Selenocystein

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

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Selenocystein ist mit der Aminosäure 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 Cysteins. Auch ist Selenocystein 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 es der Standardcode den 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. Es sind heute über 30 eukaryotische und mehr als 15 bakterielle Selenocystein-haltige Proteine bekannt. So treten bei Säugern u. a. verschiedene Glutathion-Peroxidasen, Tetraiodthyronin-Deiodinasen 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 in Erscheinung.

Viele dieser Enzyme vermitteln Redox-Reaktionen. Bei ihnen befindet sich das reaktive Selenocystein im aktiven Zentrum. Besondere Bedeutung für Eukaryonten hat die Glutathion-Peroxidase als Mitglied einer zellulären „Abwehrbrigade“ gegen die Folgen des oxidativen 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.

Biochemie

Biochemisch entsteht Selenocystein folgendermaßen (siehe auch Abbildung):

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

2. Diese tRNA wird selenyliert, d. h. das Serin wird zu Selenocystein (Sec) umgesetzt, indem die Hydroxy-Gruppe der Seitenkette durch eine Selenol-Funktion (Se) ersetzt wird. Dabei entsteht tRNA^Sec.

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

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 in Bakterien wie folgt 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 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).