Selenocystein

Strukturformel
	Strukturformel von L-Selenocystein
	Struktur des natürlich vorkommenden L-Selenocysteins
Allgemeines
Name	Selenocystein
Andere Namen	Selenocystein; 2-Amino-3-hydroselenopropansäure; Abkürzungen: Sec (Dreibuchstabencode); U (Einbuchstabencode); ;
Summenformel	C3H7NO2Se
Externe Identifikatoren/Datenbanken
EG-Nummer (Listennummer)	808-428-7
ECHA-InfoCard	100.236.386
PubChem	25076
ChemSpider	23436
DrugBank	DB02345
Wikidata	[[:d:Lua-Fehler in Modul:Wikidata, Zeile 1464: attempt to index field 'wikibase' (a nil value)\|Lua-Fehler in Modul:Wikidata, Zeile 1464: attempt to index field 'wikibase' (a nil value)]]
Eigenschaften
Molare Masse	168,0 g·mol−1
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung<ref>Für diesen Stoff liegt noch keine harmonisierte Einstufung vor. Wiedergegeben ist eine von einer Selbsteinstufung durch Inverkehrbringer abgeleitete Kennzeichnung von Vorlage:Linktext-Check im Classification and Labelling Inventory der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA)Vorlage:Abrufdatum</ref> Achtung	Gefahrensymbol
	Gefahrensymbol
H- und P-Sätze	H: 315‐319‐335
	P: ?
	Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Selenocystein ist eine Aminosäure. L-Selenocystein (Abk. Sec oder U) ist die 21. proteinogene L-Aminosäure und ein reaktives Analogon des natürlichen L-Cysteins. Selenocystein enthält statt des Schwefelatoms ein Selenatom.

Isomerie

Selenocystein kann in den enantiomeren Formen D und L vorliegen, wobei in Proteinen nur die L-Form, synonym auch (R)-Selenocystein, vorkommt. D-Selenocystein ist enantiomer zu L-Selenocystein und besitzt nur geringe Bedeutung; in der wissenschaftlichen Literatur steht „Selenocystein“ (ohne Präfix) stets für L-Selenocystein.

Isomere von Selenocystein
Name	L-Selenocystein	D-Selenocystein
Andere Namen	(R)-Selenocystein	(S)-Selenocystein
Strukturformel	Datei:L-Selenocysteine.svg	Datei:D-Selenocysteine.svg
CAS-Nummer	Vorlage:CASRN	Vorlage:CASRN
	Vorlage:CASRN (DL)
EG-Nummer	808-428-7	–
	– (DL)
ECHA-Infocard	Vorlage:ECHA	Vorlage:ECHA
	Vorlage:ECHA (DL)
PubChem	25076	5460539
	6326972 (DL)
Wikidata	Q408663	Q27110363
	Q28529717 (DL)

Eigenschaften

L-Selenocystein ist mit der Aminosäure L-Cystein chemisch nahe verwandt, besitzt jedoch eine niedrigere Säurekonstante von pK_s = 5,3 für die Selenolgruppe im Vergleich zu pK_s = 8–10 für die Thiolgruppe des L-Cysteins. Auch ist Selenocystein redoxaktiver als Cystein. Diese Eigenschaften dürften ein wesentlicher Grund für den Einbau von L-Selenocystein in Enzyme sein.

Datei:Betain-Selenocystein (transparent).png

Zwitterionen von L-Selenocystein (links) bzw. D-Selenocystein (rechts)

Selenocystein liegt überwiegend als inneres Salz bzw. Zwitterion vor, dessen Bildung dadurch zu erklären ist, dass das Proton von der Carboxygruppe abgespalten wird und vom freien Elektronenpaar des Stickstoffatoms der Aminogruppe aufgenommen wird.

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 Selenocystein auch seine geringste Löslichkeit in Wasser besitzt.

Biochemie

Der genetische Code gilt für alle Formen des Lebens, jedoch gibt es Besonderheiten. Während der Standardcode es Zellen ermöglicht, Proteine aus den 20 kanonischen α-Aminosäuren herzustellen, können sowohl Vertreter der Archaeen, Bakterien wie Eukaryoten während der Translation Selenocystein über einen als Recodierung bezeichneten Mechanismus einbauen. Der Einbau von L-Selenocystein als zusätzlicher proteinogener Aminosäure ermöglicht oft erst die Funktionsfähigkeit einiger essentieller Enzyme.

Vorkommen

Man kennt über 30 eukaryotische und mehr als 15 bakterielle Selenocystein-haltige Proteine. So fand man bei Säugern u. a. verschiedene Glutathion-Peroxidasen, Tetraiodthyronin-Deiodasen oder große Thioredoxin-Reduktasen und bei Bakterien und Archaeen Formiat-Dehydrogenasen, Hydrogenasen, Protein-Komponenten der Glycin-Reduktase- und D-Prolin-Reduktase-Systeme und mehrere Enzyme des Stoffwechselwegs der Methanbildung als selenocysteinhaltige Enzyme.

Biosynthese

Datei:TRNA-Sec e-coli.svg

tRNA^Sec aus Escherichia coli. Modifizierte Basen sind in blau, das Anticodon ist in rot dargestellt, dessen Basensequenz in 5′→3′-Richtung als U–C–A.

Biosynthetisch entsteht L-Selenocystein durch Selenylierung eines L-Serins, das an eine spezifische tRNA gebunden vorliegt:

Bindung der α-Aminosäure L-Serin (Ser) an eine besondere tRNA, die tRNA^Sec mit dem Anticodon UCA (5′→3′ notiert).
Diese Ser-tRNA^Sec wird selenyliert, d. h. das L-Serin wird zu L-Selenocystein (Sec) umgesetzt, indem die Hydroxygruppe der Seitenkette durch Selenol (SeH) ersetzt wird. Damit entsteht die Sec-tRNA^Sec.

Der Biosyntheseweg unterscheidet sich also deutlich von anderen Aminosäuren, welche zunächst als freie Aminosäuren gebildet und erst danach an eine tRNA gebunden werden.

Recodierung

Die tRNA^Sec hat das Anticodon UCA und dieses Triplett, gegenläufig 3′-ACU-5′ notiert, kann mit dem Basentriplett des Codons UGA der mRNA paaren. Normalerweise bewirkt UGA als Stopcodon die Termination der Translation. Bilden jedoch besondere Sequenzen der mRNA eine Haarnadelstruktur aus, so wird es möglich, die beladene Sec-tRNA^Sec mit dem Codon UGA zu paaren. Damit wird das Stopsignal ignoriert und Selenocystein an dieser Stelle in das Protein eingebaut. Dieser Vorgang wird auch als Recodierung bezeichnet.

Bei Bakterien findet sich eine solche Secis (selenocysteine insertion sequence) genannte Sequenz der mRNA in unmittelbarer Nachbarschaft zum Codon UGA und nur dieses benachbarte wird dann recodiert. Die Secis-Sequenz wird durch einen spezifischen GTP-abhängigen Translationsfaktor, den Elongationsfaktor SelB, erkannt, welcher zugleich die Sec-tRNA^Sec bindet. Nach dem Einbau des Selenocysteins wird auch die Secis-Sequenz vom Ribosom abgelesen und übersetzt in entsprechende Aminosäuren des Proteins.

Datei:Einbau von Selenocystein.png

Bildung von Selenocystein und dessen Einbau in Proteine während der Translation bei Eukaryoten. Wenn das Codon UGA auf der mRNA am Ribosom abgelesen wird, kann es mit dem Anticodon der bereitgehaltenen tRNA^Sec paaren.

Der Einbau von L-Selenocystein während der Proteinbiosynthese bei Eukaryoten bedarf weiterer Faktoren (siehe Abbildung):

Die Sec-tRNA^Sec wird durch den spezifischen GTP-abhängigen Translationsfaktor mSelB gebunden.<ref>Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/Name: Characterization of mSelB, a novel mammalian elongation factor for selenoprotein translation. In: The EMBO Journal. 1. Jahrgang, Vorlage:Cite book/Date, S. 4796–4805, doi:10.1093/emboj/19.17.4796, PMID 10970870 (Vorlage:Cite book/URL [abgerufen am -05-]). Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung Vorlage:Cite book/Meldung2</ref>
mSelB bildet einen Komplex mit einem weiteren Protein SBP2, welches die Secis-Sequenz erkennt und an sie bindet.
Dieser Komplex (in der Abbildung als grüne Kugel dargestellt) ermöglicht jeweils die Neuinterpretation: Wird ein Codon UGA am Ribosom abgelesen und mit dem Anticodon der bereit gehaltenen Sec-tRNA^Sec gepaart, so wird an dieser Position nun Selenocystein eingebaut.
Die Translation muss bei dieser Art des Recodierens dann durch ein anderes Stopcodon, entweder UAA oder UAG, beendet werden (in der Abbildung als Stop gekennzeichnet).

Die Verhältnisse bei der Selenoproteinsynthese der Archaea sind noch nicht aufgeklärt.

Literatur

Joseph W. Lengeler, G. Drews, Hans Günter Schlegel: Biology of the prokaryotes. Thieme, Stuttgart 1999, ISBN 3-13-108411-1, S. 185 ff.

Weblinks

Translationsprozess – Einbau von Sec
@1@2Vorlage:Toter Link/www.albany.eduSelenocystein – einige weitere Details (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im Dezember 2022. Suche im Internet Archive (T)) (pdf, auf Englisch; 324 kB, 20 Seiten) – Errata: Auf Seite 19 trägt jedes SeCys ein Se (Selen) statt wie dargestellt ein S (Schwefel), bei Cys selbst ist S korrekt.

Einzelnachweise