Selenocystein

Selenocystein ist die 21. proteinogene Aminosäure und ein reaktives Analogon des Cysteins. Jedoch enthält Selenocystein statt des Schwefelatoms ein Selenatom.

Selenocystein ist mit der Aminosäure Cystein chemisch nahe verwandt, besitzt jedoch einen niedrigeren pK-Wert für die Selenolgruppe (etwa 5.3), als die entsprechende Thiolgruppe des Cystein (je nach Protein zwischen 8-10). Auch ist Selenocystein noch redoxaktiver als Cystein. Diese Eigenschaften dürften ein wesentlicher Grund für den Einbau von Selenocystein in Enzyme sein.

Der genetische Code gilt prinzipiell für alle Hauptformen des Lebens, jedoch gibt es einige Besonderheiten. Während der Standardcode es Zellen ermöglicht, Proteine aus den bekannten 20 Aminosäuren herzustellen, können Bakterien, Archaea und Eukaryoten während der Translation Selenocystein über einen “Rekodierung” genannten Mechanismus einbauen. Der Einbau von Selenocystein ermöglicht oft erst die Funktionsfähigkeit vieler essenzieller Enzyme. Bei Säugern sind u. a. verschiedene Glutathion-Peroxidasen, Tetraiodthyronin (Schilddrüsenhormon)-Deiodinasen oder (großen) Thioredoxin-Reduktasen, 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 Enzyme bekannt, die Selenocystein enthalten.

Es sind heute über 30 eukaryotische und mehr als 15 bakterielle Selenocystein-haltige Proteine bekannt. Viele davon sind Enzyme, die Redox-Reaktionen vermitteln, und dort befindet sich das hochreaktive Selenocystein am aktiven Zentrum. Besondere Bedeutung für Eukaryonten hat Glutathion-Peroxidase als Mitglied einer zellulären "Abwehrbrigade" gegen die Folgen von oxidativem Stress. Störungen in der Funktion solcher Selenoproteine gehen mit Mangelsyndromen wie der Keshan- und Kashin-Beck-Krankheit einher und mögen eine Rolle bei der Tumorentstehung und Arteriosklerose spielen.

[Bearbeiten] Biochemie

Biochemisch entsteht Selenocystein folgendermaßen (siehe auch Abbildung):

1. Bindung der Aminosäure Serin (Ser) an eine besondere tRNA mit dem Anticodon ACU.

2. Diese tRNA wird selenyliert, d.h. das Serin wird zu Selenocystein (Sec) umgesetzt, in dem die Hydroxid-Gruppe der Seitenkette durch Selen (Se) ersetzt wird. Dabei entsteht tRNA^Sec.

Die tRNA^Sec hat das Anticodon ACU und paart mit dem Codon UGA der mRNA. Normalerweise bedeutet das Codon UGA "Translationsstopp". Bildet die mRNA jedoch eine schlaufenartige Struktur aus (sog. stem-loop), so kann diese Regel durchbrochen werden: das Stoppsignal UGA wird ignoriert und das Selenocystein kann in das Protein eingebaut werden. Dieser Vorgang wird auch als Rekodierung bezeichnet.

Selenocystein: Bildung und Einbau in Proteinketten

Bei Bakterien findet sich eine solche, Secis (selenocysteine insertion sequence) genannte, Sequenz der mRNA in unmittelbarer Nachbarschaft zum UGA Codon. Bei Eukaryoten und Archaeen ist diese Sequenz auf der mRNA weiter vom UGA Codon entfernt.

Der Einbau des Selenocysteins in das Protein geht nun in Bakterien folgendermaßen weiter (siehe auch Abbildung):

3. Die gleichzeitige Anwesenheit von tRNA^Sec und der Secis-Sequenz, wird durch einen spezifischen, GTP-abhängigen Translationsfaktor, den Elongationsfaktor SelB, erkannt. In der Abbildung ist dieser Translationsfaktor als grüne Kugel dargestellt.

4. Die Neuinterpretation des Codons UGA ist nun möglich und das Selenocystein kann in das Protein eingebaut werden. Ein weiteres UGA-Stopcodon (in der Abbildung als Stop gekennzeichnet) beendet dann die Translation.

Bei Eukaryonten ist die Funktion des bakteriellen Translationsfaktors SeIB auf zwei Proteine aufgeteilt: Das sogenannte mSelB bindet die beladene tRNA und das GTP und bringt sie zum Ribosom. Das sogenannte SBP2 erkennt und bindet die Secis-Sequenz der eukaryontischen mRNAs.

Die Verhältnisse bei der Selenoproteinsynthese der Archaea sind noch nicht aufgeklärt (Stand: Januar 2006).