Синтез белков в мышечных волокнах

Описан процесс протекания синтеза белков в мышечных волокнах. Подробно рассмотрены этапы синтеза белков: транскрипция, рекогниция (этап активации аминокислот) трансляция, терминация и также процессинг (посттрансляционная модификация) белковой молекулы. Большие затраты энергии при синтезе белков диктуют необходимость превышения калорийностью питания атлетов энергетических затрат в период набора мышечной массы

Синтез белков в мышечных волокнах

Для того, чтобы достичь миофибриллярной гипертрофии скелетных мышц (гипертрофии, от которой зависит сила мышц) необходимо, чтобы синтез белков в мышечных волокнах превышал их распад (катаболизм). Давайте разберемся, как этот процесс протекает.

Этапы синтеза белков

Синтез белков в мышечных волокнах протекает в несколько этапов. В настоящее время принято различать три этапа синтеза белка: транскрипцию, рекогницию и трансляцию. Завершение синтеза белка на рибосомах называется терминацией (рис. 1). После окончания синтеза белка белковая молекула подвергается процессингу или посттрансляционной модификации.


Более подробно строение и функции мышц описаны в моих книгах "Гипертрофия скелетных мышц человека" и "Биомеханика мышц"


Транскрипция

Первый этап синтеза белка (транскрипция) протекает в ядрах мышечных волокон. Транскрипция – это процесс синтеза молекулы информационной РНК (иРНК) на участке молекулы ДНК (гене). Установлено, что транскрипция начинается с разрыва водородных связей между двумя цепями ДНК. Затем происходит «раскручивание» участка спирали ДНК. Специальный фермент – РНК-полимераза, двигаясь по цепи ДНК, подбирает по принципу комплементарности[1] нуклеотиды[2] и соединяет их в цепочку.

Синтез белков в мышечных волокнах

Рис. 1. Схема этапов синтеза белков. Обозначения: а – транскрипция, б – трансляция

В результате на одной из цепей ДНК синтезируется молекула иРНК (рис. 1). Таким образом происходит переписывание (транскрипция) информации о структуре синтезируемого белка с участка ДНК. Затем иРНК выходит из ядра в саркоплазму мышечного волокна и перемещается в область рибосом. ДНК восстанавливает свою структуру.

Доказано, что силовая тренировка приводит к увеличению количества ядер в мышечном волокне. Это увеличение связано с усиленным делением клеток-сателлитов при повреждении мышечного волокна или под воздействием повышенного гормонального фона. Возрастание количества ядер в мышечном волокне создает предпосылки для увеличения синтеза белка. Это связано с тем, что увеличивается количество иРНК, синтезируемой в ядрах мышечных волокон.

Рекогниция (этап активации аминокислот)

Второй этап синтеза белка (рекогниция) проходит в саркоплазме мышечных волокон. В процессе рекогниции транспортные РНК (тРНК) соединяются с аминокислотами и перемещают их в область рибосом. Так как существуют 20 основных аминокислот (участвующих в синтезе белка), то существуют и более 20 видов тРНК. Второй этап синтеза белка – рекогницию – называют еще этапом активации аминокислот. Установлено, что для каждой аминокислоты имеются свои специфические ферменты, которые участвуют в её активации. Эти ферменты проявляют высокую активность в присутствии ионов магния (Mg2+).

Трансляция

Третий этап синтеза белка (трансляция) протекает на рибосомах (рис. 1.б). После того, как молекула иРНК переместится в туннель, расположенный между малой и большой субъединицами рибосомы, к ней присоединяются тРНК с аминокислотами. Между аминокислотами последовательно по мере их присоединения возникают прочные пептидные связи. В результате из аминокислот, перемещаемых тРНК в область рибосом, формируется пептидная цепь (белковая молекула) в соответствии с информацией, закодированной в иРНК.

Терминация

Завершение синтеза называется терминацией. После окончания формирования пептидной цепи включается фактор освобождения, и белковая молекула (полипептидная цепь) отделяется от рибосомы. Таким образом образуется первичная структура белка.

Процессинг

После того как пептидная цепь отходит от рибосомы, она принимает свою биологически активную форму, т.е. сворачивается определенным образом. Однако, часто это невозможно до тех пор, пока новообразованная полипептидная цепь (белковая молекула) не подвергнется процессингу или посттрансляционной модификации.

Процессинг белковой молекулы протекает в шероховатой эндоплазматической сети, на поверхности которой расположены рибосомы, а также в комплексе Гольджи. В результате процессинга от полипептидной цепи удаляются или, наоборот, к ней присоединяются определенные химические группы. Это приводит к тому, что синтезированный белок приобретает определенную пространственную вторичную, а затем и третичную структуры. Для образования правильной трехмерной структуры с ещё не свернувшейся пептидной цепью связываются особые белки – шапероны. Связывание пептидной цепи с шаперонами защищает её от контактов с другими белками, и тем самым создает условия для нормального сворачивания растущего пептида. После этого зрелый белок в комплексе Гольджи заключается в капсулу и в виде пузырька экспортируется к месту своего назначения.

Аналогичным образом осуществляется синтез молекул основных сократительных (миозина, актина, тропонина, тропомиозина), а также ряда структурных белков (дистрофина, спектрина, десмина) мышечного волокна.

Затраты энергии при синтезе белков

Следует отметить, что синтез белков требует огромных затрат энергии. Так, только для присоединения одной аминокислоты к полипептидной цепи синтезируемого белка используется по меньшей мере пять молекул АТФ, поэтому процесс синтеза белка во многом зависит от скорости восстановления уровня АТФ в мышечных волокнах. Большие затраты энергии при синтезе белка диктуют необходимость превышения калорийностью питания атлетов энергетических затрат в период набора мышечной массы.

С уважением, А.В. Самсонова

[1] Принцип комплементарности – принцип по которому нуклеотиды, содержащие азотистое основание аденин (А) взаимодействуют только с нуклеотидами, содержащими азотистое основание тимин (Т), а нуклеотиды, содержащие азотистое основание гуанин (Г) взаимодействуют только с нуклеотидами, содержащими азотистое основание цитозин (Ц) или урацил (У).

[2] Нуклеотид – элемент ДНК или РНК. Состоит из азотистого основания, углевода и фосфорной кислоты.