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Cystein

Strukturformel
Allgemeines
Name Cystein
Andere Namen
Summenformel C3H7NO2S
CAS-Nummer 52-90-4
PubChem 5862
Kurzbeschreibung farbloser Feststoff mit charakteristischem Geruch [1]
Eigenschaften
Molare Masse 121,16 g·mol−1
Aggregatzustand fest
Schmelzpunkt

220–228 °C [1]

pKs-Wert
  • pKCOOH: 1,8
  • pKNH2: 10,8
  • pKSeitenkette: 8,3 (je bei 25 °C)
Löslichkeit
  • gut löslich in Wasser: 280 g·l−1 (20 °C) [1]
  • gut in Alkohol, Essigsäure, nicht in Ether und Benzol
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung [1]
R- und S-Sätze R: 22
S: keine S-Sätze
LD50

1890 mg·kg−1 (Ratte, oral) [1]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Cystein ist eine schwefelhaltige proteinogene α-Aminosäure. Die Seitenkette hat die strukturierte Summenformel –CH2–SH. Cystein existiert in den enantiomeren Formen D- und L-. In Proteinen kommt L-Cystein [Synonym: (R)-Cystein] vor. Da Schwefel nach der CIP-Nomenklatur eine höhere Priorität als Sauerstoff hat, ist L-Cystein – neben dem Disulfid L-Cystin – die einzige proteinogene Aminosäure mit (R)-Konfiguration.

Zwei Cysteinreste können eine Disulfidbrücke ausbilden, wobei Cystin entsteht. Disulfidbrücken sind neben Wasserstoffbrückenbindungen, ionischen Bindungen und van-der-Waals-Kräften für die Ausbildung und den Erhalt der Tertiär- und Quartärstruktur der Proteine verantwortlich.

Inhaltsverzeichnis

Vorkommen

Ein Proteine mit hohem L-Cystin-Gehalt ist Keratin (Haare, Borsten, Hörner).

Lebensmittel

L-Cystein kommt in vielen Lebensmitteln natürlich vor. Der Cystein-Gehalt ist aber in Lebensmitteln nur schwer konkret zu bestimmen, daher wird oft der Gesamtgehalt der schwefelhaltigen Aminosäuren Methionin und L-Cystein/L-Cystin angegeben:

Lebensmittel Methionin / Cystein
je 100 g
Lachs 700 mg
Garnelen 670 mg
Pute, Brustfleisch 630 mg
Huhn, Brustfleisch 620 mg
Sojabohnen 580 mg
Rind, Filet 570 mg
Cashew-Nüsse 380 mg
Weizenkeime 280 mg
Emmentaler 250 mg

[2]

Eigenschaften

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 semiessentiell betrachtet. Als Bestandteil vieler Proteine und Enzyme ist es oft am Katalysemechanismus beteiligt.

Technische Gewinnung

L-Cystein kann wie fast alle anderen Aminosäuren durch Einwirkung von Salzsäure auf Proteine wie Keratin (meist aus kreatinreichen Geweben wie Menschen- oder Tierhaaren oder Federn) durch Hydrolyse gewonnen werden. 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 gewonnen werden. Anschließend wird Blausäure angelagert und sauer hydrolysiert. [3]

Biosynthese und Metabolismus

Cystein wird biosynthetisch aus Serin, welches das Grundgerüst liefert, und Methionin über Homocystein, das die SH-Gruppe beiträgt, aufgebaut. 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 Aminoacrylat und 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.

Funktionen

Die Aminosäure kann Schwermetall-Ionen komplexieren. Sie wird daher unter anderem als Therapeutikum für Silber-Vergiftungen eingesetzt. Da es freie Radikale an die Thiolgruppe bindet, wird Cystein auch zur Vorbeugung von Strahlenschäden eingesetzt. Es wird normalerweise in der Form von Acetylcystein (ACC bzw. NAC) verabreicht.

Lebensmittelzusatzstoff

Cystein wird als Mehlbehandlungsmittel eingesetzt. Es trägt zur beschleunigten Mehlreifung bei, was insbesondere bei automatisierten Backvorgängen, beispielsweise für Kekse, von großer Bedeutung ist. Es wird Teigen beigegeben, da es die Klebereigenschaften von Mehl verbessert. Daneben wird Cystein bei Diätzubereitungen, Futtermittel, Arzneimitteln und Kosmetika eingesetzt. Ferner ist es ein Grundstoff zur Aromaerzeugung, insbesondere für Fleisch- und Röstaromen. Als semiessentielle Aminosäure wird Cystein/Cystin adaptierter Muttermilch zugesetzt. L-Cystein ist in der EU als Lebensmittelzusatzstoff (E 920) ohne Höchstmengenbeschränkung (quantum satis) für Lebensmittel als Mehlbehandlungsmittel zugelassen. Eine Deklaration in fertigen Produkten ist nicht erforderlich.

Therapeutische Wirkung

Cystein wird, verabreicht als Acetylcystein, zur symptomatischen Therapie von Husten, insbesondere in der Akut- und Rekonvaleszenzphase nach Erkältungskrankheiten, eingesetzt. Unter der Gabe von Cystein wird der im Verlauf dieser Erkrankungen vermehrt gebildete Bronchialschleim dünnflüssiger und kann so leichter abgehustet werden.

Die prinzipiell gleiche Wirkung hat das aus der Umsetzung von L-Cystein mit Iodessigsäure hergestellte Carbocystein („Carbocistein“), das ebenfalls als Mukolytikum hergestellt und verkauft wird (beispielsweise Mucopront®, Sedotussin®, Transbronchin®).

Weitere Anwendungsgebiete

In japanischen Friseursalons ersetzt Cystein, das Disulfidbindungen im Keratin aufzubrechen vermag, die in Europa übliche, streng riechende Thioglycolsäure, wenn es darum geht, Haare für Dauerwellen zu präparieren. Auch in anderen Kosmetikprodukten wird Cystein verwendet: Es ist ein Radikalfänger, der diese zellschädigenden Stoffe unschädlich macht und für den in neueren Studien eine gewisse Vorbeugefunktion gegen neurodegenerative Erkrankungen postuliert wird. Allerdings scheint Cystein andererseits neueren Untersuchungen zufolge durch seine Eisenbindungsfähigkeit die Ablagerung von Cystein-Eisen-Komplexen im Gehirn - speziell im Globus pallidus und in der Substantia nigra pars reticulata z. B. bei NBIA - zu begünstigen.[4] Aus L-Cystein werden pharmazeutische Wirkstoffe im industriellen Maßstab hergestellt, z. B. (R)-S-Carboxymethylcystein und (R)-N-Acetylcystein. Diese beiden Pharmawirkstoffe sollen als orale Mukolytika den oft zähen Bronchialschleim bei chronischer Bronchitis und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung verflüssigen.

Quellen

  1. a b c d e Herstellerangaben der Firma Merck, 7. Jan. 2008
  2. Cystein und Glutathion – wichtig für Zellen, Bindegewebe und Immunsystem bei Novamex
  3. Jürgen Martens, Heribert Offermanns und Paul Scherberich: Eine einfache Synthese von racemischem Cystein, Angewandte Chemie 93 (1981) 680; Angewandte Chemie International Edition English 20 (1981) 668
  4. NBIA, tobias-schwarz.net, 6. November 2005