Cystein (ausgesprochen: Züste-īn), abgekürzt Cys oder C, ist eine α-Aminosäure mit der Seitenkette –CH2–SH, die Schwefel enthält. Nur die natürlich vorkommende enantiomere Form L-Cystein [Synonym: (R)-Cystein] ist eine proteinogene Aminosäure; sie kann beim Erwachsenen in der Leber aus der ebenfalls schwefelhaltigen Aminosäure L-Methionin gebildet werden.
Durch Oxidation der Sulfhydrylgruppen können zwei Cysteinreste miteinander eine Disulfidbrücke bilden, womit Cystin entsteht. Solche Disulfidbrücken stabilisieren in zahlreichen Proteinen deren Tertiär- und Quartärstruktur und sind für Bildung und Erhalt funktionstragender Konformationen von Bedeutung.
Isomerie Cystein kann in den enantiomeren Formen D und L vorliegen, wobei in Proteinen nur die L-Form vorkommt. Da Schwefel nach der CIP-Nomenklatur eine höhere Priorität als Sauerstoff zugewiesen wird, stellt L-Cystein – wie ebenso das Disulfid L-Cystin und auch L-Selenocystein – eine proteinogene Aminosäure mit (R)-Konfiguration dar.
In diesem Artikel betreffen die Angaben zur Physiologie allein das L-Cystein. Wird ohne jeden Zusatz von Cystein gesprochen, ist gemeinhin L-Cystein gemeint. Das racemische DL-Cystein [Synonym: (RS)-Cystein] und enantiomerenreines D-Cystein [Synonym: (S)-Cystein] sind synthetisch zugänglich und besitzen nur geringe praktische Bedeutung.
Die Racemisierung von L-Aminosäuren kann zur Aminosäuredatierung – einer Altersbestimmung für fossiles Knochenmaterial – herangezogen werden.Hans-Dieter Jakubke, Hans Jeschkeit: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, 62, 1982, ISBN 3-527-25892-2.
Enantiomere von Cystein Name L-Cystein D-Cystein Andere Namen (R)-Cystein (S)-Cystein Strukturformel 125px|L-Cystein 125px|D-Cystein CAS-Nummer (Racemat) EG-Nummer 200-158-2 213-062-0 222-160-2 (Racemat) ECHA-Infocard (Racemat) PubChem (Racemat) DrugBank − (Racemat) FL-Nummer 17.033 − Wikidata Q186474 Q16633812 Q27089394 (Racemat)
Geschichte L-Cystein wurde zuerst 1810 als Cystin durch den englischen Naturwissenschaftler William Hyde Wollaston aus Nierensteinen isoliert, woraus sich auch der Name (, ‚Harnblase‘) ableitet. Wollaston hat die neue Substanz zunächst als bezeichnet, bevor Jöns Jakob Berzelius ihr später den Namen Cystin gab. Die erstmalige Isolierung aus Eiweißen gelang dem schwedischen Chemiker Graf Mörner im Jahr 1899.Sabine Hansen: Berlin 2015. Zuvor war es dem Freiburger Professor Eugen Baumann durch die Reduktion von Cystin erstmals gelungen, die eigentliche Aminosäure Cystein zu erhalten. Emil Fischer konnte schließlich die Strukturformel von Cystein zweifelsfrei aufklären.
Vorkommen L-Cystein findet sich in Proteinen, aber nicht alle Proteine enthalten Cystein. Rechnerische Analyse von 207 nicht miteinander verwandten Proteinen ergab einen durchschnittlichen Masseanteil von 2,6 % Cystein; in der gleichen Analyse wurde für Molkenprotein 1,7 % Cystein bestimmt. mini|hochkant=1.3|Chemische Formel von L-Cystin mit der blau markierten Disulfidbrücke. L-Cystin sollte nicht mit L-Cystein verwechselt werden.
Hoher L-Cystein-Gehalt (und damit hohe Stabilität) findet sich z. B. in Keratin: Feder-Keratin enthält etwa 7 %, Woll-Keratin 11 bis 17 % Cystein. Aber auch sehr kleine sterisch stabilisierte Proteine wie Schlangentoxine (Myotoxin, Neurotoxin etc.; etwa 40 bis 70 Aminosäuren) enthalten 10 bis 14 % Cystein in Form von Cystin (Disulfidbrücken).
Lebensmittel Die folgenden Beispiele geben einen Überblick über Cysteingehalte und beziehen sich jeweils auf 100 g des Lebensmittels, zusätzlich ist der prozentuale Anteil von Cystein am Gesamtprotein angegeben.Nährstoffdatenbank des US-Landwirtschaftsministeriums, 22. Ausgabe. Lebensmittel Gesamtprotein Cystein Anteil Schweinefleisch, roh 20,95 g 242 mg 1,2 % Hähnchenbrustfilet, roh 21,23 g 222 mg 1,0 % Lachs, roh 20,42 g 219 mg 1,1 % Hühnerei 12,57 g 272 mg 2,2 % Kuhmilch, 3,7 % Fett 3,28 g 30 mg 0,9 % Sonnenblumenkerne 20,78 g 451 mg 2,2 % Walnüsse 15,23 g 208 mg 1,4 % Weizen-Vollkornmehl 13,70 g 317 mg 2,3 % Mais-Vollkornmehl 6,93 g 125 mg 1,8 % Reis, ungeschält 7,94 g 96 mg 1,2 % Sojabohnen, getrocknet 36,49 g 655 mg 1,8 % Erbsen, getrocknet 24,55 g 373 mg 1,5 %
Cystein zählt zu den nichtessentiellen Aminosäuren. Zumindest für Erwachsene gilt es als gesichert, dass der Körper den gesamten Bedarf an Cystein auch aus der essentiellen Aminosäure Methionin synthetisieren kann, sofern die Nahrung genug davon enthält. Ob Cystein seinerseits imstande ist, einen Teil des Methionins zu ersetzen, ist noch Gegenstand der Forschung. Manchmal werden Cystein und Methionin unter dem Begriff schwefelhaltige Aminosäuren zusammengefasst und ein gemeinsamer Bedarf angegeben. Zu beachten ist, dass es sich dabei aber nicht um einen echten kombinierten Bedarf, sondern lediglich um den Methioninbedarf bei cysteinfreier Kost handelt.
Oftmals werden in der Literatur und den Nährstoffdatenbanken bei der Angabe des Cysteingehaltes die Begriffe Cystein und Cystin synonym verwendet. Im strengen Sinne ist das nicht korrekt, da Cystein das Monomer und Cystin das durch eine Schwefelbrücke entstandene Dimer bezeichnet. Viele gängige Analysemethoden quantifizieren die beiden Verbindungen aber nicht getrennt.
Biochemische Bedeutung Vielfältige Funktionen des Cysteins im Organismus leiten sich aus der relativen Reaktivität seiner freien Thiolgruppe ab. So kann sich schon bei der Proteinfaltung eine Disulfidbrücke (–S–S–) zwischen Cysteinresten derselben Polypeptidkette ausbilden, die beim Faltungsprozess in räumliche Nähe zueinander gelangen. Die Verbrückung durch eine zusätzliche kovalente Bindung zwischen Aminosäuren an nicht benachbarten Positionen der Kette erhöht die Stabilität ihrer räumlichen Anordnung, der Tertiärstruktur. Im faltenden Proteinmolekül kann unter Wirkung von Protein-Disulfid-Isomerasen eine Disulfidbrücke, auch Cystin-Brücke genannt, eventuell auf andere Cysteinreste verlagert werden. Die über das S-Atom von Cysteinresten ausgebildeten Querbrücken spielen eine wesentliche Rolle für die Faltung des nativen Proteins und stabilisieren dessen Tertiärstruktur durch kovalente Bindungen. Stabilisierende Disulfidbrücken kommen in vielen, vornehmlich sekretorischen und extrazellulären Proteinen vor, beispielsweise im Insulin. Sie können auch in einem aus mehreren Polypeptidketten gebildeten Proteinkomplex dessen Quartärstruktur stabilisieren oder Ketten miteinander verknüpfen, etwa bei Antikörpern, sowie verknüpfte Ketten zu Bündeln verbinden, so bei Keratinen. Bei kurzen Peptiden mit Cystein am Kettenende wie dem Nonapeptid Oxytocin, einem Proteohormon, entsteht durch Ausbildung einer Disulfidbrücke eine ringförmige Struktur, was einen unspezifischen Abbau durch Peptidasen erschwert.Peter Heinrich, Matthias Müller, Lutz Graeve (Hrsg.): Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie. 9. Auflage, Springer-Verlag, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-17971-6, S. 485.
Eine größere Gruppe von Enzymen besitzt von Cysteinresten koordinierte Eisen-Schwefel-Cluster. Die relativ reaktive Thiolgruppe des Cysteins kann aber auch direkt am katalytischen Mechanismus beteiligt sein, wie bei der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase, wo Cystein das Substrat am aktiven Zentrum bindet.J. M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer: Biochemie. 6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Elsevier GmbH, München 2007, ISBN 978-3-8274-1800-5, S. 38f, 48, 494 f, 570.
Cystein ist außerdem ein Ausgangsstoff bei der Biosynthese von Verbindungen wie Glutathion, Coenzym A und Taurin.
Eigenschaften Cystein liegt überwiegend als „inneres Salz“ bzw. Zwitterion vor, dessen Bildung dadurch zu erklären ist, dass das Proton der Carboxygruppe an das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms der Aminogruppe wandert: hochkant=1.3|mini|Zwitterionen von L-Cystein (links) bzw. D-Cystein (rechts)
Im elektrischen Feld wandert das Zwitterion nicht, da es als Ganzes ungeladen ist. Genaugenommen ist dies am isoelektrischen Punkt (bei einem bestimmten pH-Wert) der Fall, bei dem das Cystein auch seine geringste Löslichkeit in Wasser hat. Der isoelektrische Punkt von Cystein liegt bei einem pH-Wert von 5,02.
Cystein könnte zu den nicht essentiellen Aminosäuren gezählt werden, da es vom Körper gebildet werden kann. Allerdings ist dazu die essentielle Aminosäure Methionin erforderlich. Daher wird Cystein üblicherweise als semi-essentiell betrachtet. Als Bestandteil vieler Proteine und Enzyme ist es oft am Katalysemechanismus beteiligt.
Seitenkette: hydrophil Van-der-Waals-Volumen: 86 Hydrophobizitätsgrad: 2,5
In neutraler bis alkalischer wässriger Lösung erfolgt bei Luftzutritt eine Oxidation zu Cystin. Bei der Einwirkung stärkerer Oxidationsmittel wird die Cysteinsäure gebildet.
Technische Gewinnung L-Cystin kann, wie fast alle anderen Aminosäuren, durch Einwirkung von Salzsäure auf Proteine wie Keratin (meist aus keratinreichen Geweben wie Menschen- oder Tierhaaren oder Federn) durch Hydrolyse gewonnen werden. Das so gewonnene L-Cystin kann dann durch elektrochemische Reduktion in L-Cystein überführt werden.
Da heute bei Verbrauchern eindeutig ein Trend weg von tierischen Produkten zu pflanzlichen Alternativen zu beobachten ist, kommt mittlerweile auch Cystein zum Einsatz, das auf Pflanzenbasis gewonnen wurde. Dies wird durch Fermentation aus Rohstoffen auf veganer Basis und anorganischen Spurenelementen hergestellt.
Seit einiger Zeit ist die Darstellung auch durch Fermentation mit Bakterien, z. B. Escherichia coli, auch unter Einsatz gentechnisch veränderter Organismen möglich (siehe Darstellung Tryptophan).
Racemisches Cystein (DL-Cystein) kann vollsynthetisch aus 2-Chloracetaldehyd, Natriumhydrogensulfid, Ammoniak und Aceton über das nach der Asinger-Reaktion gewonnene Zwischenprodukt 2,2-Dimethyl-3-thiazolin synthetisiert werden. Anschließend wird Blausäure angelagert und sauer hydrolysiert.Jürgen Martens, Heribert Offermanns, Paul Scherberich: Eine einfache Synthese von racemischem Cystein. In: Angewandte Chemie. Band 93, 1981, S. 680, doi:10.1002/ange.19810930808; Angewandte Chemie International Edition. English, Band 20, 1981, S. 668, doi:10.1002/anie.198106681.
Biosynthese und Metabolismus Cystein wird biosynthetisch aus Serin, welches das Grundgerüst liefert, und Methionin über Homocystein, das die SH-Gruppe beiträgt, in der Leber gebildet. Dazu sind die Enzyme Cystathionin-Synthetase und Cystathionase erforderlich. Serin- oder Methioninmangel hemmen folglich die Cysteinsynthese.
Die Aminosäure kann durch α,β-Eliminierung abgebaut werden. Dabei entstehen 2-Aminoacrylat und Schwefelwasserstoff (H2S). H2S wird zum Sulfat (SO42−) oxidiert. Aminoacrylat isomerisiert zum Iminopropionat, das hydrolytisch seine Aminogruppe abspaltet und so zum Pyruvat wird.
Durch Transaminierung kann es auch zum β-Mercaptopyruvat werden. Die Sulfit-Transferase überträgt Sulfit auf die Thiolgruppe und wandelt diese dadurch in ein Thiosulfat um. Nach Hydrolyse der Kohlenstoff-Schwefel-Bindung wird anschließend Pyruvat frei; das Thiosulfat (S2O32−) wird zum Sulfat oxidiert. Cystein kann auch an der SH-Gruppe oxidiert werden und anschließend zum Taurin decarboxylieren.
Durch genetisch bedingte Defekte im Cystintransporter kann nach Aufnahme im Magen-Darm-Trakt und Wiederaufnahme in der Niere eine Cystinurie entstehen. Die Mutation im rBAT-Gen betrifft auch den Stoffwechsel der Aminosäuren Lysin, Arginin und Ornithin, also die Polyamino-Aminosäuren.
Therapeutische Funktionen