Синтез белка в клетках мышц. Синтез белка в клетках мышц Что такое синтез белка клетке

Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией. Название этого вида обмена отражает его сущность: из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества, подобные веществам клетки.

Рассмотрим одну из важнейших форм пластического обмена – биосинтез белков. Все многообразие свойств белков в конечном счете определяется первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот. Огромное количество отобранных эволюцией уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путем синтеза нуклеиновых кислот с такой последовательностью азотистых оснований, которая соответствует последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов – триплет.

Процесс реализации наследственной информации в биосинтезе осуществляется при участии трех видов рибонуклеиновых кислот: информационной (матричной) – иРНК (мРНК), рибосомальной – рРНК и транспортной – тРНК. Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК, и представляют собой одинарную цепь нуклеотидов. Нуклеотиды содержат остаток фосфорной кислоты (фосфат), пентозный сахар (рибозу) и одно из четырех азотистых оснований – аденин, цитозин, гуанин и урацил. Азотистое основание – урацил – комплементарно аденину.

Процесс биосинтеза сложный и включает ряд этапов – транскрипцию, сплайсинг и трансляцию.

Первый этап (транскрипция) происходит в ядре клетки: на участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется мРНК. Этот синтез осуществляется при участии комплекса ферментов, главным из которых является ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая прикрепляется к начальной (инициальной) точке молекулы ДНК, расплетает двойную спираль и, перемещаясь вдоль одной из нитей, синтезирует рядом с ней комплементарную нить мРНК. В результате транскрипции мРНК содержит генетическую информацию в виде последовательного чередования нуклеотидов, порядок которых точно скопирован с соответствующего участка (гена) молекулы ДНК.

Дальнейшие исследования показали, что в процессе транскрипции синтезируется так называемая про-мРНК – предшественник зрелой мРНК, участвующей в трансляции. Про-мРНК имеет значительно большие размеры и содержит фрагменты, не кодирующие синтез соответствующей полипептидной цепи. В ДНК наряду с участками, кодирующими рРНК, тРНК и полипептиды, имеются фрагменты, не содержащие генетической информации. Они получили название интронов в отличие от кодирующих фрагментов, которые называются экзонами. Интроны обнаружены на многих участках молекул ДНК. Так, например, в одном гене – участке ДНК, кодирующем овальбумин курицы, содержится 7 интронов, в гене сывороточного альбумина крысы – 13 интронов. Длина интрона бывает различной – от двухсот до тысячи пар нуклеотидов ДНК. Интроны считываются (транскрибируются) одновременно с экзонами, поэтому про-мРНК значительно длиннее, чем зрелая мРНК. В ядре в про-мРНК специальными ферментами вырезаются интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке. Этот процесс называют сплайсингом. В процессе сплайсинга образуется зрелая мРНК, которая содержит только ту информацию, которая необходима для синтеза соответствующего полипептида, то есть информативную часть структурного гена.

Значение и функции интронов до сих пор еще не совсем выяснены, но установлено, что, если в ДНК считываются только участки экзонов, зрелая мРНК не образуется. Процесс сплайсинга изучен на примере работы гена овальбумина. Он содержит один экзон и 7 интронов. Сначала на ДНК синтезируется про-мРНК, содержащая 7700 нуклеотидов. Затем в про-мРНК число нуклеотидов уменьшается до 6800, затем - до 5600, 4850, 3800, 3400 и т. д. до 1372 нуклеотидов, соответствующих экзону. Содержащая 1372 нуклеотида мРНК выходит из ядра в цитоплазму, попадает на рибосому и синтезирует соответствующий полипептид.

Следующий этап биосинтеза – трансляция – происходит в цитоплазме на рибосомах при участии тРНК.

Транспортные РНК синтезируются в ядре, но функционируют в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Одна молекула тРНК содержит 76-85 нуклеотидов и имеет довольно сложную структуру, напоминающую клеверный лист. Три участка тРНК имеют особо важное значение: 1) антикодон, состоящий из трех нуклеотидов, определяющий место прикрепления тРНК к соответствующему комплементарному кодону (мРНК) на рибосоме; 2) участок, определяющий специфичность тРНК, способность данной молекулы прикрепляться только к определенной аминокислоте; 3) акцепторный участок, к которому прикрепляется аминокислота. Он одинаков для всех тРНК и состоит из трех нуклеотидов – Ц-Ц-А. Присоединению аминокислоты к тРНК предшествует ее активация ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. Этот фермент специфичен для каждой аминокислоты. Активированная аминокислота прикрепляется к соответствующей тРНК и доставляется ею на рибосому.

Центральное место в трансляции принадлежит рибосомам – рибонуклеопротеиновым органоидам цитоплазмы, во множестве в ней присутствующим. Размеры рибосом у прокариот в среднем 30х30х20 нм, у эукариот – 40х40х20 нм. Обычно их размеры определяют в единицах седиментации (S) – скорости осаждения при центрифугировании в соответствующей среде. У бактерии кишечной палочки рибосома имеет величину 70Sи состоит из двух субчастиц, одна из которых имеет константу 30S, вторая 50S, и содержит 64 % рибосомальной РНК и 36 % белка.

Молекула мРНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Трансляция начинается с так называемого стартового кодона (инициатора синтеза) – А-У-Г-. Когда тРНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется водородными связями с нуклеотидами комплементарного кодона мРНК. Акцепторный конец тРНК с соответствующей аминокислотой прикрепляется к поверхности большой субчастицы рибосомы. После первой аминокислоты другая тРНК доставляет следующую аминокислоту, и таким образом на рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Молекула мРНК обычно работает сразу на нескольких (5-20) рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называют инициацией, рост ее – элонгацией. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи определяется последовательностью кодонов в мРНК. Синтез полипептидной цепи прекращается, когда на мРНК появляется один из кодонов-терминаторов – УАА, УАГ или УГА. Окончание синтеза данной полипептидной цепи называется терминацией.

Установлено, что в клетках животных полипептидная цепь за одну секунду удлиняется на 7 аминокислот, а мРНК продвигается на рибосоме на 21 нуклеотид. У бактерий этот процесс протекает в два-три раза быстрее.

Следовательно, синтез первичной структуры белковой молекулы – полипептидной цепи – происходит на рибосоме в соответствии с порядком чередования нуклеотидов в матричной рибонуклеиновой кислоте – мРНК. Она не зависит от строения рибосомы.

Процесс синтеза белка в клетке называется биосинтезом. Он состоит из двух основных этапов - транскрипции и трансляции (рис. 4.5). Первый этап - транскрипция генетической информации - процесс синтеза однонитевой мРН К комплементарно одной смысловой цепи ДНК, то есть перенос генетической информации о нуклеотидном строении ДНК на мРНК. Через норы ядерной мембраны мРНК поступает в каналы эндоплазматической сети и здесь соединяется с рибосомами. Синтез белка происходит на молекуле мРНК, причем рибосомы продвигаются вдоль нее и к концу синтеза полипептидной цепи сходят с нее (рис. 4.6).

На рисунке 4.6 показаны только два триплета: антикодон комплементарный, соответствующий колону мРНК, и триплет ЦЦА, к которому присоединяется аминокислот (ЛК).
Аминокислоты, находящиеся в цитоплазме, активируются ферментами, после чего связываются с другим видом РНК - транспортной. Она перекосит аминокислоты к рибосомам. Различные тРНК доставляют к: рибосоме аминокислоты и располагают их соответственно последовательности триплетов мРНК. Три последовательных нуклеотида, кодирующие определенную аминокислоту, были названы кодоном (мРНК), а неразрывный триплет - антикодоном (тРНК). Кодоны ничем не отделены друг от друга. Доставляя определенную аминокислоту, тРНК взаимодействует с мРНК (кодон-антикодон). и аминокислота присоединяется к растущей пол и пептидной цепи. Совершенно очевидно, что синтез полипептида, то есть расположения в нем аминокислот, определяется последовательностью нуклеотидов мРНК.

Второй этап биосинтеза - трансляция - перевод генетической информации с мРНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи.
В последовательности расположения нуклеотидов в триплете закодирована определенная аминокислота. Установлено, что генетический код является триплетным, то есть каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов. Если код триплетом, то из четырех азотистых оснований можно составить 64 кодона (4в3); этого с избытком хватает для кодирования 20 аминокислот. Выявлено новое свойство генетического кода - его избыточность, то есть некоторые аминокислоты кодируют не один, а большее число триплетов. Из 64 кодонов три признаны стопкодонами, они обусловливают прекращение (терминацию) или перерыв генетической трансляции (табл. 4.2).

Генетический код неперекрывающийся. Если бы кодоны перекрывались, то замена одной пары оснований должна была привести к замене двух аминокислот в полипептидной цепи, а этого не происходит. Кроме этого, он универсален - одинаков для биосинтеза белков живых существ. Универсальность кода свидетельствует о единстве жизни на Земле. Таким образом, генетический код - это система записи наследственной информации в нуклеиновых кислотах в виде последовательности нуклеотидов.
Впоследствии путь реализации генетической информации в клетке был дополнен обратной транскрипцией (синтез ДНК на матрице РНК) - репликацией ДНК и РНК (рис. 4.7).

Ген - участок ДНК. кодирующий первичную структуру полипептида или нуклеиновую кислоту. В контроле синтеза полинептидной цепи принимают участие несколько разных генов: структурные гены, ген-peгулятор, ген-оператор. Механизм регуляции генетического кода был открыт французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на бактериях E. coli и получил название механизма индукции-репрессии. Структурные гены кодируют последовательность аминокислот в полипептидах. Обычно для структурных генов существует общая система регуляции, состоящая из гена-регулятора и гена-оператора. Ген-регулятор обусловливает синтез белка-репрессора, который, соединяясь с оператором, «разрешает» или «запрещает» считывание информации соответствующих структурных генов. Ген-оператор и следующие за мим структурные гены были названы опероном - единицей считывания генетической информации, единицей транскрипции (рис. 4.8).

Например, для нормальной жизнедеятельности E. coli необходим молочный сахар - лактоза. У нее имеется лактозный участок (lас-оперон), на котором расположены три структурных гена для расщепления лактозы. Если лактоза не поступает в клетку, то белок-репрессор, вырабатываемый геном-регулятором, связывается с оператором и тем самым «запрещает» транскрипцию (синтез мРНК) со всего оперона. Если же лактоза поступает в клетку, то функция белка-репрессора блокируется, начинаются транскрипция, трансляция, синтез белков-ферментов и растепление лактозы. После расщепления всей лактозы восстанавливается активность белка-репрессора и транскрипция подавляется.
Таким образом, гены могут находиться во включенном и отключенном состоянии. На их регуляцию влияют продукты метаболизма, гормоны. Ген функционирует в системе ДНК-РНК-белок, на которую влияет взаимодействие генов и факторы внешней среды.

С биохимической точки зрения синтез белка в мышцах – очень сложный процесс. Информацию о структуре всех необходимых организму белков содержит ДНК, находящаяся в ядре клеток. Функции белка зависят от последовательности аминокислот в их структуре. А эта последовательность кодируется последовательностью нуклеотидов ДНК, в которой каждой аминокислоте соответствует группа из трех нуклеотидов – триплет. И каждый участок ДНК – геном – отвечает за синтез одного типа белка.

Белок строится рибосомами в цитоплазме. Необходимая информация о его структуре передается из ядра на рибосомы с помощью и-РНК (информационной РНК) – своеобразной «копии» нужного генома. Синтез и-РНК – это первый этап биосинтеза белков, называемый транскрипцией («переписыванием»).

Второй этап синтеза белков в клетках – трансляция («перевод» нуклеотидного кода ДНК в последовательность аминокислот). На этом этапе и-РНК прикрепляется к рибосоме, затем рибосома начинает от стартового кодона двигаться вдоль цепи и-РНК и присоединять на каждом кодоне (нуклеотидном триплете, кодирущем информацию об одной аминокислоте) и-РНК – аминокислоты, приносимые т-РНК (транспортными РНК). Т-РНК содержат молекулу определенной аминокислоты и антикодон, соответствующий определенному кодону и-РНК. Рибосома присоединяет аминокислоту к растущей белковой цепи, потом отсоединяет т-РНК и передвигается к следующему кодону. Так происходит до тех пор, пока рибосоме не встретится терминатор – стоп-кодон. После этого синтез белковой молекулы прекращается и она отсоединяется от рибосомы. Остается только транспортировать готовую белковую молекулу в растущую мышечную клетку.

Активация синтеза

Главный механизм, запускающий синтез белка в мышцах – это активация всем известного mTOR’а (mammalian target of rapamycin – т.е. «мишень рапамицина у млекопитающих»). «Мишенью» он называется потому, что mTOR отвечает за рост и размножение клеток, и эти процессы блокируются особыми ингибиторами (например, рапамицином), которые воздействуют именно на данный белок.

Для спортсмена важно, что в мышцах постоянно происходит синтез и разрушение белка, обеспечивающие обновление мышечной ткани. И если мы хотим, чтобы наши мышцы подросли, нам надо сделать так, чтобы на протяжении определенного периода синтез белка превосходил его разрушение. Для этого мы и рассматриваем процессы активации синтеза белка, ключевым элементом которых является mTOR.

Биохимически mTOR – это белок-фермент (относящийся к группе протеинкиназ), который стимулирует процесс трансляции, т.е. синтеза белка рибосомами на и-РНК (ее еще называют м-РНК – матричная РНК). В свою очередь, сам mTOR активизируется аминокислотами (лейцин, изолейцин и др.) и факторами роста (различные гормоны – соматотропин, инсулин и др.).

Мышечные нагрузки стимулируют mTOR опосредованно, через систему сигналов о разрушении мышц и усиление секреции факторов роста (например, механического фактора роста).

Белковый баланс

Итак, если наша задача — добиться положительного белкового баланса , т.е. превосходства синтеза белка над его разрушением, то нам следует снижать катаболизм (разрушение мышц) и стимулировать их рост. И у нас есть прекрасная возможность добиться в этом успеха — т.н. «белково-углеводное окно». Всем понятно, что в период вскоре от начала тренировки организм атлета испытывает острую нехватку питательных веществ, которая продолжается примерно полтора-два часа после окончания тренировки, пока организм не восполнит нехватку необходимых веществ из собственных ресурсов. Учитывая, что скорость всасывания и усвоения аминокислот в составе протеинового коктейля составляет час-полтора, то мы получаем пределы белково-углеводного окна, принятие аминокислот и углеводов в котором имеет высокую эффективность усвоения, - от 1,5 ч до тренировки до 1,5 ч после.

По мудрости Природы многие вещества (такие как ) обладают способностью не только стимулировать синтез белка, но и подавлять его разрушение (например, угнетают действие кортизола). Считается, что прием белка (лучше в виде или даже , например, ) и углеводов может дать хороший анаболический эффект в любом из трех периодов белково-углеводного окна — до тренировки, во время тренировки и после тренировки. Но настоятельно рекомендуют прием БЦАА непосредственно перед тренировкой или сразу после, а также прием углеводов с высоким гликемическим индексом во время тренировки и обязательно прием белка в течение часа после тренировки. Так Вы обеспечите свой организм всеми необходимыми веществами для активного синтеза белка.

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.

Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистину, Ц-А-А - валину н т. д. Разных аминокислот - 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» — переписывание).
На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.
Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.
На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

Хромосомы (от греч. «хрома» - цвет, «сома» - тело) - очень важные структуры ядра клетки. Играют главную роль в процессе клеточного деления, обеспечивая передачу наследственной информации от одного поколения к другому. Они представляют собой тонкие нити ДНК, связанные с белками. Нити называются хроматидами, состоящими из ДНК, основных белков (гистонов) и кислых белков.

В неделящейся клетке хромосомы заполняют весь объем ядра и не видны под микроскопом. Перед началом деления происходит спирализация ДНК и каждая хромосома становится различимой под микроскопом. Во время спирализации хромосомы сокращаются в десятки тысяч раз. В таком состоянии хромосомы выглядят как две лежащие рядом одинаковые нити (хроматиды), соединенные общим участком - центромерой.

Для каждого организма характерно постоянное количество и структура хромосом. В соматических клетках хромосомы всегда парные, то есть в ядре есть две одинаковые хромосомы, составляющие одну пару. Такие хромосомы называют гомологичными, а парные наборы хромосом в соматических клетках называют диплоидными.

Так, диплоидный набор хромосом у человека состоит из 46 хромосом, образуя 23 пары. Каждая пара состоит из двух одинаковых (гомологичных) хромосом.

Особенности строения хромосом позволяют выделить их 7 групп, которые обозначаются латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все пары хромосом имеют порядковые номера.

У мужчин и женщин есть 22 пары одинаковых хромосом. Их называют аутосомы. Мужчина и женщина отличаются одной парой хромосом, которые называют половыми. Они обозначаются буквами — большая X (группа С) и маленькая Y (группа С,). В женском организме 22 пары аутосом и одна пара (XX) половых хромосом. У мужчин — 22 пары аутосом н одна пара (XY) половых хромосом.

В отличие от соматических клеток, половые клетки содержат половинный набор хромосом, то есть содержат по одной хромосоме каждой пары! Такой набор называют гаплоидным. Гаплоидный набор хромосом возникает в процессе созревания клеток.

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном . Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» - переписывание).
На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодон ов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.
Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией . Он происходит в рибосомах.
На четвертом этапе происходит образование вторичной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка .

Синтез информационной РНК (и-РНК) происходит в ядре. Он осуществляется по одной из нитей ДНК с помощью ферментов и с учетом принципа комплиментарности азотистых оснований. Процесс переписывания информации, содержащейся в генах ДНК на синтезируемую молекулу и-РНК называется транскрипцией . Очевидно, что информация переписывается в виде последовательности нуклеотидов РНК. Нить ДНК в этом случае выступает в качестве матрицы. В молекулу РНК в процессе ее образования вместо азотистого основания – тимина включается урация.

Г - Ц - А - А - Ц - Т – фрагмент одной из цепочек молекулы ДНК- Ц - Г - У - У - Г - А – фрагмент молекулы информационной РНК.

Молекулы РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию об одном гене. Далее молекулы и-РНК выходят из ядра клетки через поры оболочки ядра и направляются в цитоплазму к рибосомам. Сюда же с помощью транспортных РНК (т-РНК) доставляются аминокислоты. Молекула т-РНК состоит из 70–80 нуклеотидов. Общий вид молекулы напоминает лист клевера.

На «верхушке» листа расположен антикодон (кодовый триплет нуклеотидов), который соответствует определенной аминокислоте. Следовательно, для каждой аминокислоты существует своя, конкретная т-РНК. Процесс сборки молекулы белка идет в рибосомах и называется трансляцией . На одной молекуле и-РНК последовательно располагаются несколько рибосом. В функциональном центре каждой рибосомы способны поместиться два триплета и-РНК. Кодовый триплет нуклеотидов – молекулы т-РНК, подошедшей к месту синтеза белка, соответствует триплету нуклеотидов и-РНК, находящемуся в данный момент в функциональном центре рибосомы. Тогда рибосома по цепочке и-РНК делает шаг, равный трем нуклеотидам. Аминокислота отделяется от т-РНК и становится в цепочку мономеров белка. Освободившаяся т-РНК уходит в сторону и через некоторое время может снова соединиться с определенной кислотой, которую будет транспортировать к месту синтеза белка . Таким образом, последовательность нуклеотидов в триплете ДНК соответствует последовательности нуклеотидов в триплете и-РНК.

В сложнейшем процессе биосинтеза белка реализуются функции многих веществ и органоидов клетки.