Selenocysteïne

Selenocysteïne
Algemeen
Molecuul­formule	C3H7NO2Se
IUPAC-naam	3-Selanyl-2-aminopropaanzuur
Andere namen	L-Selenocysteine; 3-Selanyl-L-alanine; Seleniumcysteine
SMILES	O=C(O)[C@@H](N)C[SeH]
CAS-nummer	10236-58-5
PubChem	25076
Wikidata	Q408663
Evenwichtsconstante(n)	pKz = 5,47
Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar).
Portaal    Scheikunde

Selenocysteïne, afgekort als Sec of U, in oudere publicaties ook als Se-Cys aangeduid,^[1] is het 21e proteïnogeen aminozuur. In alle gebieden van de levende natuur treedt dit aminozuur op als bouwsteen van selenoproteïnes.^[2] Sec is een cysteineanalogon waarin een selenium-atoom de plaats heeft ingenomen van het in cysteïne normale zwavel-atoom. Sec komt voor in diverse enzymen.^[3] Selenocysteïne is in 1974 voor het eerst beschreven door Theresa Stadtman.^[4]

Structuur

Sec heeft een structuur vergelijkbaar met cysteïne, maar met selenium in plaats van zwavel, waardoor het aminozuur een selenolgroep bevat. Onder fysiologische omstandigheden is de selenolgroep gedeprotoneerd. Proteïnes die één of meer residuen Sec bevatten worden selenoproteïnes genoemd. Enzymen waarbij de katalyische werking op de aanwezigheid van Sec berust worden seleno-enzymen genoemd.^[5] De enzymen waarvan de structuur is bepaald, blijken gebruik te maken van katalytische triades waarin Sec dan een belangrijke rol speelt.

Biologie

Sec heeft zowel een lagere pKa (5,47) als een lagere redoxpotentiaal dan cysteïne. Deze twee eigenschappen maken selenocysteïne zeer geschikt in enzymen die betrokken zijn bij antioxidantie.^[6]

Hoewel selenocysteïne in alle planten- en dierenrijken wordt aangetroffen, wil dat niet zeggen dat elke soort Sec in proteïnen of enzymen toepast.^[7] In tegenstelling tot andere aminozuren wordt Sec niet zonder meer direct in tripletten gecodeerd in de genetische code.^[8] In plaats daarvan wordt Sec op een speciale manier via het codon UGA, normaal gesproken een stopcodon, aangegeven. Deze manier wordt aangeduid met "translational recoding".^[9] De opbrengst aan selenoproteïne hangt zowel af van het te synthetiseren proteïne als van "translation initiation factors".^[10] Als cellen groeien in een seleniumvrije omgeving dan stopt de translatie van het selenoproteïne bij het UGA-codon, waarmee een ingekort proteïne ontstaat dat niet als enzym werkzaam is. Het UGA-codon codeert voor Sec door de aanwezigheid van een selenocysteíne insertie signaal (SECIS) in het mRNA. Het SECIS bestaat uit een karakteristieke volgorde van nucleotides in combinatie met secondaire base-paringspatronen. De plaats van het SECIS is afhankelijk van het rijk waartoe het organisme behoort. In bacteriën staat het SECIS direct na het UGA-codon.^[11] In Archaea en eukaryoten bevindt het SECIS zich in het 3' untranslated region (3' UTR) van het mRNA, waarbij meerdere UGA-codons aangestuurd worden als Sec-code.^[12]

Net zoals de codering in het genoom Sec apart zet van andere aminozuren, geldt dat ook voor de aanwezigheid ervan in cellen. Er bevindt zich geen voorraad Sec in cellen: de grote reactiviteit van de stof zou de cel schade berokkenen. In plaats daarvan is er een voorraad H₂Se. De biosynthese van Sec vindt plaats aan een speciaal tRNA dat tevens gebruikt wordt tijdens de translatie van het mRNA naar het selenoproteïne. De primaire en secundaire structuur van selenocysteïne-specifiek tRNA, tRNA^Sec, verschilt op een aantal punten van standaard tRNA's, vooral door het bezit van een 8 (bacteriën) of 10 basenparen (eukaryoten) groot anticodon, een lang variabel gedeelte en substituties op een aantal specifieke baseposities. De selenocysteïne tRNA's worden eerst met serine geladen door seryl-tRNA ligase, maar het resulterende Ser-tRNA^Sec wordt niet in de synthese van proteïnen gebruikt omdat het niet herkend wordt door de normale translatie elongatiefactor (EF-Tu in bacteriën, eEF1A in eukaryoten). Het gebonden serylresidu wordt door een pyridoxalphosphaat-bevattend enzym selenocysteïne synthetase omgezet in een Sec-residu. Ten slotte wordt het Sec-tRNA^Sec specifiek gebonden aan een alternatieve translatie elongatiefactor (SelB, mSelB of eEFSec), waarmee het gericht afgeleverd wordt aan het ribosoom dat het selenoproteïne synthetiseert. De specificiteit van het afleveringsmechanisme wordt gerealiseerd door een apart proteïnedeel (in bacteriën SelB) of een extra subunit (SBP2 voor eukaryotisch mSelB/eEFSec) dat speciaal bindt aan het SECIS in de mRNAs voor de selenoproteïne.^[13][14][15]

Tegenwoordig (2003) zijn er bij de mens 25 proteïnes gevonden waarin Sec voorkomt.^[16]

Derivaten van Sec (γ-glutamyl-Se-methylselenocysteïne en Se-methylselenocysteïne) komen van nature voor in planten van de genera Allium en Brassica.^[17]

Toepassingen

Biotechnologische toepassingen van selenocysteïne omvatten het gebruik van ⁷³Se-gelabeled Sec (halveringstijd van ⁷³Se = 7,2 uur) in positronemissietomografie (PET) en ⁷⁵Se-gelabeled Sec (halveringstijd van ⁷⁵Se = 118,5 dagen) in kristallografische experimenten met selenoproteïnes. Vaak wordt ook selenomethionine (SeMet) in deze studies betrokken. De stabiele isotoop ⁷⁷Se heeft een kernspin van 1/2 en kan dus gebruikt worden voor NMRmetingen.^[2]

Zie ook

• Pyrrolysine, een ander aminozuur dat niet tot de standaard aminozuren gerekend wordt.
• Selenomethionine, een ander aminozuur met selenium erin.

Bronnen, noten en/of referenties

1. IUPAC-IUBMB Joint Commission on Biochemical Nomenclature (JCBN) and Nomenclature Committee of IUBMB (NC-IUBMB). (1999). GEEN TITEL OPGEGEVEN European Journal of Biochemistry. 264 (2): pag.: 607–609 DOI:10.1046/j.1432-1327.1999.news99.x
2. L. Johansson, G. Gafvelin, E.S.J. Amér. (2005). Selenocysteine in Proteins—Properties and Biotechnological Use Biochimica et Biophysica Acta. 1726 (1): pag.: 1–13 DOI:10.1016/j.bbagen.2005.05.010
3. Enzymen waarin selenocysteïne onder andere een rol speelt zijn: glutathionperoxidases, tetrajodothyronine 5' dejodinases, thioredoxinereductases, formaatdehydrogenases, glycinereductases, selenophosphaatsynthetase 1, methionine-R-sulfoxide reductase B1 (SEPX1), en een aantal hydrogenases
4. Therese Stadtman. (1974). Selenium Biochemistry Science. 183 (4128): pag.: 915–922 DOI:10.1126/science.183.4128.915 PubMed: Selenium Biochemistry , geraadpleegd op 25 maart 2015
5. G. Roy, B.K. Sarma, P.P. Phadnis, G. Mugesh. (2005). Selenium-containing enzymes in mammals: chemical perspectives Journal of Chemical Sciences. 117 (4): pag.: 287–303 DOI:10.1007/BF02708441
6. B.J. Byun, Y.K. Kang. (2011). Conformational Preferences and pK_a Value of Selenocysteine Residue Biopolymers. 95 (5): pag.: 345–353 DOI:10.1002/bip.21581 PubMed: 21213257 , geraadpleegd op 25 maart 2015
7. R. Longtin. (2004). A forgotten debate: Is selenocysteine the 21st amino acid? Journal of the National Cancer Institute. 96 (7): pag.: 504–505 PubMed: 15069108 , geraadpleegd op 25 maart 2015
8. A. Böck, K. Forchhammer, J. Heider, C. Baron. (1991). Selenoprotein Synthesis: An Expansion of the Genetic Code Trends in Biochemical Sciences. 16 (12): pag.: 463–467 DOI:10.1016/0968-0004(91)90180-4 PubMed: 1838215 , geraadpleegd op 25 maart 2015
9. P.V. Baranov, R.F. Gesteland, J.F. Atkins. (2002). Recoding: Translational Bifurcations in Gene Expression Gene. 286 (5): pag.: 187–201 DOI:10.1016/S0378-1119(02)00423-7 PubMed: 11943474 , geraadpleegd op 25 maart 2015
10. J. Donovan, P.R.Copeland. (2010). The Efficiency of Selenocysteine Incorporation is Regulated by Translation Initiation Factors Journal of Molecular Biology. 400 (4): pag.: 659–664 DOI:10.1016/j.jmb.2010.05.026 PubMed Central: 3721751 PubMed: 20488192
11. J.F. Atkins. (2009). GEEN TITEL OPGEGEVEN Recoding: Expansion of Decoding Rules Enriches Gene Expression pag.: 31 – Springer ISBN 9780387893815
12. M.J. Berry, L. Banu, J.W. Harney, P.R. Larsen. (1993). Functional Characterization of the Eukaryotic SECIS Elements which Direct Selenocysteine Insertion at UGA Codons The EMBO Journal. 12 (8): pag.: 3315–3322 PubMed: 8344267 , geraadpleegd op 25 maart 2015
13. F. Zinoni, A. Birkmann, T.C. Stadtman, A. Bock. (1986). Nucleotide Sequence and Expression of the Selenocysteine-Containing Polypeptide of Formate Dehydrogenase (Formate-Hydrogen-Lyase-Linked) from Escherichia coli' PNAS. 83 (13): pag.: 4650–4654 DOI:10.1073/pnas.83.13.4650 PubMed: 2941757 , geraadpleegd op 25 maart 2015
14. F. Zinoni, A. Birkmann, W. Leinfelder, A. Bock. (1987). Cotranslational Insertion of Selenocysteine into Formate Dehydrogenase from Escherichia coli Directed by a UGA Codon PNAS. 84 (10): pag.: 3156–3160 DOI:10.1073/pnas.84.10.3156 PubMed: 3033637 , geraadpleegd op 25 maart 2015
15. B.E. Cone, R.M. del Rio, J.N. Davis, T.C. Stadtman. (1976). Chemical Characterization of the Selenoprotein Component of Clostridial Glycine Reductase: Identification of Selenocysteine as the Organoselenium Moiety PNAS. 73 (8): pag.: 2659–2663 DOI:10.1073/pnas.73.8.2659 PubMed Central: 430707 PubMed: 1066676 , geraadpleegd op 25 maart 2015
16. G.V. Kryukov, S. Castellano, S.V. Novoselov, A.V. Lobanov, O. Zehtab, R. Guigó, V.N. Gladyshev. (2003). Characterization of Mammalian Selenoproteomes Science. 300 (5624): pag.: 1439–1443 DOI:10.1126/science.1083516 PubMed: 12775843 , geraadpleegd op 25 maart 2015
17. Block, E. (2010). Garlic and Other Alliums: The Lore and the Science. Royal Society of Chemistry. ISBN 0-85404-190-7.