7.4. Катаболизм белков в мышечных волокнах

Белки, входящие в состав клеток организма, также постоянно обновляют свой состав, разрушаются (;катаболизм или протеолиз) и снова синтезируются. В мышечных волокнах распад белков осуществляется посредством специальных ферментов — катепсинов, которые находятся в лизосомах. Многие из этих ферментов проявляют высокую активность в кислой среде (рН = 5,0). Поэтому при мышечной работе, приводящей к образованию в мышцах молочной кислоты, катепсины активизируются. Мембрана лизосом устроена таким образом, что она проницаема для белков, которые могут свободно проникать внутрь лизосом, но не проницаема для катепсинов. В лизосомах белки под действием катепсинов превращаются в олигопротеины (низкомолекулярные белки) и выходят из лизосом в саркоплазму мышечного волокна. В саркоплазме олигопротеины под действием ферментов расщепляются до аминокислот.

Срок полупериода жизни белков мышц, то есть время, за которое они наполовину обновляют свой состав, составляет около 30 суток. Физические нагрузки усиливают синтез и распад белков в мышцах. Степень выраженности этих процессов зависит от интенсивности нагрузки и тренированности организма человека. В качестве специфического показателя распада сократительных белков актина и миозина используется 3-метилгистидин.

Однократные физические нагрузки вызывают угнетение синтеза белка и усиление их катаболизма. Интенсивная силовая тренировка особенно усиливает катаболизм белков и некоторых структур мышц, на восстановление которых требуется продолжительное время (до двух- трех суток). Особенно увеличивается синтез тех белков, которые разрушаются в большей степени.

Процессы распада белков и окисления аминокислот сопровождаются усиленным образованием при мышечной деятельности аммиака, который связывается в печени в цикле синтеза мочевины и выводится из организма. Поэтому физические нагрузки вызывают увеличение содержания мочевины в крови, а нормализация ее в период отдыха свидетельствует о восстановлении процессов распада и синтеза белков в тканях.

Установлено, что адаптационные процессы, происходящие в скелетной мышце и приводящие к ее гипертрофии, связаны не только с повышенным синтезом белка, но и с пониженным его распадом. Этот феномен называется антикатаболическим эффектом. Он достигается за счет разрушения белка, индуцированного кортизолом. Считается, что гипертрофия мышечных волокон типа I зависит от уменьшения разрушения белков, а гипертрофия мышечных волокон типа II — от увеличения синтеза белка.

7.5. Синтез белков в мышечных волокнах

Синтез белка в мышечных волокнах протекает в несколько этапов. В настоящее время принято различать три этапа синтеза белка: транскрипцию, рекогницию и трансляцию.

Рис. 7.2. Этапы синтеза белка: а - транскрипция; б - трансляция

Первый этап синтеза белка (транскрипция) протекает в миоядрах. 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 нуклеотиды и соединяет их в цепочку. В результате на одной из цепей ДНК синтезируется молекула иРНК (рис. 7.2). 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 миоядер (F. Kadi et al., 1999). Это увеличение связано с усиленным делением клеток-сателлитов при повреждении мышечного волокна. Возрастание количества миоядер создает предпосылки для увеличения синтеза белка, так как увеличивается количество иРНК, синтезируемой в ядрах мышечных волокон.

Второй этап синтеза белка — рекогниция — проходит в саркоплазме мышечного волокна. В процессе рекогниции транспортные РНК (тРНК) соединяются с аминокислотами и транспортируют их в область рибосом. Так как существуют 20 основных аминокислот, то насчитывается 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 ее активации. Эти ферменты проявляют высокую активность в присутствии ионов магния (Mg2+).

Молекулы тРНК имеют по два специфических триплета . Один из них — кодон, с которым связывается аминокислота, другой — антико- дон, который соответствует кодону данной аминокислоты в иРНК (см. рис. 7.2). Благодаря этому аминокислоты при синтезе белка располагаются в последовательности, диктуемой последовательностью кодонов виРНК.

Третий этап синтеза белка — трансляция — происходит на рибосомах. Из аминокислот, перемещаемых тРНК в область рибосом, формируется пептидная цепь (белковая молекула) в соответствии с информацией, закодированной в иРНК. Молекула иРНК передвигается между двумя субъединицами рибосомы — малой и большой. К малой субъединице присоединяется иРНК, к большой — фермент, синтезирующий белок. При передвижении иРНК между двумя субъединицами рибосом кодо- ны иРНК взаимодействуют с антикодонами тРНК по принципу комплементарное™.

Завершение синтеза белка обеспечивается кодонами терминации (стоп-сигналом) в иРНК, с которыми не может связаться ни одна тРНК. Поэтому процесс завершения синтеза белка называется тер- минацией. Затем включается фактор освобождения и полипептидная цепь белка отделяется от рибосом. Таким образом образуется первичная структура белка. Затем вновь синтезированный белок приобретает определенную пространственную вторичную структуру. Сложная третичная структура белка формируется самопроизвольно в саркоплазме и определяется характером первичной структуры белка, а также окружающими условиями.

Аналогичным образом осуществляется синтез молекул основных сократительных белков (миозина и актина). Следует отметить, что синтез белка 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.