо­дит­ся на кон­це це­пи. Уча­ст­ву­ют в об­ме­не азо­ти­стых ве­ществ всех ор­га­низ­мов, яв­ля­ясь ис­ход­ны­ми со­еди­не­ния­ми при био­син­те­зе бел­ков, пеп­ти­дов, пу­ри­но­вых и пи­ри­ми­ди­но­вых ос­но­ва­ний, ря­да ви­та­ми­нов, пиг­мен­тов, ал­ка­лои­дов и др.

Классификация

Опи­са­но свыше 150 при­род­ных А., сре­ди ко­то­рых осо­бен­но важ­ны 20 α-А. (табл.), вхо­дя­щих в со­став бел­ков, ко­ди­руе­мых ге­не­тическим кодом; об­щая фор­му­ла:

В за­ви­си­мо­сти от при­ро­ды бо­ко­вой це­пи R α-А. под­раз­де­ля­ют на две груп­пы: А. с не­по­ляр­ны­ми (гид­ро­фоб­ны­ми) и А. с по­ляр­ны­ми (гид­ро­филь­ны­ми) бо­ко­вы­ми це­пя­ми. К 1-й груп­пе от­но­сят­ся шесть А. с али­фа­тич. бо­ко­вой це­пью – ала­нин, ва­лин, лей­цин, изо­лей­цин, ме­тио­нин, про­лин и две с аро­ма­ти­че­ской – фе­ни­ла­ла­нин и трип­то­фан. Сре­ди пред­ста­ви­те­лей 2-й груп­пы бо­ко­вые це­пи ­семи А. со­дер­жат груп­пи­ров­ки, спо­соб­ные не­сти от­ри­цат. или по­ло­жит. за­ряд. В ас­па­ра­ги­но­вой и глу­та­ми­но­вой ки­слотах β- и γ-кар­бок­силь­ные груп­пы при рН 7,0 за­ря­же­ны от­ри­ца­тель­но. К осно́вным А. от­но­сят­ся ли­зин, ар­ги­нин и гис­ти­дин. ε-Ами­но­груп­па ли­зи­на и гуа­ни­ди­но­вая груп­пи­ров­ка ар­ги­ни­на не­сут по­ло­жит. за­ряд (про­то­ни­ро­ва­ны) в ней­траль­ной сре­де, а имид­азоль­ная груп­пи­ров­ка гис­ти­ди­на – в ки­слой. В ще­лоч­ных ус­ло­ви­ях от­ри­цат. за­ряд мо­гут при­об­ре­тать бо­ко­вые груп­пы ти­ро­зи­на и цис­теи­на. Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью ос­тат­ков цис­теи­на яв­ля­ет­ся их спо­соб­ность в со­ста­ве мо­ле­ку­лы бел­ка под­вер­гать­ся окис­ле­нию с об­ра­зо­ва­ни­ем ос­тат­ков цис­ти­на. А. при­свое­ны со­кра­щён­ные трёх­бу­к­вен­ные и од­но­бу­к­вен­ные обо­зна­че­ния, ис­поль­зуе­мые в на­уч. ли­те­рату­ре. В 1986 в ряде бел­ков ар­хе­бак­терий, ис­тин­ных бак­те­рий (эу­бак­те­рий) и жи­вот­ных бы­ла об­на­ру­же­на α-А. – се­ле­но­ци­сте­ин (ей при­свое­ны сим­во­лы Sec и U), в 2002 от­крыт пир­ро­ли­зин (по­ка об­на­ру­жен толь­ко у од­но­го ви­да ме­та­ноб­ра­зую­щих ар­хей). Обе эти А. ко­ди­ру­ют­ся три­пле­та­ми, ко­то­рые обыч­но слу­жат «стоп-ко­до­на­ми» (т. е. опо­ве­ща­ют об окон­ча­нии син­те­за бел­ка на ри­бо­со­мах): се­ле­но­ци­сте­ин – три­пле­том UGA, а пир­ро­ли­зин – UAG.

Селеноцистеин

Цистин

Пирролизин (где R=Ch4, Nh3 или OH)

Боль­шая часть А., об­на­ру­жен­ных в тка­нях жи­вых ор­га­низ­мов, но не вхо­дя­щих в со­став бел­ков, мо­гут вы­пол­нять важ­ные функ­ции. Так, ор­ни­тин и цит­ру­лин уча­ст­ву­ют в об­ме­не ве­ществ, в ча­ст­но­сти в син­те­зе мо­че­ви­ны у жи­вот­ных, 2,4-ди­гид­ро­ок­си­фе­ни­ла­ла­нин (ДОФА) об­ра­зу­ет­ся в ка­че­ст­ве про­ме­жу­точ­но­го про­дук­та в хо­де рас­па­да фе­ни­ла­ла­ни­на и ти­ро­зи­на в ор­га­низ­ме и яв­ля­ет­ся ме­диа­то­ром цен­траль­ной нерв­ной сис­те­мы. Кро­ме то­го, име­ют­ся А., функ­ция ко­то­рых по­ка не яс­на. В ря­де бел­ков (уже по­сле их син­те­за на ри­бо­со­мах) бо­ко­вые груп­пы А. пре­тер­пе­ва­ют из­ме­не­ния в хо­де по­сттранс­ля­ци­он­ной мо­дифи­ка­ции. Напр., в со­ста­ве мо­ле­ку­лы кол­ла­ге­на про­лин и ли­зин пре­вра­ща­ют­ся со­от­вет­ст­вен­но в 4-гид­ро­кси­про­лин и 5-гид­ро­кси­ли­зин, в мио­зи­не при­сут­ству­ет N-ме­тил­ли­зин, толь­ко в эла­сти­не встре­ча­ет­ся фер­мен­та­тив­но мо­ди­фи­ци­ро­ван­ный ли­зин – дес­мо­зин. По­ми­мо α-А. в сво­бод­ном ви­де и в со­ста­ве не­ко­то­рых био­ло­ги­че­ски важ­ных пеп­ти­дов, встре­ча­ют­ся А., ами­но­груп­па ко­то­рых свя­за­на не с α-уг­ле­род­ным ато­мом. К их чис­лу от­но­сят­ся β-ала­нин, вхо­дя­щий в со­став пан­то­те­но­вой ки­сло­ты, γ-ами­но­мас­ля­ная ки­сло­та, иг­раю­щая важ­ную роль в функ­цио­ни­ро­ва­нии нерв­ной сис­те­мы, δ-ами­но­ле­ву­ли­но­вая ки­сло­та, яв­ляю­щая­ся про­ме­жу­точ­ным про­дук­том син­те­за пор­фи­ри­нов.

Физические и химические свойства

А. – бес­цвет­ные кри­стал­лич. ве­ще­ст­ва, рас­тво­ри­мые в во­де; темп-ры плав­ле­ния 220–315 °C. В кри­стал­лах и вод­ных рас­тво­рах при ней­траль­ных зна­че­ни­ях рН α-А. су­ще­ст­ву­ют пре­им. в ви­де ди­по­ляр­ных ио­нов (цвит­тер-ио­нов), у кото­рых ами­но­груп­пы про­то­ни­ро­ва­ны , а кар­бок­силь­ные груп­пы дис­со­ции­ро­ва­ны (СОО^—). А. яв­ля­ют­ся ам­фо­ли­та­ми; ио­ни­за­ция их мо­ле­кул за­ви­сит от рН рас­тво­ра:

Зна­че­ния pH, при ко­то­ром кон­цен­тра­ция ка­тио­нов А. рав­на кон­цен­тра­ции анио­нов, на­зы­ва­ет­ся изо­элек­три­че­ской точ­кой (pI). Ами­но­груп­па А. ио­ни­зи­ро­ва­на в неск. мень­шей сте­пе­ни, чем кар­бок­силь­ная груп­па, по­это­му вод­ный рас­твор А. име­ет сла­бо­кис­лый ха­рак­тер. Все α-А., кро­ме гли­ци­на, име­ют асим­мет­ри­че­ский (хи­раль­ный) α-уг­ле­род­ный атом и су­ще­ст­ву­ют в ви­де двух энан­тиоме­ров. У изо­лей­ци­на и тре­о­ни­на хи­раль­ны­ми яв­ля­ют­ся так­же и β-уг­ле­род­ные ато­мы.

За ред­ким ис­клю­че­ни­ем при­род­ные α-А. от­но­сят­ся к L-ря­ду и толь­ко в обо­лоч­ках бак­те­рий, в со­ста­ве не­ко­то­рых ан­ти­био­ти­ков и в ме­та­бо­ли­тах гри­бов, а так­же в ко­же не­ко­то­рых ви­дов юж­но­аме­ри­кан­ских ля­гу­шек и кор­не жень­ше­ня об­на­ру­же­ны А. D-ря­да.

В ре­зуль­та­те взаи­мо­дей­ст­вия α-ами­но­груп­пы од­ной А. с α-кар­бок­силь­ной груп­пой дру­гой А. в про­цес­се био­син­те­за бел­ка (транс­ля­ции) про­ис­хо­дит об­ра­зо­ва­ние пеп­тид­ной свя­зи.

Превращения аминокислот в организмах

Выс­шие рас­те­ния и хе­мо­син­те­зи­рую­щие ор­га­низ­мы все не­об­хо­ди­мые им А. син­те­зи­ру­ют из ам­мо­ние­вых со­лей и нит­ра­тов, а так­же из ке­то- или гид­ро­кси­кис­лот – про­дук­тов ды­ха­ния и фо­то­син­те­за. Че­ло­век и жи­вот­ные син­те­зи­ру­ют боль­шин­ст­во А. из обыч­ных без­азо­ти­стых про­дук­тов об­ме­на и ам­мо­ние­во­го азо­та. Это т. н. за­ме­ни­мые А. Но ряд А. – не­за­ме­ни­мых – они долж­ны по­лу­чать в го­то­вом ви­де с пи­щей. Для че­ло­ве­ка, напр., не­за­ме­ни­мы­ми А. яв­ля­ют­ся ва­лин, изо­лей­цин, лей­цин, ли­зин, ме­тио­нин, тре­о­нин, трип­то­фан и фе­ни­ла­ла­нин, а для де­тей так­же ар­ги­нин и гис­ти­дин. Не­дос­та­ток в ор­га­низ­ме той или иной ами­но­кис­ло­ты при­во­дит к на­ру­ше­нию об­ме­на ве­ществ, замед­ле­нию рос­та и раз­ви­тия. А. уча­ст­ву­ют в под­дер­жа­нии азо­ти­сто­го ба­лан­са в ор­га­низме. Окис­лит. рас­пад А. пу­тём дез­ами­ни­ро­ва­ния при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию ке­то- и гид­ро­кси­кис­лот – про­ме­жу­точ­ных про­дук­тов цик­ла три­кар­бо­нов­ных ки­слот; да­лее они пре­вра­ща­ют­ся в уг­ле­во­ды, но­вые А. и т. д. или окис­ля­ют­ся до СО₂ и Н₂О с вы­де­ле­нием энер­гии. У жи­вот­ных азот в ви­де ам­мо­ние­вых со­лей, мо­че­ви­ны или мо­чевой ки­сло­ты вы­во­дит­ся из ор­га­низ­ма. У рас­те­ний ус­вое­ние А. про­ис­хо­дит т. о., что азо­ти­стые от­хо­ды прак­ти­че­ски от­сут­ст­ву­ют. Не­ко­то­рые А. яв­ля­ют­ся пред­ше­ст­вен­ни­ка­ми важ­ных гор­мо­нов и ней­ро­ме­диа­то­ров: ти­ро­зин и фе­ни­ла­ла­нин – дофа­ми­на и ад­ре­на­ли­на, трип­то­фан – се­ро­то­ни­на, гис­ти­дин – гис­та­ми­на, глу­та­ми­но­вая ки­сло­та – γ-ами­но­мас­ля­ной ки­сло­ты, ар­ги­нин – ок­си­да азо­та (NO).

Практическое использование

Таблица. Важнейшие аминокислоты, входящие в состав белков (цветом обозначены боковые цепи)

Сме­си L-α-А., а так­же от­дель­ные А. при­ме­ня­ют в ме­ди­ци­не для ле­че­ния боль­ных с за­бо­ле­ва­ния­ми пи­ще­ва­рит. ор­га­нов (гис­ти­дин, ме­тио­нин), при ма­ло­кро­вии, ожо­гах (ме­тио­нин), нерв­но-пси­хич. за­бо­ле­ва­ни­ях (гли­цин и глу­та­ми­но­вая ки­сло­та), при со­су­ди­стых за­бо­ле­ва­ни­ях го­лов­но­го моз­га (γ-ами­но­мас­ля­ная ки­сло­та) и т. д. Для обо­га­ще­ния кор­мов в жи­вотно­вод­ст­ве и ле­че­ния жи­вот­ных ис­поль­зу­ют­ся ли­зин, ме­тио­нин, тре­о­нин, трип­то­фан, в пи­ще­вой пром-сти – глу­та­мат на­трия и ли­зин. ω-А. и их лак­та­мы слу­жат для пром. про­из-ва по­ли­ами­дов. Аро­ма­тич. А. на­шли при­ме­не­ние в син­те­зе кра­си­те­лей и ле­кар­ст­вен­ных пре­па­ра­тов. Не­ко­то­рые L-α-А. по­лу­ча­ют мик­ро­био­ло­гич. син­те­зом (ли­зин, трип­то­фан, тре­о­нин, глу­та­ми­но­вая ки­сло­та) или вы­де­ля­ют из гид­ро­ли­за­тов бо­га­тых ими бел­ков (про­лин, ар­ги­нин, гис­ти­дин, глу­та­ми­но­вая ки­сло­та, ти­ро­зин).

Цистеин — обзор | Темы ScienceDirect

2.1 Недолговечный железо-диоксидный комплекс в ферментах цистеиндиоксигеназы

Катаболизм цистеина — жизненно важный процесс для здоровья человека, и его первый шаг опосредуется CDO. Хотя цистеин является одной из аминокислот, образующих строительные блоки многих белков в клетках, его накопление в нейрональных клетках, как известно, является эксайтотоксичным, а повышенные уровни цистеина коррелируют с нейродегенеративными заболеваниями (74,75) .Однако было обнаружено, что повышенная активность CDO является результатом принудительной экспрессии его гена в раковых клетках человека, что также коррелирует со снижением роста опухолевых клеток (76) . Таким образом, каталитическая активность CDO и ее регуляция обеспечивают поддержание постоянного физиологического уровня цистеина.

CDO катализирует превращение цистеина в цистеинсульфиновую кислоту, что является первой необратимой стадией катаболизма цистеина (77,78) . Детали каталитического механизма CDO остаются неполными, и поэтому механизм еще не установлен.В частности, не сообщалось об экспериментальных данных по промежуточным соединениям, связанным с дикислородом, в ферментах CDO; следовательно, все предложения относительно короткоживущих промежуточных продуктов исходили из анализа распределения продуктов и компьютерного моделирования (35–39,79) . Последующие экспериментальные работы и компьютерные исследования биомиметических модельных комплексов дали представление об активации дикислорода и предсказали общий механизм реакции CDO (39,80,81) .

На рис. 3 представлены основные промежуточные соединения в каталитическом цикле ферментов CDO.Цикл начинается с комплекса состояния покоя ( R ), который представляет собой негемовое железо (II), связанное с белком посредством трех взаимодействий с остатками гистидина, в то время как другие три позиции лиганда заняты молекулами воды. Система координации лиганда отличает CDO от типичных негемовых диоксигеназ железа, которые имеют свойство 2-His / 1-Asp, как обсуждалось ранее. Цикл начинается с того, что цистеинат входит в карман связывания субстрата и связывает комплекс железа (II) в качестве бидентатного лиганда с тиолатной и амидной группами с образованием структуры A .Последняя молекула воды вытесняется из центра железа, когда дикислород входит в состав железо (III) -супероксокомплекса ( B ). Этот комплекс неуловим и не был обнаружен и охарактеризован для негемовой диоксигеназы железа. Дистальный атом кислорода (обозначенный O _d ) атакует тиолат с образованием мостиковой структуры C . Стадия разрыва связи O – O дает соединения железа (IV) -оксо и промежуточное соединение сульфоксида цистеина ( D ), которое после переноса второго атома кислорода дает продукты цистеинсульфиновой кислоты ( E ).Высвобождение продукта и повторное связывание воды возвращает активный центр в состояние покоя R и завершает каталитический цикл.

Рис. 3. Каталитический цикл цистеиндиоксигеназы.

Исследования поглощения UV – Vis выявили две полосы поглощения при 500 и 640 нм для частиц, содержащих два атома кислорода (82) . К сожалению, промежуточные распады за 20 мс и попытки охарактеризовать короткоживущие частицы в дальнейшем не увенчались успехом, и неразличимых спектров ЭПР и мессбауэра получено не было.Поэтому мы прибегли к вычислительным исследованиям на уровне теории функционала плотности, зависящей от времени (TD-DFT) и на уровне теории полного активного пространства — самосогласованного поля (CASSCF), чтобы установить природу промежуточного звена. В частности, основное внимание было уделено двум реакционноспособным промежуточным продуктам, а именно супероксоаниону железа (III) ( B ) и кольцевой структуре бициклического O – O железа (III) ( C ), а также сульфоксиду цистеина ( D ) и продукты цистеинсульфиновой кислоты ( E ).

Данные экспериментов с использованием мессбауэровской спектроскопии установили наличие связанной с водой структуры (с водой в шестом положении лиганда, т. Е. Структура A на фиг. 3) цистеин-связанной CDO, но только цистеин-CDO будет идти. через реакцию диоксигенирования в соответствующих условиях (82) . Было замечено, что когда анаэробный цистеин-связанный CDO титровался насыщенным кислородом буфером при 4 ° C в перчаточном боксе, это приводило к появлению двух пиков поглощения при 500 и 640 нм.Было обнаружено, что эти пики линейно масштабируются с концентрацией CDO, а также с количеством подаваемого кислорода. Поскольку частицы с характеристиками поглощения 500 и 640 нм распадаются в течение примерно 20 мс, было предложено быть аддуктом кислорода в каталитическом цикле CDO. Измерена константа скорости его распада первого порядка 112 ± 5 с ^{— 1} . Результаты были дополнительно подтверждены различными экспериментальными методами, такими как химическое гашение и гашение замораживанием, что дало такие же результаты реакций диоксигенации для анаэробного цистеин-связанного CDO (82) .

Кроме того, компьютерное моделирование с использованием теории функционала плотности на модельных комплексах, а также исследования QM / MM на полном ферменте рассчитали высокие реакционные барьеры для образования железо (III) -супероксо и железо (III) -бициклических кольцевых форм. , и, следовательно, эти расчеты предсказали конечное время жизни двух комплексов B и C (35,37) . С другой стороны, образование продуктов сульфоксида железа-цистеина и сульфиновой кислоты железо-цистеин считается сильно экзотермическим с небольшими барьерами образования и распада.Следовательно, ожидается, что время жизни этих промежуточных продуктов будет довольно коротким.

На рис. 4 показаны рассчитанные спектры поглощения структур железо (III) -супероксо ( B ), бициклического комплекса ( C ), комплекса сульфоксид железа-цистеина ( D ) и железо-сульфоксида. комплекс продукта цистеинсульфиновой кислоты ( E ) в квинтетном спиновом состоянии с помощью методов TD-DFT и CASSCF. Хотя ни один из спектров поглощения не воспроизводит идеально эксперимент, некоторые особенности воспроизводятся хорошо.Во-первых, как было предсказано расчетами механизма реакции с помощью DFT и QM / MM и подтверждено с помощью TD-DFT и CASSCF, структуры ⁵ D и ⁵ E могут быть исключены как промежуточные продукты, ответственные за особенности поглощения в экспериментальном спектре. Либо спектроскопический сигнал в нужном месте не виден, либо сигнал не виден вообще для обоих промежуточных соединений. Во-вторых, результаты CASSCF предполагают наличие двух четких сигналов поглощения в области 500-700 нм как для ⁵ B , так и для ⁵ C , в результате чего интенсивность пиков для ⁵ C , по-видимому, соответствует лучше всего экспериментируйте, хотя оба пика сдвинуты относительно экспериментального задания.Таким образом, вычислительный анализ выявил двух возможных кандидатов, ответственных за экспериментально наблюдаемые максимумы поглощения, а именно ⁵ B или ⁵ C . Теория немного поддерживает отнесение ⁵ C , но ошибка расчетов слишком велика для окончательного вывода. К сожалению, теория не может разрешить экспериментальную загадку и определить единственные частицы, ответственные за спектры поглощения, но результаты в основном указывают на бициклическую кольцевую структуру в квинтетном спиновом состоянии как на частицы, дающие экспериментальные спектры.Таким образом, потребуется дальнейшая аналитическая работа, чтобы различать эти два вида, особенно с использованием аналитических инструментов, которые могут обнаруживать их за более короткое время, например, менее чем за 10 мс, чтобы определить роль и природу кислородного аддукта. промежуточные продукты в каталитическом цикле CDO.

Рис. 4. TD-DFT и CASSCF рассчитали спектры поглощения короткоживущих интермедиатов каталитического цикла CDO.

L-цистеин (CAS 52-90-4) — Химические и физические свойства от Cheméo

Обратите внимание, что вам необходимо включить javascript, чтобы получить доступ ко всем свойствам.Вот как это сделать для Internet Explorer и Firefox.

Физические свойства

Температурно-зависимые свойства

Молекулярные дескрипторы

Аналогичные соединения

Найдите другие соединения, похожие на L-цистеин .

Примечание. Cheméo только индексирует данные, следуйте ссылкам на источники, чтобы получить самые свежие данные. Источник также предоставляет дополнительную информацию, такую ​​как год публикации, авторов и многое другое.
Найдите время, чтобы проверить и дважды проверить источник данных.

Данный проект сделан на экспертизу PPS’97

Яцек Лелюк
Институт биохимии и молекулярной биологии
Вроцлавский университет
Вроцлав
Польша

электронная почта: lulu @ bf.uni.wroc.pl

ПОЧЕМУ ЦИСТЕИН ОСОБЕННЫЙ?

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СЕБЕ ЦИСТЕИН

Цистеин (рис. 1) входит в число 20 природных
встречающиеся, «биогенные» аминокислоты, которые связаны пептидными связями, образуют полипептиды
и белки. Как и другие аминокислоты, цистеин широко представлен в L-форме.
Он генетически кодируется двумя возможными кодонами (нуклеотидными триплетами
мРНК) UGU и UGC. Структурно цистеин относится к серным аминокислотам,
из-за наличия атома серы в его боковой цепи.Атом серы цистеина
участвует в образовании сульфгидрильной группы, которая очень реакционноспособна. Что
отличает цистеин от другой серной аминокислоты — метионина, который имеет
метильная группа присоединена к сере. Таким образом, метионин более гидрофобен,
стерически больше и гораздо менее реактивен, чем цистеин. Цистеин легко
окисляется с образованием димера, содержащего дисульфидный мостик между двумя цистеинами.
Такой димер известен как цистин (рис. 2), и эта особенность
очень важен для анализа первичной структуры белков, для эффектов
об изменениях вторичной структуры и стабилизации третичной и четвертичной
состав.Сульфгидрильную группу цистеина можно рассматривать также как очень
сильный редуцирующий фактор, который очень важен для активности многих белков,
олигопептиды (глутатион), имеет сильное влияние
на окислительно-восстановительный потенциал среды в определенных компартментах in vivo и может
образуют центр активного центра некоторых ферментов (например, тиол
протеиназы).

Рисунок 1. Цистеин

Рис 2. Цистин.Димер двух цистеинов, связанных между собой
дисульфидный мостик.

Наличие сульфгидрильной группы, в которой водород можно легко заменить на
радикалов и других групп, позволяет образовывать ковалентную связь с
другие молекулы. Образование цистина является примером такой активности. Если
атом серы связан с атомом серы другого цистеина, ковалентного дисульфида
образуется мостик, который слабее (легче расщепляется), чем пептидная связь, но
сильнее любого взаимодействия другого типа (водородные связи, солевые мостики,
гидрофобное и ван-дер-ваальсово взаимодействия).Легкость образования
такая ковалентная связь зависит также от общего окислительно-восстановительного потенциала окружающей среды.
как pH (при низком pH равновесие смещается в сторону восстановленной формы -SH, при
более основные условия группа -SH более склонна к окислению и замене
by -SR, где R — что угодно, кроме водорода).

ВКЛАД ЦИСТЕИНА В ПЕРВИЧНУЮ СТРУКТУРУ БЕЛКОВ

Согласно общепринятым критериям Линдерстрома-Ланга (Linderstrom-Lang,
1952; Linderstrom-Lang & Schellman, 1959), мы можем указать четыре основных
уровни белковой структуры:

— первичная структура

— вторичная структура

— третичная структура

— четвертичная структура

В этой иерархии первичная структура определяется как номер и последовательность.
аминокислотных остатков, связанных вместе пептидными связями, от N-конца
к C-концу.

В настоящее время перечислено шесть общих уровней структуры белка (Кантора
И Шиммель, 1980; Крейтон, 1993):

— первичная структура

— вторичная структура

— сверхвторичная структура

— домены

— третичная структура

— четвертичная структура

где первичная структура касается аминокислотной последовательности, включая посттрансляционную
модификации и дисульфидные мостики.Значение первичной структуры было
затем распространился на топологию дисульфидных мостиков в белках.

Схема топологии дисульфидных мостиков — очень полезный инструмент для
идентификация белковых семейств и суперсемейств относительно их общих
происхождение, а также их биологическая функция.

Пример этого представлен на рис. 3, где протеиназа
ингибиторы из разных биологических источников были разделены на группы
идентичная дисульфидная топология.Это особенно полезно при поиске
родственные белки низкого уровня общей гомологии в первичной структуре.

Рис. 3. Топология дисульфидных мостиков в выбранной
семейства, ингибирующие протеиназу. Сплошные кружки обозначают остатки цистеина,
и стрелки — реактивные сайты. Схематические изображения относятся к
ингибиторы, которые принадлежат: a-d) семейству Kunitz (тип BPTI), e-i) семейству Kazal
(PSTI-тип), j) ингибитор из Streptomyces, k) семейство Kunitz из сои,
l) семейство Боумана-Бирка, m) семейство картофеля I типа, n) семейство картофеля II типа

Остатки цистеина в гомологичных белках (имеющих общее происхождение) очень
консервативно согласно оценочной матрице PAM 250 (рис. 4).Только Trp статистически более консервативен, чем Cys.

Рис. 4. Матрица оценки PAM 250 данных мутации Dayhoff.
матрица. Обратите внимание, что самые высокие значения, указывающие на замену остатка
в себя для Trp и Cys. Это означает, что два остатка являются наиболее
консервативны в гомологичных последовательностях.

Причина в том, что цистеин — из-за дисульфидных мостиков — играет очень важную роль.
роль в стабилизации структуры белка на более высоком уровне.Его замена
будет драматичным для общей структуры всего белка. Если PAM 250
скоринговая матрица была установлена ​​на другой основе, цистеин будет наиболее
консервативный остаток в первичной структуре гомологичных белков. Мы могли бы
получим такой результат, если посчитать отдельно цистеины и цистины в этом
подсчет очков. Таким образом, цистеин занимает второе место по своей консервативности,
потому что его оценка является средней оценкой для всех остатков цистеина независимо от
их участия в образовании дисульфидных мостиков.

Учитывая консервативное «поведение» цистеина, анализ
гомологии и выравнивания родственных последовательностей обычно начинается с поиска
цистеинов и размещая их в соответствующих положениях — напротив друг друга.
Это помогает правильно найти пробелы, возникающие в результате вставки / удаления
остальных аминокислотных остатков (рис. 5).

Рис.5 Множественное выравнивание богатой цистеином тыквы
ингибиторы протеиназ.Стрелкой отмечена пептидная связь реактивного сайта
ингибиторы. Оформлены позиции, которые на 100% консервативны. Примечание
что все цистеины на 100% консервативны.

ВКЛАД ЦИСТИНА ВО ВТОРИЧНУЮ СТРУКТУРУ БЕЛКОВ

Вторичная структура белков зависит от аминокислотной последовательности. В этом
эффект включены боковые цепи аминокислот и периодичность их
возникновение по полипептидной цепи.По этой причине мы можем допустить
остатки в качестве стабилизаторов спирали или «разрушителей спирали» и т. д.

Для образования спирали важно, чтобы каждый 4-й остаток был одного и того же
характер в соответствии с его гидрофобностью и стерически приемлемый (нет
стерическое препятствие). Сильно гидрофобные аминокислоты, такие как Leu, Ile, Val
считаются стабилизаторами спирали во многих алгоритмах прогнозирования. Цистеин
который не участвует в образовании дисульфидного мостика, также может стабилизировать альфа
спирали, хотя высокая реакционная способность группы -SH может исказить регулярный
структура путем взаимодействия с другими реактивными группами.Ситуация может
резко изменяются, когда цистеины в спиральном фрагменте образуют дисульфидные мостики.
Это может означать конформационные изменения, которые не позволяют фрагменту принимать
спиральная регулярность, поскольку дисульфидные мостики сильнее сил
стабилизирующая альфа-спираль.

В качестве примера рассмотрим два небольших белка, представляющих противоположные ситуации.

Один из них — связанный с транскрипцией белок Rop (репрезор праймера
от E.coli) (рис.6), который имеет два остатка цистеина
не участвует в формировании S-S. Другой — CMTI-I (рис.
7), ингибитор трипсина из кабачков, содержащий шесть остатков цистеина
которые образуют три дисульфидных мостика.

Рис. 6. Связанный с транскрипцией белок Rop из
Кишечная палочка. Два остатка цистеина (не участвующие в образовании S-S)
показаны.

Рис. 7. Ингибитор кабачкового трипсина из Cucurbita
максимы (CMTI-I).Показаны шесть цистеинов, образующих три дисульфидных мостика.
Обратите внимание на неравномерность вторичной структуры.

Белок Rop имеет очень правильную структуру, он состоит из
двух альфа-спиралей, соединенных по очереди. расположены только два остатка цистеина
далеки друг от друга и не взаимодействуют друг с другом.

CMTI-I не показывает длинных спиральных фрагментов. Целиком
вторичная структура довольно нерегулярная и очень жесткая из-за дисульфида
клипы.Важно отметить, что статистический алгоритм Гарнье
и другие. (1978) предсказывает значительный вклад CMTI-I
спиральных фрагментов (рис.8 и 9)
что абсолютно неверно. Причина такого несоответствия в том, что
алгоритм не распознает разницу между цистеином и цистином
и не оказывает влияния мостов S-S на вторичную структуру под
рассмотрение. Возможно, если бы все остатки цистеина находились в восстановленной форме
(со свободными сульфгидрильными группами) высокий процент спиральных фрагментов
быть возможно.

Константа решения спирали = -100

Константа расширенного решения = -75

Константа решения поворота = 0

катушка Decision Constant = 0

Аминокислоты в конформации спирали H = 20 69,0%

Аминокислоты в расширенной конформации X = 3 10,3%

Аминокислоты в конформации череда T = 6 20,7%

Аминокислоты в спирали Конформация C = 0 0.0%

RVCPRILMECKKDSDCLAECVCLEHGYCG

XXTHXHHHHHHHHHHHHHHHHHHTTTTT

Рис. 8. Предсказание вторичной структуры Гарнье для
CMTI-I. Результаты, полученные с помощью программы PROTSE.

pred7.htm — нажмите здесь, чтобы увидеть результаты

Рис. 9. Прогноз вторичной структуры Гарнье для
CMTI-I. Результаты получены с помощью программы PREDICT7 (Carmenes et al., 1989).

Конечно, аналогичные эффекты дисульфидного «отсечения» на вторичной структуре
можно ожидать в случае любого типа вторичной структуры.Следовательно,
алгоритмы, которые не распознают цистеин и цистин как отдельные единицы,
не может иметь высокую точность прогнозов и может давать результаты, далекие от реальных
ситуация.

ВКЛАД ЦИСТЕИНА В ТРЕТИЧНУЮ И ЧЕТВЕРТИЧНУЮ СТРУКТУРУ В
БЕЛКИ

Роль цистеина в третичной структуре белков очевидна. Дисульфид
мосты, образованные этими остатками, связывают фрагменты внутри полипептида.
цепочки, иногда расположенные очень далеко друг от друга относительно своих основных
состав.Таким образом, остатки цистеина играют решающую роль в конечном
трехмерная конформация белковой молекулы и сделать ее стабильной
(см. рис. 7). Дисульфидные мостики также участвуют в
формирование петель позвоночника. Эти петли могут быть выставлены на
поверхность молекулы (далеко от ядра) и доступная для других
факторы для взаимодействия с ними. Это важно для фрагментов, содержащих
остатки, участвующие в механизме узнавания. Дисульфидные связки повышают жесткость
белка.Он имеет очень важное значение в богатых цистеином белках.
такие как ингибиторы протеиназы, где даже отщепление пептида реактивного сайта
связь не меняет свою общую конформацию, и такой «модифицированный» ингибитор
все еще обладает антипротеиназной активностью (рис. 7).

Образование петель, стабилизируемое дисульфидными мостиками, можно наблюдать во многих
разные белки. Примером тому являются иммуноглобулины, у которых свет
и тяжелые цепи имеют две и четыре таких петли соответственно.Они признаны
как повторяющиеся домены в этом классе белков, и поэтому они
классифицируются как мозаичные белки.

Четвертичная структура практически существует благодаря наличию цистеина.
родственные дисульфидные мостики, связывающие отдельные полипептидные цепи. В большинстве белков
которые состоят из более чем одной полипептидной цепи, цепи удерживаются вместе
межцепочечными дисульфидными мостиками. Простым примером является инсулин, где A и
Цепь B связана двумя мостиками между CysA7 — CysB7 и между CysA20.
— CysB19.Другой пример — химотрипсин. Этот фермент превращается из
его зимоген за счет ограниченного протеолиза в нескольких местах. Химотрипсиноген состоит
одной длинной полипептидной цепи активный фермент содержит два или три
цепочки, в соответствии с этапом активации. Эти цепи активного фермента
не могли существовать вместе без цистеин-дисульфидных мостиков, связывающих их.
В целом можно сказать, что без остатков цистеина четвертичная структура
не существовало бы.

ЦИСТЕИН В БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ОЛИГОПЕПТИДАХ И БЕЛКАХ

За исключением структурных свойств белков, остатки цистеина также могут
играют важную роль в каталитических процессах ферментов, в хранении и регулировании
потенциалы восстановления, они могут быть источником серы, легко усваиваемой
путь и т. д.

Хороший пример важной роли цистеина в каталитической активности ферментов.
тиоловые протеиназы. Это один из четырех основных классов протеиназ.
К этому классу относятся такие протеиназы, как бромелайн, папаин, фицин и некоторые
катепсины. Общей чертой этих ферментов является то, что все они содержат цистеин.
остаток как центральная аминокислота каталитического сайта (рис.
10). Цистеин принимает непосредственное участие в образовании промежуточного ацила.
с подложкой.

Общий механизм реакции катализа тиоловыми протеиназами такой же.
как в сериновых протеиназах. Цистеин в положении 25 в папаине имеет то же самое
действует как серин в положении 195 в трипсине, химотрипсине или другом серине
протеиназы. Переходное состояние при катализе папаином показано на
Рис 10.

Рис. 10. Переходное состояние в протеолитическом катализе.
пользователя papain. Группа -SH Cys25 участвует в образовании ацилензима.
промежуточное звено с субстратом (показано черным цветом).His159 служит протоном
акцептор, который непосредственно взаимодействует с азотом пептидной связи, чтобы быть
расколотый. Сульфгидрильная группа каталитического Cys25 папаина действует аналогично
Ser 195 в сериновых протеиназах.

Другая роль цистеина заключается в трипептиде — глутатионе.
(Рис.11). Он присутствует в равновесии двух форм
— восстановленные и окисленные. Восстановленная форма служит «сульфгидрильным буфером», который
поддерживает остатки цистеина гемоглобина и других белков эритроцитов
в уменьшенном состоянии.Он также действует как детоксицирующий агент, реагируя с водородом.
перекись и органические перекиси. Он защищает эритроциты от окислительного повреждения.
Глутатион участвует в поддержании надлежащего равновесия восстановленных
форма другого потенциального носителя восстановления — НАДФН. Таким образом, наличие
и состояние глутатиона необходимо для активности многих дегидрогеназ
(например, глутатионредуктаза).

Рис. 11. Глутатион и его окисленная форма.

ТАК ПОЧЕМУ ЦИСТЕИН ОСОБЕННЫЙ?

1. Потому что он имеет очень реактивную сульфгидрильную группу в боковой цепи. Это ставит
   цистеин в особом положении, который не может быть заменен или заменен никакими
   другая аминокислота.
2. Поскольку дисульфидные мостики, образованные остатками цистеина, являются постоянным компонентом
   первичной структуры белка.
3. Поскольку топология дисульфидных мостиков лежит в основе анализа гомологии
   в первичной структуре белка.
4. Потому что он может изменить вторичную структуру из-за стерических ограничений.
5. Поскольку дисульфидные мостики, связанные с цистеином, являются постоянным элементом для
   стабилизация третичной структуры.
6. Поскольку в большинстве случаев межцепочечные мосты S-S являются абсолютным условием для
   Четвертичная структура существует.
7. Потому что цистеин находится в центре каталитического центра тиоловых ферментов.
8. Поскольку он играет важную роль в качестве основной единицы низкомолекулярного
   факторы общего окислительно-восстановительного потенциала биологических систем.

ССЫЛКИ:

• Кантор, К. Р. и Шиммель, П. Р. (1980) Биофизическая химия,
• Части I-III, Нью-Йорк, W.H. Freeman and Co.
• Крейтон, Т. Э. (1993) Белки: структуры и молекулярные свойства,
• Второе изд. В. Х. Фриман, Нью-Йорк
• Laskowski, M. Jr. и Kato I. (1980) Белковые ингибиторы протеиназ,
  Анна.Rev, Biochem., 49 , 593-626
• Линдерстром-Ланг, К. У. (1952) Медицинские лекции переулка. Стэнфорд
• University Press, Стэнфорд, Калифорния.
• Линдерстром-Ланг, К.У. и Шеллман, Дж. (1959) Структура белка и фермент
• деятельность. The Enzymes, (P.D. Boyer, Ed.), Том 1, 2-е изд., Стр. 443-510.
• Academic Press, Нью-Йорк.
• Гарнье, Ж., Осгуторп, Д.Дж. И Робсон Б. (1978) J. Mol. Биол.,
  120 , 97-120
• Карменес, Р.С., Фрейе, Дж. П., Молина, М. И Мартин Дж. М. (1989) Biochem.
  Биофиз. Res. Commun., 159 , 687-693

Написано:

Яцек Лелюк

Институт биохимии и молекулярной биохимии
Биология

Вроцлавский университет

50-137 Вроцлав

Тамка 2

Польша

электронная почта: lulu @ bf.uni.wroc.pl

Цистеин: применение, взаимодействие, механизм действия

Границы | Цистеины и дисульфидные связи как структурообразующие единицы: выводы из различных сфер жизни и возможность характеризации с помощью ЯМР

Введение

Дисульфидные мостики, образованные между остатками цистеина в пептидах и белках, являются фундаментальными строительными блоками для молекулярной архитектуры и, таким образом, могут управлять основными биологическими процессами.Образование дисульфидной связи двумя атомами боковой цепи S ^γ пространственно проксимальных цистеинов представляет собой процесс двухэлектронного окисления, ведущий от восстановленных сульфгидрильных групп цистеинов (S-H) к остатку окисленного цистина (S-S). В клеточной среде эта реакция часто поддерживается и ускоряется такими ферментами, как тиоредоксин (Mahmood et al., 2013) или изомераз дисульфидов белка (Lee and Lee, 2017). Дисульфидные мостики могут образовываться внутримолекулярно, в более редких случаях даже между двумя вицинальными цистеинами (Carugo et al., 2003), и представляют собой единственную естественную ковалентную связь между цепями полипептидов. Кроме того, они могут возникать как межмолекулярная особенность, иногда приводящая к усилению агрегации белков. Разрыв дисульфидных связей в биомолекулах может привести к коллапсу нативной конформации и биологической функции. Таким образом, сбои в образовании или переработке дисульфидных связей могут привести к серьезным нарушениям из-за накопления белковых агрегатов, создания условий клеточного стресса и / или привести к гибели клеток (Rakhit and Chakrabartty, 2006; Hetz, 2012; Xu et al., 2014; Bechtel and Weerapana, 2017). Таким образом, природа выработала множество белков со специализированными биологическими функциями, основанными на молекулярной архитектуре, включающей разное количество цистинов. Лишь немногими примерами являются ингибиторы трипсина Kunitz-типа (Otting et al., 1993; Cohen et al., 2019), многодоменные ингибиторы тромбина Kazal-типа, такие как родниин (Van De Locht et al., 1995) и дипеталин (Schlott et al., 2002), факторы роста (Christinger et al., 2004; Sitar et al., 2006), дефенсины (Szyk et al., 2006), нейропептиды, такие как окситоцин (Bhaskaran et al., 1992) и вазопрессин (Schmidt et al., 1991), или пептидные токсины (Elnahriry et al., 2019) и циклотиды (Park et al., 2017; De Veer et al. ., 2019; Huang et al., 2019).

После применения хироптических методов для выявления структурных особенностей дисульфидной связи (Beychok, 1966; Van Wart et al., 1973; Menendez-Botet and Breslow, 1975), в 1970-х годах ЯМР-спектроскопия стала использоваться как метод определения структуры. определение пептидов и белков с дисульфидными мостиками (Ludescher and Schwyzer, 1971).Между тем, мощность этого метода подчеркивается, например, тем фактом, что 121/165 из 137/182 структур конотоксина, депонированных в банке данных белков RCSB или ConoServer (Kaas et al., 2012), соответственно, являются структурами раствора ЯМР. . ЯМР также позволяет анализировать структурные и динамические аспекты переходных процессов окислительного сворачивания (Szekely et al., 2018) и выявлять процессы конформационного переключения между неупорядоченным и свернутым состояниями (Fraga et al., 2017), контролируемые образованием дисульфидных мостиков.В следующих разделах мы представляем краткий обзор приложений ЯМР для характеристики биомолекул, содержащих дисульфидные связи.

Анализ содержания цистеина в протеоме

Чтобы подчеркнуть особую роль цистеина как структурообразующей или каталитической единицы в контексте эволюционного процесса, мы представляем краткий анализ протеомов из разных сфер жизни. Возникают следующие вопросы: (I) сколько белков протеома содержат цистеины, (II) каково среднее количество цистеинов и дисульфидных связей в белке, (III) существуют ли различия в длине белка или общем распределении аминокислот между белки с цистеинами и без них, и (IV) коррелирует ли возникновение цистеинов с накоплением других аминокислот или аминокислотными структурами вокруг этих цистеинов? На первом этапе мы выбрали разных представителей из трех сфер жизни (архей: T.gammatolerans , бактерии: E. coli и Eukaryota: A. thaliana, D. melanogaster, S. cerevisiae, O. sativa, H. sapiens ), для которых отдельные наборы данных протеома доступны в базе данных UniProt (UniProt Консорциум, 2019). За исключением T. gammatolerans , каждый выбранный набор данных классифицируется как эталонный протеом в UniProt. Белки в наборе данных либо аннотируются как проверенные (аннотируются вручную), либо не проверяются (полная ручная аннотация еще не завершена).Кроме того, мы изучили набор данных, который включает все проверенные записи в UniProt (далее именуемые «Проверенные SwissProt»).

Восемьдесят три процента всех белков, аннотированных в соответствии с обзором UniProt, содержат по крайней мере один цистеин, а количество цистеинов составляет 1,38% от всех аминокислот (а.о.) (Таблица 1, Рисунок S3). Средняя длина кодирующих последовательностей белков для всех рассмотренных статей в UniProt составляет 294 а.о. Белки, содержащие цистеин, в среднем значительно длиннее (329 a.а.) по сравнению с белками, не содержащими цистеина (141 а.о.). В среднем 3 цистеина присутствуют в белках, включенных в набор данных SwissProt, и 4 цистеина, если рассматривать только цистеин-содержащие белки.

Таблица 1 . Протеомный анализ и дисульфидные связи в рассмотренных белках.

Хорошо известно, что средняя длина белка у эукариот значительно больше, чем у прокариот. Среди прокариот бактерии, как правило, имеют в среднем более длинные белки, чем археи (Zhang, 2000; Skovgaard et al., 2001; Броккьери и Карлин, 2005). Что касается средней длины белка, тенденции, представленные в таблице 1, подтверждают результаты, наблюдаемые другими (Zhang, 2000; Skovgaard et al., 2001; Brocchieri and Karlin, 2005) на геномном уровне. При средней длине белка 228 а.о. O. sativa значительно отличается от средней длины белка других эукариот. Распределение длин геномных белков для каждого выбранного вида подробно представлено на рисунке S5. На фигурах S7, S8 показано распределение геномной длины цистеин-содержащих белков и белков без цистеинов, соответственно.

Для более реалистичного представления о средней длине белка и распределении цистеина в клетке / организме рассчитывается и отображается взвешенное по численности распределение белка (Таблица S1 и Рисунок S6). База данных по содержанию белка [PAXdb, (Wang et al., 2015)] предоставляет информацию о содержании белка в целом геноме в различных организмах и тканях. За исключением T. gammatolerans и S. cerevisiae , взвешенная по численности медианная длина белка короче по сравнению с медианной длиной белка на основе генома.Интересно, что средневзвешенное количество цистеинов на белок составляет от 4 до 5 у всех выбранных эукариот и ниже, чем на генетическом уровне.

Кажется, что частота цистеинов увеличивается в процессе эволюции. В то время как в T. gammatolerans только 60% всех белков содержат по крайней мере один цистеин, в протеомах эукариот 92–97% всех белков содержат цистеин. Это наблюдение также отражено в процентной доле цистеина для всех видов аминокислот (0.57% для T. gammatolerans и 2,30% для H. sapiens , таблица 1 и рисунок S3). Более того, среднее количество цистеинов на белок имеет тенденцию к увеличению в процессе эволюции и достигает максимума 9 цистеинов на белок у людей. Для подробного анализа геномного и взвешенного распределения цистеина см. Рисунки S9, S10, соответственно. В проанализированном наборе данных SwissProt белки SCO-спондина содержат наибольшее количество цистеинов [например, G. gallus, : 584 цистеина (UniProtKB: Q2PC93), H.sapiens : 563 цистеина (A2VEC9)]. Следует отметить, что среди выбранных организмов эталонный протеом D. melanogaster включает белок с 2647 цистеинами (Dumpy, изоформа Q; M9PB30). Напротив, самая высокая плотность цистеинов наблюдается в относительно коротких белках / пептидах. Например, конотоксины (P85019 или P0DPL4) и тиозиллины (P0C8P6, P0C8P7) показывают самое высокое содержание цистеинов с 46 и 43% соответственно. «Белки, содержащие малые цистеин и глициновые повторы» (например,g., A0A286YF46) и «кератин-ассоциированные белки» (например, Q9BYQ5) показывают с ~ 40% самое высокое содержание цистеина в H. sapiens . Если принять во внимание различие в распределении аминокислот нецистеин-содержащих белков по сравнению с цистеин-содержащими белками (рис. S4), следует отметить, что, за исключением T. gammatolerans , во всех наборах данных содержание лейцина снижено. , и содержание по крайней мере одной основной аминокислоты (лизина или аргинина) увеличивается соответственно. Все еще остается предметом предположений, компенсируется ли структурная или функциональная роль цистеинов увеличением, e.g., основные аминокислоты боковых цепей в белках, не содержащих цистеин.

На фиг. S1, S2 мы представляем частотно-зависимую аминокислотную частоту в цистеин-содержащих белках. В каждом белке, несущем цистеин, определяют распределение аминокислот в каждом положении N- и C-конца ступенчато рядом с цистеином и сравнивают с общим распределением аминокислот. Нормализация достигается путем расчета коэффициента распределения (распределение аминокислот в положении n / общее распределение аминокислот).Нормализованная встречаемость (коэффициент распределения)> 1 означает более высокую частоту встречаемости аминокислот в этом положении, чем ожидалось из общего распределения. Обратное верно для коэффициента распределения <1. Становится ясно, что помимо цистеина, в основном, ароматические аминокислоты чаще встречаются вокруг цистеина во всех выбранных наборах данных. В частности, в протеоме H. sapiens аминокислоты фенилаланин, гистидин и тирозин обнаруживают более частую картину вокруг цистеинов, чем ожидалось.Эти находки могут отражать широко распространенный структурный мотив цинкового пальца.

Дисульфидные связи являются центральным структурным элементом, который стабилизирует трехмерную структуру зрелых белков и / или проявляет физиологически значимую окислительно-восстановительную активность (Bosnjak et al., 2014). В основном они находятся в секреторных белках и внеклеточных доменах мембранных белков. В таблице 1 и на рисунках S11, S12 собрана некоторая статистическая информация о рассмотренных белках с дисульфидными связями. В проанализированном наборе данных SwissProt 6% всех белков содержат хотя бы один дисульфидный мостик, а среднее количество дисульфидных связей равно 2.Как уже упоминалось выше, что касается содержания цистеинов, конотоксины (например, P0DL39, P50983) также показывают (~ 20%) самое высокое содержание дисульфидных связей для всех рассмотренных записей UniProt.

Для выбранных наборов данных содержание белков, по крайней мере, с одной внутрицепочечной дисульфидной связью, увеличивается в процессе эволюции (Таблица 1). Восемнадцать процентов всех рассмотренных человеческих белков содержат по крайней мере одну дисульфидную связь. Максимальное количество цистин / дисульфидных связей, наблюдаемое в настоящее время в человеческих белках, составляет 159 (белок 1, связанный с рецептором липопротеинов высокой плотности; 4544 a.а. в его канонической форме; Q07954). Однако, поскольку этот белок содержит 331 цистеин, сразу становится ясно, что не все они в одних и тех же физических условиях образуют внутримолекулярные дисульфидные пары. При нормировании по длине более короткий белок 3 четырехдисульфидного ядра домена WAP (Q8IUB2) с 231 а.о. и 16 дисульфидных связей занимают полюсное положение с ~ 7 мостами на 100 аминокислот. Напротив, у T. gammatolerans для рассмотренных белков не известны дисульфидные связи. Наблюдение, что содержание цистеина в белках увеличивается в процессе эволюции, не может быть четко перенесено на среднее количество дисульфидных связей.В H. sapiens среднее количество дисульфидных связей равно 2, тогда как в S. cerevisiae оно также равно 2, а для D. melanogaster — 3.

Спектроскопия ЯМР и методы прогнозирования

Структурно дисульфидная связь в цистине имеет типичную длину связи ~ 2,04 Å (Chaney and Steinrauf, 1974). Хиральность дисульфидной связи является стереоэлектронным следствием наличия четырех свободных электронных пар на двух атомах серы. Эти электронные пары взаимодействуют посредством сил отталкивания с соседними β-углеродсодержащими группами, в основном обеспечивая две энергетически выгодные, зеркально отображаемые и одинаково населенные конформации для торсионного угла C1β-S1γ-S2γ-C2β (χ _S-S ; Рисунки 1A, B) (Panijpan, 1977; Thornton, 1981).Новое исследование 1505 природных дисульфидных связей показало, что средние значения скручивания χ _{S − S} составляют около -87 ° (левостороннее) и + 97 ° (правостороннее) (Craig and Dombkowski, 2013). Эти значения торсионного угла являются довольно исключительными по сравнению с другими встречающимися в природе аминокислотами в пептидах, поскольку они в основном заселяют торсионы боковых цепей в транс / анти (180 °) или гош (± 60 °) конформационном диапазоне. В отличие от окислительно-восстановительного состояния, нет надежного предсказания торсионного угла χ _{S − S} по химическим сдвигам.Однако веб-подход «Disulfide by Design 2.0» (DbD2) (Craig and Dombkowski, 2013) позволил правильно предсказать 96% хиральностей дисульфидов на основе энергетической функции, отражающей геометрические характеристики, обнаруженные при анализе дисульфидных связей в PDB. Армстронг и др. (2018) недавно сообщили об алгоритме прогнозирования (DISH) для двух углов кручения боковой цепи цистеина χ ₂ и χ ₁ с использованием машины опорных векторов. Этот подход имел общую точность 81% для одновременного предсказания обоих кручений и позволил значительно уменьшить разброс конформаций остова белка в последующих расчетах структуры.

Рисунок 1 . Хиральности дисульфидного мостика со значениями углов кручения χ _{S − S} , составляющими −90 ° (A) и + 90 ° (B) . Окраска: H — голубой, C — серый, O — красный, N — синий, S — желтый, пары свободных электронов — пурпурный. В (A) отношения расстояний, приводящие к типичным кросс-пикам в спектрах типа NOESY, отмечены (маленькие стрелки). Дистанционные отношения, происходящие от протонов H ^α (оранжевый) или H ^β (зеленый), указаны только для одного из двух цистеинов. (C, D) Корреляция химического сдвига цистеина C ^β и H ^β2 (C) , H ^β3 (D) , соответственно. Данные о химическом сдвиге и корреляции получают и визуализируют из банка данных биологического магнитного резонанса (BMRB) с использованием модифицированного модуля Python PyBMRB. Значения распределения, которые в 10 раз превышают стандартное отклонение, были удалены из каждого набора данных корреляции. Уровни изолиний отражают общее количество корреляций внутри.

С появлением методов гетероядерного ЯМР стал доступным анализ значений химического сдвига ¹³ C окисленных (S-S) или восстановленных (S-H) цистеинов. Основываясь на данных химического сдвига ¹³ C ^α и ¹³ C ^β , можно сделать вывод, что окислительно-восстановительное состояние отражается в отдельной картине химического сдвига, приводящей к двум главным образом неперекрывающимся областям для C ^β -смены. Эти данные позволили авторам предложить следующее основное правило: «Если сдвиг C ^β <32.0 ppm или> 35,0 ppm, окислительно-восстановительное состояние относится к восстановленному или окисленному, соответственно »(Sharma and Rajarathnam, 2000). Этот эмпирический анализ позже был подтвержден результатами квантово-химических расчетов химических сдвигов цистеина (Martin et al., 2010), которые также сделали значение химического сдвига ¹³ C ^α нечувствительным к назначению окислительно-восстановительного состояния. Как указывалось выше, дисульфидные мостики благоприятствуют двум различным хиральностям. На рисунках 1C, D показаны распределения химического сдвига C ^β vs.H ^{β2 / 3} протонов и рисунок S13 для других ядер цистеина, активных для ЯМР, на основе фактических данных BMRB. Это указывает на то, что распределение C ^β / C ^α может быть вспомогательной информацией для выявления окислительно-восстановительного состояния цистеинов.

В дополнение к чистому определению структуры ЯМР на основе NOE, измерение остаточных диполярных связей (RDC) позволяет улучшить разрешение трехмерных структур в случае доступности соединений, меченных изотопами. Недавно обогащенный дисульфидом пептид Ta1a из яда пауков был уточнен до разрешения ~ 1.5 Å с применением этого подхода (Ramanujam et al., 2020).

В последнее время было показано, что сочетание селеноцистеинового сканирования и ЯМР-анализа является надежным подходом для картирования дисульфидных связей в богатых цистеином пептидах и белках (Denisov et al., 2019). Структурно консервативное замещение селена вызывает селективные изменения химического сдвига атомов углерода цистеина, участвующих в смешанной связи S – Se, что позволяет идентифицировать путем визуального сравнения спектров [ ¹ H, ¹³ C] -HSQC нативных и Sec-мутантов.

Конотоксины и гранулины

Конотоксины, небольшие пептиды, содержащие дисульфидный мостик, обнаруженные в морских конусах, привлекли значительный научный интерес, поскольку они связываются с ионными каналами. Фармакологический потенциал модулировать или блокировать активность ионных каналов и их синтетическая доступность делают конотоксины многообещающими кандидатами на роль новых анальгетиков. Однако Heimer et al. недавно показал на примере μ-PIIIA (три дисульфидные связи) сложность синтеза, очистки и аналитических характеристик одного конкретного изомера во множестве различных потенциально образующихся изомеров с дисульфидной мостиковой связью этих богатых цистеином пептидов (Heimer et al. ., 2018). В этом отношении ионные жидкости оказались многообещающим растворителем для управления процессом окислительного фолдинга (Милославина и др., 2010).

Влияние делеции дисульфидных связей на активность α-конотоксинов (двух дисульфидных связей) на никотиновых ацетилхолиновых рецепторах нейронов человека было изучено с использованием ЯМР, моделирования молекулярной динамики и методов фиксации напряжения (Tabassum et al., 2017). Эти данные подтверждают мнение о том, что две дисульфидные связи были выборочно сохранены для создания и стабилизации структурного каркаса, оптимизированного для связывания с рецептором.

Две недавние публикации представили структурное родство между структурами конотоксина и гранулированным модулем, которое также было решено с помощью ЯМР и обычно содержит шесть дисульфидных мостиков (Hrabal et al., 1996). Для конотоксина Φ-MiXXVIIA наблюдалась новая цистеиновая основа, имитирующая гранулин и проявляющая антиапоптотическую активность (Jin et al., 2017). Также для конотоксина N _ext H-Vc7.2 с тремя дисульфидными мостиками определение структуры ЯМР выявило гранулиноподобную складку, возникающую из общего каркаса цистинового узла ингибитора (Nielsen et al., 2019). Основываясь на дальнейших встречах этого мотива, например, в конотоксине αD-GeXXa, авторы заключают, что складка, содержащая две короткие штабелированные β-шпильки, стабилизированные двумя параллельными дисульфидными связями, может быть автономной единицей складывания.

Складки типа Казала, Куница и дефенсина

Из более ранних исследований известно, что ингибиторы протеаз, например, ингибиторы тромбина родниин (Van De Locht et al., 1995) и дипеталин (Icke et al., 2002), состоят из (повторяющихся) доменов типа Kazal, имеющих структурную форму. тремя дисульфидными мостиками.Недавно была выяснена структура ЯМР CmPI-II, ингибитора трипсина, эластазы нейтрофилов человека и субтилизина А, и смоделирован комплекс с последним (Cabrera-Munoz et al., 2019). Подобно недавнему структурному исследованию SPINK6 (Jung et al., 2016) из ингибиторов сериновых протеаз семейства Kazal-type (SPINK) (Feng et al., 2012), авторы описывают гибкий N-концевой участок и приписывают Возможности сайта P2 для альтернативных взаимодействий в комплексообразовании.

Белки типа Кунитца, среди которых бычий основной ингибитор трипсина поджелудочной железы (BPTI) является наиболее изученным членом (Berndt et al., 1992), демонстрируют компактную конформацию, стабилизированную тремя сильно консервативными внутрицепочечными дисульфидными связями. Недавно (Banijamali et al., 2019) представили ЯМР-характеристику ингибитора трипсина (PPTI) Pseudocerastes persicus , имеющего структурное сходство с дендротоксинами. Посредством последовательного моделирования они смогли показать, что PPTI может блокировать калиевые каналы Kv1.1 с тем же механизмом, что и дендротоксины. Кроме того, Ixolaris, мощный антикоагулянт слюны клещей, связывающий фактор свертывания крови Ха и зимоген FX, демонстрирует каноническую трехмерную структуру Кунитца (De Paula et al., 2019). Однако результаты ЯМР и моделирования показывают, что он демонстрирует неканоническое ингибирующее взаимодействие за пределами активного сайта FX.

Семейство пацифастиновых ингибиторов сериновых протеаз, обнаруженных у животных и растений, включает короткие белки, демонстрирующие три β-цепи, которые снова стабилизируются тремя дисульфидными мостиками (Simonet et al., 2002; Gaspari et al., 2004). Эти структурные особенности могут создавать стабильное компактное ядро ​​и расширенную петлю связывания.

Другой класс пептидов, демонстрирующих три дисульфидные связи, — это дефенсины.В зависимости от расположения цистеинов и их спаривания определяются три подсемейства (α, β, θ). Молекулы этих классов имеют сходную структурную складку (Lehrer and Lu, 2012; Dias Rde and Franco, 2015) и вызывают интерес как многообещающие альтернативы обычным антибиотикам. Недавно структура раствора раттузина ЯМР расширила структурный репертуар дефенсинов за счет каркаса, образованного межмолекулярным дисульфидным обменом между димерными единицами (Min et al., 2017).

Киназы и фосфатазы

C-концевая киназа Src (Csk) является членом семейства протеинтирозинкиназ CSK, которое содержит домен Sh3, несущий уникальную дисульфидную связь, которая регулирует активность киназы Csk (Mills et al., 2007). Было обнаружено, что киназная активность Csk сильно снижается при образовании дисульфидной связи Sh3. Liu и Cowburn (2016) наблюдали из рентгеновских данных, что только незначительные структурные изменения в домене Sh3 являются результатом образования дисульфидной связи. Однако измерения ЯМР показали, что восстановленный Sh3 может немного более эффективно связываться с пептидом, фосфорилированным Csk-связывающим белком.

Fms-подобная тирозинкиназа 3 является членом семейства PDGFR (класс III RTK), содержащего дисульфидные мостики, а также свободные цистеины.Посредством сериновой замены цитоплазматических цистеинов было обнаружено, что окислительная модификация остатков цистеина, например, экзогенными АФК, регулирует киназную активность этого клинически важного онкопротеина (Bohmer et al., 2019).

Для близкородственных членов протеин-тирозинфосфатаз (PTP) семейства KIM (Machado et al., 2017) обнаружены значительные различия в профилях окисления, сопровождающиеся различными механизмами стабилизации. В то время как обогащенный полосатым телом PTP и PTP-рецептор типа R стабилизируют свое обратимо окисленное состояние за счет образования внутримолекулярной дисульфидной связи, в гемопоэтическом PTP наблюдалось неожиданное образование обратимой межмолекулярной дисульфидной связи.

Заключительные замечания

Приведенные примеры показывают, что образование мостиков из дисульфида цистеина является важным и высоко развитым естественным признаком стабилизации пептидных и белковых структур и модуляции биологической активности. Это открытие подтверждается необычным распределением цистеинов, обнаруженным в протеомных данных различных видов / царств. Современные методы ЯМР и рентгеновского излучения позволяют определять молекулярные структуры биомолекул, богатых дисульфидом, с высоким разрешением.Поскольку дисульфидные мостики представляют собой единственную естественную ковалентную связь между цепями полипептидов, приобретенные знания об их вкладе в молекулярный каркас поддерживают разработку новых соединений на основе цистина с новыми функциональными (Nagarajan et al., 2018) или динамическими характеристиками (Gutmans et al., 2019), повышенной стабильности (Dombkowski et al., 2014), в конечном итоге, с целью улучшения фармакокинетических и динамических свойств для новых методов лечения и подходов к лечению. Однако дисульфидные связи имеют тенденцию быть нестабильными в восстановительных условиях, т.е.е., во многих физиологических ситуациях, которые инициировали поиск терапевтических соединений, в которых можно было бы использовать химические модификации для стабильного замещения этих связей. Таким образом, сообщалось о стабильных, невосстанавливаемых дикарба-мостиковых аналогах, например, для окситоцина (Stymiest et al., 2003), для α-конотоксинов подтипов α-ImI, Vc1.1 и RgIA (MacRaild et al., 2009; Van Lierop et al., 2013; Chhabra et al., 2014) или, в последнее время, инсулином (Van Lierop et al., 2017).

Авторские взносы

CW, AK, AL и OO в равной степени внесли свой вклад в подготовку рукописи.OO одобрил окончательную версию.

Финансирование

FLI является членом Ассоциации Лейбница (WGL) и получает финансовую поддержку от Федерального правительства Германии и земли Тюрингия.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Университет Мартина Лютера в Галле-Виттенберге за финансовую поддержку в рамках программы финансирования открытого доступа Немецкого исследовательского фонда (DFG).

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2020.00280/full#supplementary-material

Сокращения

ЯМР, ядерный магнитный резонанс; а. а., аминокислоты.

Сноска

Список литературы

Banijamali, S. E., Amininasab, M., and Zaeifi, D. (2019). Структурная характеристика PPTI, белка куница из яда Pseudocerastes persicus . PLoS ONE 14: e0214657. DOI: 10.1371 / journal.pone.0214657

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бектел, Т. Дж., И Вирапана, Э. (2017). От структуры к окислительно-восстановительному потенциалу: разнообразные функциональные роли дисульфидов и их влияние на болезнь. Протеомика. 17: 1600391. DOI: 10.1002 / pmic.201600391

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Берндт, К. Д., Гюнтерт, П., Орбонс, Л. П., и Вутрих, К.(1992). Определение высококачественной структуры раствора ядерного магнитного резонанса ингибитора трипсина поджелудочной железы крупного рогатого скота и сравнение с тремя кристаллическими структурами. J. Mol. Биол. 227, 757–775. DOI: 10.1016 / 0022-2836 (92) -6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бхаскаран Р., Чуанг Л. К. и Ю К. (1992). Конформационные свойства окситоцина в растворе диметилсульфоксида: исследования ЯМР и ограниченной молекулярной динамики. Биополимеры 32, 1599–1608. DOI: 10.1002 / bip.360321203

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bohmer, A., Barz, S., Schwab, K., Kolbe, U., Gabel, A., Kirkpatrick, J., et al. (2019). Модуляция передачи сигнала FLT3 через цитоплазматические остатки цистеина указывает на возможность окислительно-восстановительной регуляции. Редокс Биол. 28: 101325. DOI: 10.1016 / j.redox.2019.101325

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Босняк, И., Божович, В., Сегвич-Бубич, Т., и Билен, А. (2014). Возникновение белковых дисульфидных связей в различных сферах жизни: сравнение белков из банка данных по белкам. Protein Eng. Des. Sel. 27, 65–72. DOI: 10.1093 / белок / gzt063

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кабрера-Муньос, А., Валиенте, П. А., Рохас, Л., Алонсо-дель-Риверо Антигуа, М., и Пирес, Дж. Р. (2019). Структура ЯМР CmPI-II, неклассического ингибитора протеазы Kazal: понимание его конформационной динамики и ингибирования субтилизином А. J. Struct. Биол. 206, 280–294. DOI: 10.1016 / j.jsb.2019.03.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каруго О., Цемазар М., Захариев С., Худаки И., Гаспари З., Перчел А. и др. (2003). Вицинальные дисульфидные повороты. Protein Eng. 16, 637–639. DOI: 10.1093 / белок / gzg088

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чейни, М. О., Стейнрауф, Л. К. (1974). Кристаллическая и молекулярная структура тетрагонального l-цистина. Acta Crystallographica Section B 30, 711–716. DOI: 10.1107 / S0567740874003566

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чхабра С., Бельги А., Бартельс П., Ван Лиероп Б. Дж., Робинсон С. Д., Компелла С. Н. и др. (2014). Дикарба — аналоги альфа-конотоксина RgIA. Структура, стабильность и активность в отношении потенциальных целей боли. J. Med. Chem. 57, 9933–9944. DOI: 10.1021 / jm501126u

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кристинджер, Х.W., Fuh, G., De Vos, A.M., и Wiesmann, C. (2004). Кристаллическая структура фактора роста плаценты в комплексе с доменом 2 рецептора-1 фактора роста эндотелия сосудов. J. Biol. Chem. 279, 10382–10388. DOI: 10.1074 / jbc.M313237200

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коэн И., Кобан М., Шахар А., Шанкаран Б., Хокла А., Лахам С. и др. (2019). Дисульфидная инженерия человеческих ингибиторов сериновой протеазы Кунитца повышает протеолитическую стабильность и целевое сродство к мезотрипсину. J. Biol. Chem. 294, 5105–5120. DOI: 10.1074 / jbc.RA118.007292

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крейг Д. Б., Домбковски А. А. (2013). Disulfide by design 2.0: веб-инструмент для разработки дисульфидов в белках. BMC Bioinformatics 14: 346. DOI: 10.1186 / 1471-2105-14-346

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Де Паула, В. С., Сгуракис, Н. Г., Францискетти, И. М. Б., Алмейда, Ф.К. Л., Монтейро, Р. К., Валенте, А. П. (2019). Определение структуры ЯМР взаимодействия Ixolaris и фактора X (a) выявляет неканонический механизм ингибирования Куница. Кровь 134, 699–708. DOI: 10.1182 / blood.2018889493

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Денисов, С.С., Иппел, Дж. Х., Манс, Б. Дж., Дейкграаф, И., и Хакенг, Т. М. (2019). SecScan: общий подход к картированию дисульфидных связей в синтетических и рекомбинантных пептидах и белках. Chem. Commun. 55, 1374–1377. DOI: 10.1039 / C8CC08777F

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Диас Рде, О., и Франко, О. Л. (2015). Стабилизированные цистеином дефенсины алфавита: от общего к антибактериальному действию. Пептиды 72, 64–72. DOI: 10.1016 / j.peptides.2015.04.017

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Элнахрири, К. А., Вай, Д. К. С., Кришнарджуна, Б., Бадави, Н. Н., Читтур, Б., Macraild, C.A., et al. (2019). Структурная и функциональная характеристика нового пептида австралийского морского анемона Actinia tenebrosa . Toxicon 168, 104–112. DOI: 10.1016 / j.toxicon.2019.07.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фрага, Х., Пухольс, Дж., Хиль-Гарсия, М., Роке, А., Бернардо-Сейсдедос, Г., Сантамброджио, К., и др. (2017). Сворачивание, управляемое дисульфидом, для условно неупорядоченного белка. Sci.Rep. 7: 16994. DOI: 10.1038 / s41598-017-17259-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гутманс, Д. С., Уиттакер, С. Б., Азиани, К., Аткинсон, Р. А., Орегиони, А., и Пфул, М. (2019). Управление динамикой лейциновой молнии Nek2 путем создания «кинетических» дисульфидных связей. PLoS ONE 14: e0210352. DOI: 10.1371 / journal.pone.0210352

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаймер, П., Tietze, A. A., Bauml, C. A., Resemann, A., Mayer, F. J., Suckau, D., et al. (2018). Пересмотр конформационных изомеров мю-конотоксина PIIIA: влияние спаривания цистеина на назначение дисульфидных связей и выяснение структуры. Анал. Chem. 90, 3321–3327. DOI: 10.1021 / acs.analchem.7b04854

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грабал Р., Чен З., Джеймс С., Беннетт Х. П. и Ни Ф. (1996). Сгибание стопки шпильки, новая структура белка для нового семейства факторов роста белка. Nat. Struct. Биол. 3, 747–752. DOI: 10.1038 / nsb0996-747

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Icke, C., Schlott, B., Ohlenschlager, O., Hartmann, M., Guhrs, K.H., and Glusa, E. (2002). Слитые белки с антикоагулянтными и фибринолитическими свойствами: функциональные исследования и структурные соображения. Мол. Pharmacol. 62, 203–209. DOI: 10.1124 / mol.62.2.203

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзинь, А.H., Dekan, Z., Smout, M.J., Wilson, D., Dutertre, S., Vetter, I., et al. (2017). Конотоксин Phi-MiXXVIIA из суперсемейства G2 использует новую цистеиновую основу, которая имитирует гранулин и проявляет антиапоптотическую активность. Angew. Chem. Int. Эд. Англ. 56, 14973–14976. DOI: 10.1002 / anie.201708927

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jung, S., Fischer, J., Spudy, B., Kerkow, T., Sonnichsen, F. D., Xue, L., et al. (2016). Структура раствора ингибитора калликреин-родственных пептидаз SPINK6. Biochem. Биофиз. Res. Commun. 471, 103–108. DOI: 10.1016 / j.bbrc.2016.01.172

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каас, К., Ю, Р., Джин, А. Х., Дутертре, С., и Крейк, Д. Дж. (2012). ConoServer: обновленный контент, знания и инструменты для поиска в базе данных конопептидов. Nucleic Acids Res. 40, D325 – D330. DOI: 10.1093 / nar / gkr886

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Д., и Коуберн, Д. (2016). Комбинирование биофизических методов для анализа дисульфидной связи в домене Sh3 С-концевой киназы Src. Biophys. Rep. 2, 33–43. DOI: 10.1007 / s41048-016-0025-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Людешер, У., и Швицер, Р. (1971). О хиральности дисульфидной группы цистина: определение спирального смысла в модельном соединении с двугранным углом больше девяноста градусов с использованием ЯМР. и компакт-диск. Helv. Чим.Acta 54, 1637–1644. DOI: 10.1002 / hlca.19710540615

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мачадо Л., Шен Т. Л., Пейдж Р. и Пети В. (2017). Протеин-тирозинфосфатазы семейства KIM используют различные промежуточные продукты обратимого окисления: образование внутримолекулярных или межмолекулярных дисульфидных связей. J. Biol. Chem. 292, 8786–8796. DOI: 10.1074 / jbc.M116.774174

CrossRef Полный текст | Google Scholar

MacRaild, К.A., Illesinghe, J., Van Lierop, B.J., Townsend, A.L., Chebib, M., Livett, B.G., et al. (2009). Структура и активность (2,8) -дикарба- (3,12) -цистино альфа-ImI, альфа-конотоксина, содержащего невосстанавливаемый аналог цистина. J. Med. Chem. 52, 755–762. DOI: 10.1021 / jm8011504

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Махмуд, Д. Ф., Абдерразак, А., Эль-Хадри, К., Симмет, Т., и Руис, М. (2013). Система тиоредоксина как терапевтическая мишень для здоровья и болезней человека. Антиоксидант Редокс. Сигнал. 19, 1266–1303. DOI: 10.1089 / ars.2012.4757

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартин, О. А., Виллегас, М. Э., Вила, Дж. А., и Шерага, Х. А. (2010). Анализ химических сдвигов 13Calpha и 13Cbeta остатков цистеина и цистина в белках: квантово-химический подход. J. Biomol. ЯМР 46, 217–225. DOI: 10.1007 / s10858-010-9396-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Миллс, Дж.Э., Уитфорд, П. К., Шаффер, Дж., Онучич, Дж. Н., Адамс, Дж. А., и Дженнингс, П. А. (2007). Новая дисульфидная связь в домене Sh3 С-концевой киназы Src контролирует каталитическую активность. J. Mol. Биол. 365, 1460–1468. DOI: 10.1016 / j.jmb.2006.10.076

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Милославина А., Эберт К., Титце Д., Оленшлагер О., Энглерт К., Горлач М. и др. (2010). Необычный пептид Conus villepinii: синтез, структура раствора, кардиоактивность. Пептиды 31, 1292–1300. DOI: 10.1016 / j.peptides.2010.04.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мин, Х. Дж., Юн, Х., Джи, С., Раджасекаран, Г., Ким, Дж. И., Ким, Дж. С. и др. (2017). Структура ратузина выявляет новый дефенсиновый каркас, образованный межмолекулярным дисульфидным обменом. Sci. Реп. 7: 45282. DOI: 10.1038 / srep45282

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нагараджан, Д., Сукумаран, С., Дека, Г., Кришнамурти, К., Атрейя, Х. С., и Чандра, Н. (2018). Дизайн гем-связывающего пептидного мотива, принимающего конформацию бета-шпильки. J. Biol. Chem. 293, 9412–9422. DOI: 10.1074 / jbc.RA118.001768

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нильсен, Л. Д., Фогед, М. М., Альберт, А., Бертельсен, А. Б., Солтофт, К. Л., Робинсон, С. Д. и др. (2019). Трехмерная структура конотоксина H-суперсемейства выявляет гранулиновую складку, возникающую из общего цистеинового каркаса ICK. J. Biol. Chem. 294, 8745–8759. DOI: 10.1074 / jbc.RA119.007491

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оттинг Г., Лиепиньш Э. и Вутрих К. (1993). Изомеризация дисульфидной связи в BPTI и BPTI (G36S): ЯМР-исследование коррелированной подвижности в белках. Биохимия 32, 3571–3582. DOI: 10.1021 / bi00065a008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк, С., Ю, К. О., Маркуссен, Т., Backlund, A., Jacobsson, E., Rosengren, K.J., et al. (2017). Эволюция циклотидов: выводы из анализа последовательностей, структур и распределения их предшественников в фиалках (Viola). Фронт. Plant Sci. 8: 2058. DOI: 10.3389 / fpls.2017.02058

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рахит Р., Чакрабартти А. (2006). Структура, сворачивание и неправильная укладка супероксиддисмутазы Cu, Zn при боковом амиотрофическом склерозе. Biochim. Биофиз.Acta 1762, 1025–1037. DOI: 10.1016 / j.bbadis.2006.05.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рамануджам, В., Шен, Ю., Ин, Дж., И Мобли, М. (2020). Остаточные диполярные связи для разделения цистеиновых мостиков в пептидах с высоким содержанием дисульфидов. Фронт. Chem. 7: 889. DOI: 10.3389 / fchem.2019.00889

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schlott, B., Wohnert, J., Icke, C., Hartmann, M., Ramachandran, R., Guhrs, K.H., et al. (2002). Взаимодействие доменов ингибиторов Kazal-типа с сериновыми протеиназами: биохимические и структурные исследования. J. Mol. Биол. 318, 533–546. DOI: 10.1016 / S0022-2836 (02) 00014-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schmidt, J. M., Ohlenschlager, O., Ruterjans, H., Grzonka, Z., Kojro, E., Pavo, I., et al. (1991). Конформация [8-аргинин] вазопрессина и антагонистов V1 в растворе диметилсульфоксида, полученная с помощью двумерной ЯМР-спектроскопии и моделирования молекулярной динамики. Eur. J. Biochem. 201, 355–371. DOI: 10.1111 / j.1432-1033.1991.tb16293.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Simonet, G., Claeys, I., and Broeck, J. V. (2002). Структурные и функциональные свойства нового семейства пептидов, ингибирующих сериновую протеазу, у членистоногих. Сост. Biochem. Physiol. B Biochem. Мол. Биол. 132, 247–255. DOI: 10.1016 / S1096-4959 (01) 00530-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ситар, Т., Попович, Г. М., Сиванович, И., Хубер, Р., и Холак, Т. А. (2006). Структурная основа ингибирования инсулиноподобных факторов роста белками, связывающими инсулиноподобный фактор роста. Proc. Natl. Акад. Sci. США 103, 13028–13033. DOI: 10.1073 / pnas.0605652103

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сковгаард М., Дженсен Л. Дж., Брунак С., Уссери Д. и Крог А. (2001). Об общем количестве генов и их распределении по длине в полных геномах микробов. Trends Genet. 17, 425–428. DOI: 10.1016 / S0168-9525 (01) 02372-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стимист, Дж. Л., Митчелл, Б. Ф., Вонг, С., и Ведерас, Дж. К. (2003). Синтез биологически активных дикарба-аналогов пептидного гормона окситоцина с использованием метатезиса с замыканием кольца. Org. Lett. 5, 47–49. DOI: 10.1021 / ol027160v

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Секели, О., Армони, Г., Олсен, Г. Л., Бигмен, Л. С., Леви, Ю., Фасс, Д. и др. (2018). Идентификация и рационализация кинетических промежуточных продуктов фолдинга для модуля связывания лиганда рецептора липопротеинов низкой плотности. Биохимия 57, 4776–4787. DOI: 10.1021 / acs.biochem.8b00466

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шик А., Ву З., Такер К., Янг Д., Лу В. и Любковски Дж. (2006). Кристаллические структуры альфа-дефенсинов человека HNP4, HD5 и HD6. Protein Sci. 15, 2749–2760. DOI: 10.1110 / пс 062336606

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tabassum, N., Tae, H. S., Jia, X., Kaas, Q., Jiang, T., Adams, D. J., et al. (2017). Роль дисульфидной связи CysI-CysIII в структуре и активности альфа-конотоксинов на никотиновых ацетилхолиновых рецепторах нейронов человека. ACS Omega 2, 4621–4631. DOI: 10.1021 / acsomega.7b00639

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Консорциум UniProt (2019).UniProt: всемирный центр знаний о белках. Nucleic Acids Res. 47, D506 – D515. DOI: 10.1093 / nar / gky1049

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Де Лохт, А., Ламба, Д., Бауэр, М., Хубер, Р., Фридрих, Т., Крогер, Б. и др. (1995). Две головы лучше, чем одна: кристаллическая структура производного насекомого двухдоменного ингибитора казала родниина в комплексе с тромбином. EMBO J. 14, 5149–5157. DOI: 10.1002 / j.1460-2075.1995.tb00199.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Лиероп, Б., Онг, С.С., Бельги, А., Делейн, С., Андрикопулос, С., Хаворт, Н.Л. и др. (2017). Инсулин в движении: дисульфидная связь A6-A11 аллостерически модулирует структурные переходы, необходимые для активности инсулина. Sci. Реп. 7: 17239. DOI: 10.1038 / s41598-017-16876-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Лиероп, Б. Дж., Робинсон, С. Д., Компелла, С. Н., Бельги, А., Макартур, Дж. Р., Хунг, А. и др. (2013). Аналоги альфа-конотоксина дикарба Vc1.1 с дифференциальной селективностью в отношении никотиновых рецепторов ацетилхолина и ГАМКВ. ACS Chem. Биол. 8, 1815–1821. DOI: 10.1021 / cb4002393

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Варт, Х. Э., Льюис, А., Шерага, Х. А., и Саева, Ф. Д. (1973). Двугранные углы дисульфидных связей из рамановской спектроскопии. Proc. Natl. Акад. Sci. США 70, 2619–2623. DOI: 10.1073 / pnas.70.9.2619

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, M., Herrmann, C.J., Simonovic, M., Szklarczyk, D., и Фон Меринг, К. (2015). Версия 4.0 PaxDb: данные о содержании белка, интегрированные по модельным организмам, тканям и клеточным линиям. Proteomics 15, 3163–3168. DOI: 10.1002 / pmic.201400441

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

L-цистеин, N-ацетил- свойства — SpringerMaterials

• 
  Молекулярная формула:
  

  C ₅ H ₉ НЕТ ₃ S

• 
  Система элементов:
  

  C-H-N-O-S

• 
  CAS-RN:
  

  616-91-1, 7696-05-1

• 
  ИнЧИ:
  

  InChI = 1S / C5H9NO3S / c1-3 (7) 6-4 (2-10) 5 (8) 9 / h5,10H, 2h3,1h4, (H, 6,7) (H, 8,9) / t4 — / м0 / с1

• 
  Ключ InChI:
  

  PWKSKIMOESPYIA-BYPYZUCNSA-N

Исследуй это вещество

Свойства, появляющиеся с
L-цистеин, N-ацетил-

Химические свойства + синтез

• 
  Молекулярный вес:
  

  163.1973

• 
  Расчетный журнал P:
  

  -0,380

• 
  Вращающиеся облигации:
  

  7

• 
  H Акцепторы:
  

  3

• 
  H Донаторы:
  

  3

• 
  Реакции с использованием этого вещества в качестве реагента:
  

  85

• 
  Реакции с использованием этого вещества в качестве продукта:
  

  1

• 
  Журнальные статьи, содержащие это вещество:
  

  66

• 
  Патенты, содержащие это вещество:
  

  12

• 
  Другие публикации, содержащие это вещество:
  

  2

• 
  Поставщики:
  

  ABCR, Sigma-Aldrich, VWR

Данные из SPRESIweb

Используя институциональную учетную запись для этого веб-сайта, мы не отслеживаем какую-либо личную, производительность, функциональную информацию, а также информацию, связанную с собственными или сторонними лицами.Мы используем только основные файлы cookie, необходимые для его правильной работы. Пожалуйста, прочтите наш
политика конфиденциальности
а также
Заявление о конфиденциальности для Калифорнии
для дополнительной информации.

Хорошо

Влияние температуры на транспортные свойства цистеина в воде: AIP Advances: Vol 10, № 2

ВВЕДЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВерх страницыРАБРАКТЫ ВВЕДЕНИЕ << ДИФФУЗИЯ ДЕТАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ РЕЗУЛЬТАТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ДИФФУЗИИ, НЕОБХОДИМЫЕ КИСЛОТЫ атом серы в его боковой цепи (CH ₂ –S – H).Ковалентная связь между молекулами цистеина бывает двух типов: обычная пептидная связь (CO – NH) и дисульфидная связь (R – S – S – R ‘). Хотя метионин, аминокислота, также содержит атом серы в своей боковой цепи, он не образует дисульфидной связи ни сам по себе, ни с какими-либо другими молекулами. Таким образом, цистеин проявляет идентичное поведение при образовании ковалентной связи во время синтеза полипептидной цепи. Дисульфидная связь играет важную роль в укладке, стабильности и функциональной изменчивости белка. ^1,2 1. G. Bulaj, Biotechnol. Adv. 23 , 87–92 (2005). https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2004.09.0022. В. Дж. Ведемейер, Э. Велкер, М. Нараян и Х. А. Шерага, Биохимия 39 , 4207–4216 (2000). https://doi.org/10.1021/bi992922o Цистеин представляет собой белое кристаллическое твердое вещество с молярной массой 121,15 г / моль и температурой плавления 513 К. Его растворимость в воде составляет 16 г на 100 мл при 288 К. Однако цистеин проявляет гидрофобную природу, благодаря чему обычно находится внутри белков.Цистеин необходим для синтеза глутатиона с сильным антиоксидантным действием, который важен для детоксикации и защиты различных тканей и органов тела. Кроме того, цистеин способствует всасыванию питательных веществ из стенок кишечника и метаболизму липидов. Он повышает фертильность и укрепляет иммунную систему, помогая предотвратить деменцию, рассеянный склероз и болезнь Паркинсона. ³ 3. Р. М. Кане-Авилес, М. А. Уилсон, Д. В. Уилсон, Р.Ahmad, M. Rili, C. McLendon, S. Bandyopadhyay, M. J. Baptista, D. Ringe, G. A. Petsko и M. R. Cookson, Proc. Natl. Акад. Sci. США 101 , 9103–9108 (2004). https://doi.org/10.1073/pnas.0402959101 Он также признан антивозрастной аминокислотой. Все эти функции помещают цистеин в особое положение, которое не может быть заменено какой-либо другой аминокислотой. ⁴ 4. С. И. Ризви, Р. Джа, Мнение эксперта. Открытие лекарств 6 , 89–102 (2011). https://doi.org/10.1517/17460441.2011.533653 Молекула цистеина как остаток в белковой цепи играет решающую роль во взаимодействии ДНК-белок. В механизме репарации метилирования ДНК цистеин участвует в суицидной реакции в переносе метила от метил-ДНК к самому цистеину. ⁵ 5. Д. С. Дэниэлс, Т. Т. Ву, К. X. Луу, Д. М. Нолл, Н. Д. Кларк, А. Э. Пегг и Дж. А. Тайнер, Nat. Struct. Мол. Биол. 11 , 714 (2004). https://doi.org/10.1038/nsmb791 Цистеин не только играет роль в биомолекулярных взаимодействиях, но также действует как катализатор в процессе электровосстановления металлов, таких как висмут и золото, в соответствующих растворителях. ⁶ 6. A. Nosal-Wiercińska, J. Electroanal. Chem. 681 , 103–108 (2012). https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2012.06.005 Таким образом, изучение механических свойств цистеина необходимо в биологических и материальных науках. Термин «явление переноса» означает процесс, посредством которого масса, линейный импульс, угловой момент, энергия и заряд передаются от одной части системы к другой из-за неоднородности или неоднородности системы. Диффузия, важное свойство переноса, представляет собой явление, при котором масса передается в результате случайного движения молекул.Различные экспериментальные методы, такие как метод высоты пика, ⁷ 7. W. Jin и H. Chen, Chromatographia 52 , 17 (2000). https://doi.org/10.1007/bf024

моделирование ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и молекулярной динамики (МД) ⁸ 8. А. С. Вирк, Т. С. Гарднер, С. А. Уиллис, А. М. Торрес и У. С. Прайс, Front. Phys. 3 , 1 ​​(2015). https://doi.org/10.3389/fphy.2015.00001 были выполнены для изучения явления диффузии аминокислот в воде.Эти исследования в основном касались влияния концентрации, полярности и температуры на диффузию аминокислот. цепь других полярных аминокислот молекула цистеина появляется из-за гидрофильной природы; однако свободные молекулы цистеина находятся в гидрофобной области белков. ^9,10 9. P. Heitmann, Eur. J. Biochem. 3 , 346–350 (1968).https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1968.tb19535.x10. Н. Нагано, М. Ота и К. Нисикава, FEBS Lett. 458 , 69–71 (1999). https://doi.org/10.1016/s0014-5793(99)01122-9 Поскольку боковая цепь цистеина является гидрофобной по природе, она имеет тенденцию усиливать диффузию в воде. Однако атом серы в боковой цепи цистеина имеет тенденцию уменьшать диффузию, поскольку он имеет относительно более высокую атомную массу, чем основные элементы в органических соединениях, таких как углерод, азот и кислород. ^11–13 11.Лю Э. Б., Хильперт М., Comput. Geosci. 15 , 379–384 (2011). https://doi.org/10.1007/s10596-010-9208-012. Д. Сандрин, Д. Вагнер, К. Э. Ситта, Р. Тома, С. Фелекян, Х. Э. Гермес, К. Яняк, Н. де Соуза Амадеу, Р. Кюнемут, Х. Лёвен и др. , Phys. Chem. Chem. Phys. 18 , 12860–12876 (2016). https://doi.org/10.1039/c5cp07781h23. Y. Ma, C. Zhu, P. Ma, and K. T. Yu, J. Chem. Англ. Данные 50 , 1192–1196 (2005). https://doi.org/10.1021/je049582g Было бы интересно изучить влияние гидрофобного взаимодействия относительно тяжелой молекулы на коэффициент диффузии.Важно отметить, что тиол-SH-сайт остатка цистеина в антителах функционально активен при взаимодействии с металлами, такими как золото, и при биочувствительности. Молекула цистеина после разрыва дисульфидной связи в пептидной цепи играет очень важную роль в функционализации поверхности золота и иммобилизации антитела. Хотя золото является инертным металлом, его можно сделать химически активным, взаимодействуя с пептидной последовательностью, в основном взаимодействуя с серой, доступной в тиоловой группе –SH остатка цистеина. ¹⁴ 14. Б. Делла Вентура, А. Амбросио, А. Фиерро, Р. Фунари, Ф. Гесуэле, П. Маддалена, Д. Майер, М. Пика Чиамарра, Р. Велотта и К. Алтуччи, ACS Appl. . Матер. Интерфейсы 8 , 21762–21769 (2016). https://doi.org/10.1021/acsami.6b04449 Более того, поскольку цистеин в сочетании с триптофаном может действовать как прочное звено для связывания резистентных биорецепторов, он имеет широкое применение в био-зондировании. ¹⁵ 15. Б. Делла Вентура, Л. Скьяво, К. Алтуччи, Р. Эспозито и Р. Велотта, Biomed.Опт. Экспресс 2 , 3223–3231 (2011). https://doi.org/10.1364/boe.2.003223 Поскольку аминокислоты являются строительными блоками белковых молекул, они имеют много общего с более сложными биомолекулами, такими как антибиотики. Антибиотики широко используются в лекарствах и питательных веществах. ¹⁶ 16. М. Ибба, К. Статопулос, Д. Сёлль, Curr. Биол. 11 , R563 – R565 (2001). https://doi.org/10.1016/s0960-9822(01)00344-x Следовательно, измерение диффузии аминокислот важно при разработке лекарств.Более того, эффективность его движения в растворе может быть количественно измерена путем определения коэффициента вязкости в водных растворах. Таким образом, всестороннее изучение процесса диффузии и вязких свойств молекулы аминокислоты в воде необходимо для понимания жизненных процессов и физического механизма. неорганических соединений. Многие исследователи уже изучили механические свойства некоторых аминокислот. ^6,17 6. A. Nosal-Wiercińska, J. Electroanal. Chem. 681 , 103–108 (2012).https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2012.06.00517. Корочкина Л.Г., Цисак Э.М., Патель М.С. // Arch. Biochem. Биофиз. 429 , 171–179 (2004). https://doi.org/10.1016/j.abb.2004.06.027 Насколько нам известно, коэффициент диффузии и коэффициент вязкости молекулы цистеина в воде с помощью МД-моделирования еще не изучены. Поэтому мы намерены изучить эти свойства цистеина.

ДИФФУЗИЯ

Раздел:

ВыбратьВверх страницыАБСТРАКТА ВВЕДЕНИЕ ДИФФУЗИЯ << ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ СТРУКТУРА СИСТЕМНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФУЗИИ ЗАКЛЮЧЕНИЕ ССЫЛКИ Диффузия является динамическим свойством переносимых частиц вещества из области с более низкой концентрацией.Это происходит из-за неоднородности концентрации и теплового перемешивания частиц. ¹⁸ 18. Дж. Крэнк, Математика диффузии, , 2-е изд. (Издательство Оксфордского университета, Эли Хаус, Лондон, Висконсин, 1975). Диффузия играет важную роль в неживых веществах, а также в живых организмах. Диффузия в гомогенной системе, не имеющей градиента химической концентрации, называется самодиффузией, а соответствующий коэффициент диффузии называется коэффициентом самодиффузии. ¹⁹ 19. Х. Хиракава, Ю. Камей, О. Ясумичи, Bull. Chem. Soc. Jpn. 46 , 2659 (1973). https://doi.org/10.1246/bcsj.46.2659 Уравнение Эйнштейна используется для расчета коэффициентов самодиффузии, которые связывают коэффициент диффузии со среднеквадратичным смещением (MSD) частиц, ^20,21 20. D Френкель и Б. Смит, Понимание молекулярного моделирования от алгоритмов до приложений , 2-е изд. (Academic Press, США, 2002) 21. М.П. Аллен и Д.Дж. Тилдесли, Компьютерное моделирование жидкостей (Oxford University Press, США, 1989).

В уравнении. (1), r ( t ) — r (0) — смещение частицы от реперной точки за время t , [ r ( t ) — r (0)] ² — квадрат смещения, а ⟨⋯⟩ представляет собой среднее по ансамблю, и, следовательно, ⟨[ r ( t ) — r (0)] ² ⟩ дает MSD частицы.Бинарная диффузия — это диффузия частиц в смеси двух разных веществ. Это количественно измеренный коэффициент диффузии с использованием соотношения Даркена ²² 22. L. S. Darken, Trans. AIME 175 , 184 (1948). (2), D ₁₂ — коэффициент бинарной диффузии, D ₁ и D ₂ — коэффициенты самодиффузии веществ 1 и 2 соответственно, и N ₁ и N ₂ — соответствующие мольные доли.Чтобы оценить коэффициенты диффузии, моделирование проводится с использованием периодических граничных условий (PBC). При PBC диффузия сильно зависит от размера симулятора, как было предложено Yeh и Hummer. ²³ 23. I. C. Yeh и G. Hummer, J. Phys. Chem. B 108 , 15873–15879 (2004). https://doi.org/10.1021/jp0477147 из-за дальнодействия гидродинамического взаимодействия. Влияние размера системы на коэффициент диффузии ( D _PBC ) при периодических граничных условиях учитывается как ^23–25 23.I. C. Yeh, G. Hummer, J. Phys. Chem. B 108 , 15873–15879 (2004). https://doi.org/10.1021/jp047714724. B. Dünweg, K. Kremer, J. Phys. Chem. B 99 , 6983–6997 (1993). https://doi.org/10.1063/1.46544525. С. Х. Джамали, Л. Вольф, Т. М. Беккер, А. Бардо, Т. Дж. Х. Влугт и О. А. Моултос, J. Chem. Теория вычисл. 14 , 2667–2677 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.jctc.8b00170

, где D ₀ — независимое от размера системы значение коэффициента диффузии, D _PBC — смоделированное значение коэффициента диффузии в кубической коробке размером L при периодических граничных условиях (PBC), k _B — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура системы, а η — сдвиговая вязкость растворителя,

Из точки пересечения и наклона уравнения. (3) оценены значения D ₀ и η .

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ

Раздел:

ВыбратьВверх страницы РЕЗУЛЬТАТЫ ВВЕДЕНИЕ ДИФФУЗИЯ ДЕТАЛИ РАСЧЕТОВ << РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ КОЭФФИЦИЕНТЫ ДИФФУЗИИ ЗАКЛЮЧЕНИЕ СООБЩЕНИЯ В кубической ячейке 3 и кубической молекулярной динамики было проведено моделирование 3 молекул воды и кубов кубической динамики молекул воды 3 и куб.17 нм при пяти различных температурах; 288 K, 293 K, 303 K, 313 K и 323 K. При моделировании использовались параметры силового поля с расширенной простой точечной зарядкой (SPC / E) и оптимизированные потенциалы для моделирования жидкостей - все атомы (OPLS-AA). . Все связанные и несвязанные параметры взаимодействия назначаются в силовом поле OPLS-AA по умолчанию, а параметры для SPC / E ²⁶ 26. H. J. C. Berendsen, J. R. Grigera и T. P. Straatsma, J. Phys. Chem. 91 , 6269–6271 (1987).https://doi.org/10.1021/j100308a038 водные модели включены в файл spce.itp , присущий GROMACS 5.1.1. ²⁷ 27. D. Spoel et al. , Руководство пользователя GROMACS, версия 5.1.1 , 2016. Кроме того, один и тот же атом имеет разные частичные заряды в зависимости от группы присоединения. Кулоновское взаимодействие происходит из-за частичного заряда, существующего в атомах / молекулах. Точно так же взаимодействие Ван-дер-Вааль происходит в результате индуцированного дипольного взаимодействия.Координаты, назначенные для молекул в файле .pdb, могут не быть равновесными структурами, скорее они являются первоначальным предположением из карты плотности вероятности электронов, полученной с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) или ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Кроме того, молекулы могли испытывать стерические затруднения, что могло вызвать ненужное напряжение в системе. Чтобы устранить эффекты и привести систему в состояние минимальной потенциальной энергии, процесс минимизации энергии был выполнен с использованием алгоритма наискорейшего спуска. ²⁷ 27. D. Spoel et al. , Руководство пользователя GROMACS, версия 5.1.1 , 2016. После минимизации энергии система готова к изучению динамических свойств. Однако динамические свойства, такие как диффузия и вязкость, обычно зависят от таких параметров, как температура, давление и плотность. ²⁸ 28. С. П. Ханал, Ю. П. Кандел и Н. П. Адхикари, AIP Adv. 90 , 065303 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5099069 Следовательно, перед запуском производственного цикла эти вышеупомянутые параметры должны поддерживаться постоянными во время моделирования, а исследуемая система должна быть приведена в состояние термодинамического равновесия, которое известно как равновесие. системы.Чтобы привести систему в состояние термодинамического равновесия, мы выполнили цикл уравновешивания для каждой системы в ансамбле NPT. Во время каждого моделирования использовались термостат изменения масштаба скорости со временем взаимодействия 0,01 пс и баростат Берендсена со временем взаимодействия 0,8 пс. ²⁷ 27. D. Spoel et al. , Руководство пользователя GROMACS, версия 5.1.1 , 2016. Была взята изотермическая сжимаемость 4,6 × 10 ⁻⁵ бар ⁻¹ . Алгоритм ограничения Linear Constraint Solver (LINCS) был применен для преобразования всех связей в ограничения во время выполнения уравновешивания. ²⁷ 27. D. Spoel et al. , Руководство пользователя GROMACS, версия 5.1.1 , 2016. Расстояние отсечки 1 нм было взято как для кулоновского, так и для леннард-джонсовского (LJ) взаимодействий, а кулоновское взаимодействие на большие расстояния было учтено с помощью PME (Particle- mesh Ewald) с шагом Фурье 0,12 нм. Чтобы запустить цикл уравновешивания, необходимо задать скорость молекул. Распределение Максвелла – Больцмана использовалось для получения начальных скоростей частиц в системе.Чтобы получить новые положения и скорости частиц после каждого временного шага, алгоритм «чехарда» ²⁷ 27. D. Spoel et al. , Руководство пользователя GROMACS, версия 5.1.1 Было выбрано , 2016. Каждый цикл уравновешивания выполнялся в течение 50 нс с шагом по времени 1 фс.

Следовательно, производственный цикл каждой системы был выполнен для расчета транспортных свойств системы в ансамбле NVT в течение 50 нс с шагом по времени 1 фс с использованием термостата с изменяющимся масштабом скорости и времени связи 0.01 шт. Кроме того, не требуется генерировать начальные скорости в прогоне NVT, поскольку моделирование продолжается со скоростями, сгенерированными в прогоне уравновешивания.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыАБРАКТЫ ВВЕДЕНИЕ ДИФФУЗИЯ РАСЧЕТНЫЕ ДЕТАЛИ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ << СТРУКТУРА СИСТЕМЫ КОЭФФИЦИЕНТЫ ДИФФУЗИИВЫКЛЮЧЕНИЯСсылки на структурный анализ системы при различных температурах

и переносимых температурах.

СТРУКТУРА СИСТЕМЫ

Раздел:

ВыбратьВверху страницы РЕЗУЛЬТАТЫ ВВЕДЕНИЕ ДИФФУЗИЯ РАСЧЕТНЫЕ ДЕТАЛИ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ Анализ << КОЭФФИЦИЕНТЫ ДИФФУЗИИ. Для этого мы построили график RDF между атомами кислорода молекул воды [ г _{OW – OW} (r)] и карбоксильным кислородом цистеина и кислородом воды [ г _{OC – OW} (r)] при пять разных температур.

На рисунке 1 показана РФР между атомами кислорода молекул воды при следующих температурах: 288 К, 293 К, 303 К, 313 К и 323 К. Значения исключенной области (ER), положения первого пика (FPP), представлены первое пиковое значение (FPV), второе пиковое положение (SPP), второе пиковое значение (SPV), третье пиковое положение (TPP) и третье пиковое значение (TPV) RDF g _{OW – OW} (r). в таблице I.

ТАБЛИЦА I. Детали РФР кислород-кислородных атомов молекул воды при различных температурах.

На рисунке 1 есть три отдельных пика. Первый пик, расположенный на расстоянии примерно 0,27 нм от положения центрированного атома, является самым высоким и острым. Это означает, что в этом положении максимальное количество атомов кислорода кластеризуется от эталонного атома кислорода. Другими словами, вероятность нахождения атомов кислорода в положении первого пика самая высокая.Это наиболее предпочтительное положение или положение с минимальной энергией от центрированного атома. Значение параметра Леннарда-Джонса σ кислорода в воде составляет 0,3166 нм, а радиус Ван-дер-Вааль составляет (216σ) ≈ 0,36 нм. Однако FPP в нашей системе на 0,27 нм меньше 0,36 нм. Это свидетельствует о том, что существует не только LJ-взаимодействие между атомами кислорода воды, но и другие взаимодействия, такие как кулоновские и связанные взаимодействия. Второй и третий пики относительно короче и шире, они расположены примерно в положениях 0.45 нм и 0,68 нм соответственно. Исключенная область, в которой RDF равна нулю, простиралась до 0,24 нм от центра эталонного атома кислорода. Никакой другой атом кислорода не может существовать в исключенной области из-за сильных сил отталкивания, а именно члена LJ взаимодействия и отталкивающих кулоновских взаимодействий r ⁻¹² . ²⁹ 29. I. Poudyal, N. P. Adhikari, J. Mol. Liq. 198 , 77 (2014). https://doi.org/10.1016/j.molliq.2014.01.004 Мы также изучили влияние температуры на RDF.С повышением температуры положения пиков смещаются вправо, высота пиков уменьшается, а ширина увеличивается (см. Таблицу I). Это отражает то, что наша система стала менее организованной с повышением температуры. Это объясняется увеличением теплового перемешивания атомов в системе с повышением температуры. Кроме того, за графиком третьего пика находится прямая линия, имеющая в среднем значение единицы. Это свидетельствует об отсутствии парной корреляции атомов кислорода.RDF g _{OC – OW} (r) дает представление о том, как карбонильные атомы кислорода цистеина организованы вокруг атома кислорода воды. На рис. 2 показан RDF g _{OC – OW} (r) при вышеупомянутых температурах. Из рисунка хорошо видно, что RDF имеет два заметных пика. Значения ER, FPP, FPV, SPP и SPV приведены в таблице II.

ТАБЛИЦА II. Детали RDF карбонильного кислорода цистеина и кислорода воды при разных температурах.

288

Первый пик, расположенный на расстоянии около 0,33 нм от положения эталонного атома кислорода воды, является самым высоким и острым.Это означает, что в этом положении максимальное количество карбонильных атомов кислорода цистеина сгруппировано от эталонного атома кислорода. Следовательно, это наиболее предпочтительное положение карбонильных атомов кислорода для кластеризации вокруг атома кислорода воды. Второй пик относительно короче и шире, он расположен примерно в позиции 0,58 нм. Исключенная область простирается до 0,24 нм от центра эталонного атома кислорода. Невозможно найти карбонильный кислород в исключенной области из-за сильных сил отталкивания.За пределами второго пика парная корреляция карбонильных атомов кислорода и эталонного атома кислорода воды отсутствует.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ДИФФУЗИИ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыАБСТРАКТА ВВЕДЕНИЕ ДИФФУЗИЯ РАСЧЕТНЫЕ ДЕТАЛИ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ КОЭФФИЦИЕНТЫ ДИФФУЗИИ << ВЫВОДЫ были рассчитаны с использованием соответствующих коэффициентов диффузии для различных температур с использованием различных коэффициентов диффузии для различных температур. Мы определили коэффициент самодиффузии по наклону графика MSD в соответствии с уравнением Эйнштейна (1).Мы построили кривые МСД для 3 нс для всех температур, даже несмотря на то, что производственный цикл был выполнен в течение 50 нс, поскольку статистика лучше в начале, чем в конечной области графика. На рисунках 3 и 4 показан график зависимости МСД от времени для цистеина и воды при температурах 288 К, 293 К, 303 К, 313 К и 323 К. Исследование показало, что с повышением температуры наклон кривых МСД также увеличивается, что, в свою очередь, увеличивает коэффициент самодиффузии. Расчетные значения коэффициентов самодиффузии цистеина и воды и их бинарных коэффициентов диффузии представлены в таблице III с ранее сообщенными экспериментальными значениями.Таблица III показывает, что смоделированные значения коэффициентов самодиффузии согласуются с экспериментальными значениями с погрешностью 12%. Ошибка в экспериментальных значениях коэффициента самодиффузии воды, как сообщает Holz, ³⁰ 30. M. Holz, S.R. Heil и A. Sacco, Phys. Chem. Chem. Phys. 2 , 4740 (2000). https://doi.org/10.1039/b005319h меньше 1%.

ТАБЛИЦА III. Оценочные значения коэффициентов собственной и бинарной диффузии при различных температурах.

9229

9229 9229 27,3208 5,4201

17…

9229

9227 .29 ± 0,51

Коэффициенты самодиффузии воды на предыдущих участках были получены при определенных температурах цистеина и теперь используется для расчета бинарных коэффициентов диффузии с использованием соотношения Даркена (2). Мы смоделировали три молекулы цистеина и 1039 молекул воды, всего 1042 молекулы. Таким образом, мольная доля цистеина равна 0.003, а воды — 0,997. Расчетные значения бинарных коэффициентов диффузии и соответствующие экспериментальные значения показаны в таблице III. Расчетное значение бинарного коэффициента диффузии находится в пределах 4% ⁷ 7. W. Jin и H. Chen, Chromatographia 52 , 17 (2000). https://doi.org/10.1007/bf024

с экспериментальным значением при 288 К. Кроме того, расчетные значения коэффициентов диффузии увеличиваются с повышением температуры, поскольку тепловая энергия молекул увеличивается с увеличением температуры, но плотность система уменьшается, что, в свою очередь, увеличивает доступное пространство для распространения.Таким образом, движение молекул в системе увеличивается, и, следовательно, коэффициент диффузии увеличивается при более высоких температурах.

Температурная зависимость диффузии

Как видно из таблицы III, явление диффузии сильно зависит от температуры. Температурно-зависимое поведение диффузии определяется уравнением Аррениуса ²⁹ 29. I. Poudyal and N. P. Adhikari, J. Mol. Liq. 198 , 77 (2014). https://doi.org/10.1016/j.molliq.2014.01.004 В уравнении. (4), D — коэффициент диффузии, D ₀ — предэкспоненциальный множитель, E _a — энергия активации диффузии, N _A — Число Авогадро, значение которого равно 6.022 × 10 ²³ моль ⁻¹ , k _B — постоянная Больцмана, значение которой составляет 1,38 × 10 ⁻²³ Дж K ⁻¹ , а T — абсолютная температура. Принимая натуральный логарифм в уравнении. (4) получаем

Энергия активации E _a для диффузии может быть получена из наклона графика ln D в зависимости от 1T (график Аррениуса) как

Перехват при экстраполяции к 1/ T → 0 на графике Аррениуса дает предэкспоненциальный множитель. На рисунке 5 показан график Аррениуса смоделированных значений самодиффузии цистеина. Энергия активации самодиффузии цистеина, рассчитанная с использованием наклона линейной аппроксимации смоделированных значений, составляет 15,49 кДж / моль ^-1 . На рисунке 6 показан график Аррениуса как смоделированных, так и экспериментальных значений самодиффузии цистеина. воды.Энергии активации самодиффузии воды, рассчитанные с использованием соответствующего наклона линейной аппроксимации смоделированных значений и экспериментальных значений, составили 15,67 кДж моль ^-1 и 17,88 кДж моль ^-1 , соответственно. График Аррениуса смоделированных значений бинарной диффузии цистеина в воде. Энергия активации бинарной диффузии цистеина в воде, рассчитанная с использованием наклона линейной аппроксимации смоделированных значений, составляет 15,50 кДж моль ^-1 .На рисунках 5–7 показана температурная зависимость диффузии. Из этих графиков видно, что коэффициенты диффузии увеличиваются с температурой. Мы рассчитали энергии активации для диффузии цистеина, воды и их бинарной смеси, используя наклон соответствующих графиков Аррениуса, которые приведены в таблице IV.

ТАБЛИЦА IV. Энергии активации диффузии.

918%

Из таблицы IV видно, что энергии активации для самодиффузии цистеина и бинарного диффузия цистеина в воде почти такая же.Это означает, что концентрация цистеина в системе бесконечно мала. Кроме того, энергия активации, рассчитанная для смоделированных и экспериментальных значений самодиффузии воды, согласуется с ошибкой 13%.

Влияние размера системы на диффузию

Кроме того, коэффициент диффузии при периодических граничных условиях (PBC) также зависит от размера системы. ²³ 23. I. C. Yeh, G. Hummer, J. Phys. Chem. B 108 , 15873–15879 (2004). https: // doi.org / 10.1021 / jp0477147 В приведенном выше расчете коэффициент диффузии был рассчитан при различных температурах и периодических граничных условиях. Теперь моделирование было расширено, чтобы определить, как меняются коэффициенты диффузии, изменяя размер коробки. Для этого были созданы две другие системы: (i) 2 цистеина в 693 молекулах воды в коробке размером 2,76 нм и (ii) 5 цистеина в 1732 молекулах воды в коробке размером 3,75 нм. Расчетные значения коэффициентов диффузии при периодических граничных условиях с блоками моделирования различных размеров приведены в таблице V.

ТАБЛИЦА V. Расчетные значения коэффициентов диффузии для систем разного размера ( L ) при 288 К.

18 нм )