시스테인

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시스테인

[ cysteine ]

시스테인(cysteine)은 머캅토메틸(mercaptomethyl; HSCH2) 작용기를 가지고 있는 알파-아미노산(alpha-amino acid)이며, 기호로 표시할 때 Cys 또는 C로 표시한다. 황을 포함하는 천연 아미노산으로는 시스테인과 싸이오메톡시에틸(thiomethoxyethyl; MeSCH2CH2) 치환기를 가지고 있는 메싸이오닌(methionine) 이렇게 둘 뿐이다.

일반적으로 충분한 양의 메싸이오닌이 이용 가능한 경우 시스테인은 정상적인 생리 조건에서 인체에 의해 합성될 수 있기 때문에 비필수 아미노산으로 분류된다. 그러나 특정 대사 질환이 있거나, 영아, 노인 및 흡수 장애 증후군을 앓고 있는 사람에게는 필수적인 아미노산이다. 또한 양이 양모를 생산하기 위해서는 시스테인의 섭취가 꼭 필요하다. 시스테인은 주로 고단백질 음식에 많이 포함되어 있다. 코돈(codon) UGU와 UGC에 의해 인코딩(encoding)된다.

이름 시스테인(cysteine)
다른 이름 L-시스테인(L-cysteine) D-시스테인(D-cysteine)
IUPAC 명 (R)-2-아미노-3-머캅토프로판산 (R)-2-amino-3-mercaptopropanoic acid (S)-2-아미노-3-머캅토프로판산 (S)-2-amino-3-mercaptopropanoic acid
CAS 번호 52-90-4 921-01-7
분자식 C3H7NO2S
분자량 121.15 g/mol
성상 흰색 고체
밀도 1.68 g/cm31) 1.30 g/cm3 (계산값, 22 oc)2)
녹는점 240 °C(분해)1) 230 °C(분해)3)
용해도 280 g/L (물, 25 oC)4),5)

목차

  1. 1.구조 및 특성
    1. 1.1.구조
      1. 1.1.1.(S)/(R) 대 L-/D-
    2. 1.2.특성
  2. 2.독성
  3. 3.역사
  4. 4.생합성
    1. 4.1.1단계
    2. 4.2.2단계
  5. 5.시스테인 분해 작용기전
    1. 5.1.1단계
    2. 5.2.2단계
    3. 5.3.3단계
  6. 6.제법
  7. 7.생물학적 용도 및 기능
    1. 7.1.시스테인 돌연변이
    2. 7.2.식품 첨가물
  8. 8.시스테인 vs. 시스틴
  9. 9.참고문헌

구조 및 특성

구조

시스테인은 카복실산의 알파 위치에 머캅토메틸(mercaptomethyl; HSCH2) 치환체를 가진 알파-아미노산이다. 알파-아미노산에서 알파는 카복실산(carboxylic acid)의 알파(또는 2번) 위치에 아민(NH2) 치환기가 있다는 뜻이다. 카이랄(chiral) 알파 탄소의 절대 위치 배열(absolute configuration)이 (R)인 것을 L-시스테인, (S)인 것을 D-시스테인이라고 부른다. 

L-시스테인과 D-시스테인의 구조: 카이랄 탄소의 절대 위치 배열(출처: 대한화학회)

(S)/(R) 대 L-/D-

여기서 주의할 것은 모든 아미노산의 명명법에서 절대 위치 배열 (S)/(R)과 L/D-기호는 항상 연관이 있는 것은 아니라는 것이다. 예를 들어, 시스테인의 카이랄 알파 탄소의 우선 순위는 NH2 > CH2SH > COOH 인데 반해, 시스테인의 CH2SH가 CH2OH로 바뀐 세린(serine)의 경우에는 우선 순위가 NH2 > COOH > CH2OH 이므로 절대 위치 배열이 (S)인 것이 L-세린, (R)인 것이 D-세린이 된다.  

L-세린과 D-세린의 구조 및 IUPAC 명명법: 카이랄 탄소의 절대 위치 배열(출처: 대한화학회)

특성

중성 pH에서 암모늄(ammonium; NH3+)과 카복실레이트(carboxylate; COO-) 쯔비터 이온(zwitterion) 형태로 존재한다. 자연계에 있는 단백질에 존재하는 시스테인은 대부분 L-시스테인이다. 치환체 머캅토메틸은 극성/비극성(polar/non-polar) 분류시 극성으로 분류되고, 산성/염기성 분류시 중성으로 분류되며, SH 작용기의 pKa는 8.6이다. 시스테인의 등전점(isoelectric point)은 5.02이다. 시스테인의 SH 작용기는 친핵체(nucleophile)로서 효소 반응에 참여한다.

독성

쥐(rat)를 이용한 실험에서 무해용량(NOAEL; No Observed Adverse Effect Level)은 L-시스테인의 경우 500 mg/kg/일 보다 작고, D-시스테인의 경우 500 mg/kg/일인 것으로 추정된다. 독성 프로파일은 L-시스테인 및 D-시스테인에 대해 유사하였다.6)

역사

1810년에 영국 물리/화학자인 윌리엄 올라스톤(William Hyde Wollaston; 1766-1828)이 처음으로 간접적으로 발견했다.7) 올라스톤은 요로석(신장 결석)에서 결정형(crystalline) 물질을 분리했고, 낭성 산화물(cystic oxide) 이라고 불렀다. 이 물질은 이후 시스테인이 산화된 이합체(dimer) 형태인 시스틴(cystine)으로 밝혀졌다.8)

생합성

동물, 식물, 박테리아에서 시스테인 생합성은 세린에서 시작하여 총 두 단계를 거쳐 완성된다.9)

시스테인의 생합성: L-세린으로부터 두 단계에 거쳐 L-시스테인이 합성된다. (출처: 대한화학회)

1단계

세린의 하이드록시(hydroxy; OH) 작용기를 아세테이트(acetate; CH3COO)로 만들어 좋은 이탈기(leaving group)로 바꾸어주는 단계이다. 구체적으로는 L-세린이 효소인 세린 아세틸트랜스퍼레이스(serine acetyltransferase; CysE)에 의해 아세틸화 반응하여 O-아세틸세린(O-acetylserine)이 형성된다. 이 과정에서 보조인자(cofactor) 아세틸 코엔자임A(acetyl-CoA)은 아세틸기를 제공하는 친전자체(electrophile), 세린의 하이드록시기는 친핵체(nucleophile) 역할을 한다.

2단계

O-아세틸세린의 아세테이트가 황을 포함한 친핵체에 의해 치환되는 단계이다. 자세히 살펴보면, O-아세틸세린이 효소인 O-아세틸세린 설프하이드릴레이스(O-acetylserine sulfhydrylase; CysK/CysM)에 의해 싸이올(thiol) 치환반응(substitution)이 일어나 L-시스테인이 합성된다. 이 과정에서 황화 수소(hydrogen sulfide; H2S) 또는 싸이오황산 음이온(thiosulfate; S2O32-)은 싸이올 작용기를 제공하는 친핵체, O-아세틸세린의 아세테이트(acetate)는 이탈기로 작용한다.

한편, 일부 박테리아와 진핵생물에서는 메싸이오닌(methionine)의 대사를 통해 시스테인이 합성된다.

시스테인 분해 작용기전

L-시스테인은 산화되어 3-설피노알라닌(3-sulfinoalanine)으로 바뀐 다음, 트랜스아미네이션(transamination)에 의해 3-설피닐피루브산(3-sulfinylpyruvate)이 되며, 최종적으로 피루브산(pyruvate)과 황산 음이온(sulfate: SO42-)으로 분해된다

시스테인 분해 작용기전: 시스테인은 산화되어 3-설피노알라닌이 된 후 트랜스아미네이션에 의해 3-설피닐피루브산이 되며 최종적으로 피루브산과 황산 음이은으로 분해된다(출처: 대한화학회)

1단계

L-시스테인은 효소인 시스테인 다이옥시제네이스 1(cysteine dioxygenase 1)에 의해 산화되어 3-설피노알라닌으로 바뀐다. 이 과정에서 산소가 필요하다.

2단계

3-설피노알라닌은 효소인 3-설피노알라닌 아미노트랜스퍼레이스(3-sulfinoalanine aminotransferase)에 의해 3-설피닐피루브산(3-sulfinylpyruvate)이 합성된다. 이 과정에서 알파-케토글루타르산(alpha-ketoglutarate)이 3-설피노알라닌의 질소를 수용하여 글루탐산(glutamic acid)으로 바뀐다.

3단계

3-설피닐피루브산은 자연적으로 피루브산(pyruvate)으로 바뀌면서 아황산 음이온(sulfite)을 방출하고, 방출된 아황산 음이온은 아황산 음이온 효소인 옥시데이스(sulfite oxidase)에 의해 황산 음이온(sulfate)으로 바뀐다.

제법

공업적으로는 가금류 깃털이나 돼지털 등의 동물성 물질의 가수 분해에 의해 얻을 수 있다. E. coli 돌연변이를 이용한 발효에 의해서도 시스테인을 합성할 수 있다. 독일 데구사(Degussa) 기업에서는 치환된 싸이아졸린(thiazoline)으로부터 얻는 방법도 개발했다.

생물학적 용도 및 기능

시스테인은 코엔자임 A (coenzyme A), 타우린 (taurine), 세포 내 주요한 항산화제인 글루타싸이온(glutathione)의 전구체이다.

시스테인 돌연변이

비가역적 저해제(irreversible inhibitor)의 대부분은 특정 표적 단백질(target protein)의 활성자리(active site)에 있는 시스테인(cysteine)의 싸이올(thiol; SH)과 공유 결합하여 약효를 나타낸다. 한편, 이 시스테인이 세린이나 기타 아미노산으로 바뀐 돌연변이(mutant)에서는 비가역적 저해제가 더 이상 결합을 하지 못하여 약효가 없어지는 내성이 생기게 된다. 이러한 차이는 친핵성(nucleophilicity)이 좋은 시스테인의 SH는 비가역적 저해제와 공유결합을 형성하지만, 상대적으로 친핵성이 떨어지는 세린의 OH 또는 친핵성 치환체가 없는 아미노산은 공유 결합을 형성하지 못하는 것으로 설명할 수 있다.

식품 첨가물

식품 첨가물로 사용될 때는 E번호가 E920이다.

시스테인 vs. 시스틴

시스테인이 산화되어 싸이올(SH)의 수소를 잃으면서 두 분자가 결합하여 다이설파이드(disulfide; -S-S-) 결합을 형성하면 시스틴(cystine)이 만들지는데, 이 시스틴은 단백질의 중요한 구조적 역할을 한다. 예를 들어, 머리카락 파마(perm)는 화학적으로 모발에 약 10-14% 존재하는 시스테인이 시스틴으로 바뀌면서 일어나는 현상이다.

참고문헌

1.
2.
3.
4.
5.
6. Comparisons of L-cysteine and D-cysteine toxicity in 4-week repeated-dose toxicity studies of rats receiving daily oral administration, J. Toxicol. Pathol. 2017, 30 (3), 217–229.
7.
8. Vickery HB, Schmidt CLA. The history of the discovery of the amino acids. Chem. Rev. 1931, 9, 169-318.
9. Fujishima, K., Wang, K.M., Palmer, J.A. et al. Reconstruction of cysteine biosynthesis using engineered cysteine-free enzymes. Sci Rep 8, 1776 (2018).

동의어

시스테인