Ии смоделировал процесс сворачивания белка: что это значит для людей

Причина употреблять углеводы

Как было убедительно доказано в литературе, что передача сигналов инсулина не требуется для включения тренировочно-индуцированного синтеза белка —  требуется только лейцин, что позволяет предположить, что углеводы не важны.

Это изначально стало полной неожиданностью, потому что инсулин является мощным активатором синтеза белка. Инсулин активирует MTOR путем PI3K сигнализации / Akt, который параллелен путям, используемых аминокислотами и механическим нагрузкам, чтобы активировать МРМ.

Хотя передача сигналов инсулина не настолько необходим для всплеска в синтезе белка, который происходит в течение нескольких часов после тренировки, инсулин также является мощным ингибитором разрушения мышечного белка.

Исследования, проведенные на конкретный период после тренировки, показали, что потребление глюкозы после тренировки, хотя и не активируя синтез белка, также имеет мощное ингибирующее действие на разрушение белка.

Это не означает, что мы должны сбрасывать со счетов углеводы, в целях синтеза белка; они увеличивают уровень инсулина, который по-прежнему может иметь важное значение. Мышцы готовы к увеличению синтеза белка в течение 24+ часов после тренировки, но острый взрыв в синтезе белка, который происходит в результате тренировок или приема аминокислот длится только в течение нескольких часов

Механическое напряжение от тренировки, потребление аминокислот и инсулина / факторов роста, все активации MTOR через различные пути, предполагает, что мы в состоянии получить синергический эффект.

Научно установлено, что механическое напряжение от тренировок и лейцин / EAAs синергетически усиливают синтез белка. Точно так же, инсулин может внести свой вклад в общий всплеск в синтезе белка путем поворота на МРМ через PI3K / Akt пути.

Хотя некоторые исследования, относительно синтеза белка, вызванного физической нагрузкой показали, что добавление углеводов и аминокислот не приводит к аддитивному эффекту на синтез белка, когда потребляется достаточное количество аминокислот, вы должны внимательно проанализировать экспериментальные модели исследования применительно к реальному миру.

Более поздние исследования, глядя на более общие модели для синтеза белка, показывают, что инсулин + аминокислоты могут иметь синергетическое положительное влияние на синтез белков, в результате чего произойдет наибольшая активация MTOR вместе!

Если инсулин способен продлить или усилить взрыв в синтезе белка после тренировки, то применение углеводов в качестве вашего рациона питания после тренировки дает огромное преимущество.

Трансляция (синтез белка)

Трансляция (англ. translation – перевод) – это биосинтез белка на матрице мРНК.

После переноса информации с ДНК на матричную РНК начинается синтез белков. Каждая зрелая мРНК несет информацию только об одной полипептидной цепи. Если клетке необходимы другие белки, то необходимо транскрибировать мРНК с иных участков ДНК.

Биосинтез белков или трансляция происходит на рибосомах, внутриклеточных белоксинтезирующих органеллах, и включает 5 ключевых элементов:

• матрица – матричная РНК,
• растущая цепь – полипептид,
• субстрат для синтеза – 20 протеиногенных аминокислот,
• источник энергии – ГТФ,
• рибосомальные белки, рРНК и белковые факторы.

Выделяют три основных стадии трансляции: инициация, элонгация, терминация.

Инициация

Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, три белковых фактора инициации (ИФ-1, ИФ-2, ИФ-3), метионин и тРНК для метионина.

В начале этой стадии формируются два тройных комплекса: 

• первый комплекс – мРНК + малая субъединица + ИФ-3,
• второй комплекс – метионил-тРНК + ИФ-2 + ГТФ.

После формирования тройные комплексы объединяются с большой субъединицей рибосомы. В этом процессе активно участвуют белковые факторы инициации, источником энергии служит ГТФ. После сборки комплекса инициирующая метионил-тРНК связывается с первым кодоном АУГ матричной РНК и располагается в П-центре (пептидильный центр) большой субъединицы. А-центр (аминоацильный центр) остается свободным, он будет задействован на стадии элонгации для связывания аминоацил-тРНК.

События стадии инициации

После присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации.

Элонгация

Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот, белковые факторы элонгации, ГТФ. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 аминокислот в секунду.

Элонгация представляет собой циклический процесс. Первый цикл (и следующие циклы) элонгации включает три шага:

1. Присоединение аминоацил-тРНК (еще  второй)  к кодону мРНК (еще второму),  аминокислота при этом встраивается в А-центр рибосомы. Источником энергии служит ГТФ.
2. Фермент пептидилтрансфераза осуществляет перенос метионина с метионил-тРНК (в П-центре) на вторую аминоацил-тРНК (в А-центре) с образованием пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. При этом уже активированная СООН-группа метионина связывается со свободной NH₂-группой второй аминокислоты. Здесь источником энергии служит макроэргическая связь между аминокислотой и тРНК.

1. Фермент транслоказа перемещает мРНК относительно рибосомы таким образом, что первый кодон АУГ оказывается вне рибосомы, второй кодон (на рисунке ) становится напротив П-центра, напротив А-центра оказывается третий кодон (на рисунке ). Для этих процессов необходима затрата энергии ГТФ. Так как вместе с мРНК перемещаются закрепленные на ней тРНК, то инициирующая первая тРНК выходит из рибосомы, вторая тРНК с дипептидом помещается в П-центр.

Последовательность событий стадии элонгации

Второе повторение цикла – начинается с присоединения третьей аминоацил-тРНК к третьему кодону мРНК, аминокислота-3 становится в А-центр. Далее трансферазная реакции повторяется и образуется трипептид, занимающий А-центр, после чего он смещается в П-центр в транслоказной реакции..

В пустой А-центр входит четвертая аминоацил-тРНК и начинается третий цикл элонгации:

Образование пептидной связи при встраивании четвертой аминокислоты в пептид.Субъединицы рибосомы, большая часть транспортных РНК и матричная РНК не показаны.

Цикл элонгации (реакции 1,2,3) повторяется столько раз, сколько аминокислот необходимо включить в полипептидную цепь.

Терминация

Синтез белка продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет на мРНК особых терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА, УАГ, УГА. Данные триплеты не кодируют ни одной из аминокислот, их также называют нонсенс-кодоны. При вхождении этих кодонов внутрь рибосомы происходит активация белковых факторов терминации, которые последовательно катализируют:

1. Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК.
2. Отделение от П-центра последней, уже пустой, тРНК.
3. Диссоциацию рибосомы.

Источником энергии для завершения трансляции является ГТФ.

Реакции стадии терминации

Полирибосомы

По причине того, что продолжительность жизни матричной РНК невелика, перед клеткой стоит задача использовать ее максимально эффективно, т.е. получить максимальное количество «белковых копий». Для достижения этой цели на каждой мРНК может располагаться не одна, а несколько рибосом, встающих последовательно друг за другом и синтезирующих пептидные цепи. Такие образования называются полирибосомы.

Где происходит синтез белка

Образование высокомолекулярного соединения протекает в цитоплазме. Именно здесь находятся органоиды, на которых осуществляется данный процесс. Рибосома представляет собой две части: малую и большую. Чтобы биосинтез белка начался, необходимо доставить информацию из ядра в цитоплазму.

Ядро эукариот хранит информацию о первичной структуре природных полимеров. Её называют наследственной. Эта важная информация должна быть без искажения перенесена к месту синтеза белка.

С этой целью в ядре идут матричные реакции. На одной из цепей ДНК синтезируется и-РНК. Именно она является посредником между двумя частями клетки.

Что такое инициация, описание

Первый пункт процесса обеспечивается специальными белками, которые называются факторы инициации. Основная цель — связать малую субъединицу рибосомы с мРНК. Есть особенности, как все протекает у эукариот и прокариот. 

Для возникновения инициации нужно еще наличие определённых нуклеотидных последовательностей в районе стартового кодона (у прокариот это последовательность Шайна-Дальгарно, у эукариот последовательность Козак).

• У прокариот рибосомы способны находить стартовый AUG-кодон и инициировать синтез на любых участках мРНК.
• У эукариот рибосомы как правило присоединяются к мРНК в области 5′-кэпа и только потом начинают искать на ней стартовый кодон. 

В отличие от прокариот, инициация трансляции у которых обеспечивается лишь 3 белковыми факторами, трансляция подавляющего большинства мРНК у эукариот требует как минимум 13 общих эукариотических факторов инициации.

Как работает AlphaFold

DeepMind работает над AlphaFold четыре года. Впервые компания показала нейросеть в 2018 году. На входе алгоритм принимает генетическую последовательность аминокислот, а на выходе выдает расстояние и углы связей между ними, что позволяет восстановить всю структуру белка.

Как работает AlphaFold

В этом году представили новую версию алгоритма — AlphaFold 2. В его основе — нейросеть с блоком внимания, которая определяет связи между аминокислотными остатками с учетом уже известных похожих белков. После этого алгоритм моделирует трехмерную структуру белка.

AlphaFold строит модели с нуля, а не на основе готовых шаблонов белков. На основе прогноза алгоритм строит трехмерные модели с помощью двух методов, основанных на глубоких нейронных сетях. Первая нейросеть вычисляет расстояния между парами аминокислот и углов между химическими связями, которые их соединяют. Вторая — сравнивает полученные результаты, оптимизирует и уточняет их при помощи математического анализа.

На обучение, совместно с экспертами в области структурной биологии, физики и машинного обучения, ушло несколько недель. Сейчас в DeepMind работают над тем, чтобы предоставить широкий доступ к технологии и масштабировать ее. Следом предстоит понять, как белки образуют сложные комплексы, взаимодействуют с ДНК, РНК или небольшими молекулами, а также — определить точное местоположение всех боковых цепей аминокислот.

Разработчики готовы сотрудничать с другими командами. Они надеются, что это поможет в лечении многих заболеваний: болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона, кистозного фиброза. А также — в исследованиях редких и малоизученных структур белков, изучении окружающей среды.

Синтез белков и инсулин

В инсулине 51 аминокислота. Чтобы соединить их в нужной последовательности, химикам потребовалось провести 223 реакции. Когда спустя три года после начала первой из них была закончена последняя, выход продукта составлял меньше одной сотой процента. Три года, 223 стадии, сотая доля процента — согласитесь, победа носит чисто символический характер. Говорить о практическом применении этого метода очень трудно: слишком велики связанные с его реализацией расходы

А ведь в конечном счете речь идет о синтезе не драгоценных реликвий славы органической химии, а о выпуске жизненно важного лекарственного препарата, который необходим тысячам людей во всем мире. Так классический метод синтеза полипептидов исчерпал себя на первом же, самом простом белке

Значит, «синяя птица» вновь ускользнула из рук химиков?

Вступление

Общие компоненты бесклеточной реакции включают клеточный экстракт, источник энергии, запас аминокислот , кофакторов, таких как магний , и ДНК с желаемыми генами . Клеточный экстракт получают путем лизирования интересующей клетки и центрифугирования клеточных стенок, генома ДНК и других остатков. Остатки представляют собой необходимый клеточный аппарат, включая рибосомы , аминоацил-тРНК-синтетазы , факторы инициации и удлинения трансляции , нуклеазы и т. Д.

В CFPS можно использовать два типа ДНК: плазмиды и матрицы линейной экспрессии (LET). Плазмиды имеют круглую форму и образуются только внутри клеток. LET могут быть сделаны намного эффективнее с помощью ПЦР , которая реплицирует ДНК намного быстрее, чем выращивание клеток в инкубаторе . Хотя LET легче и быстрее сделать, выход плазмид обычно намного выше в CFPS. Из-за этого многие исследования сегодня сосредоточены на оптимизации выходов ЛПЭ CFPS, чтобы приблизиться к выходам CFPS с плазмидами.

Источник энергии — важная часть бесклеточной реакции. Обычно для реакции в экстракт добавляют отдельную смесь, содержащую необходимый источник энергии, а также запас аминокислот. Обычными источниками являются пируват фосфоенола , ацетилфосфат и креатинфосфат .

Транскрибирование ДНК в РНК

Синтетическая схема транскрипции из ДНК в РНК в эукариот .

Первым шагом в синтезе белка является транскрипции из гена из ДНК в молекуле РНК (мРНК). РНК имеет структуру, очень похожую на структуру ДНК, но является одноцепочечной, в то время как ДНК имеет тенденцию образовывать двухцепочечные структуры , оза представляет собой рибозу вместо дезоксирибозы , а урацил заменяет тимин . Этот процесс происходит даже в пределах ядра из клеток в эукариотов , так и в цитозоле клеток прокариотов  ; это различие имеет важные последствия для процессинга синтезированной РНК. У эукариот тот факт, что РНК проникает в цитоплазму через ядерные поры, является источником термина «посланник РНК». Транскрипцию можно разделить на три стадии: инициация, элонгация и терминация, каждая из которых регулируется большим количеством белков , таких как в качестве факторов транскрипции и коактиваторов, которые обеспечивают транскрипцию нужного гена. инициация начинается с промотора , то есть с нуклеотидной последовательности, охватывающей типичные последовательности, такие как TATA-бокс ( консенсусная последовательность TATAA) у эукариот и блок Pribnow (консенсусная последовательность TATAAT) ) в прокариоте этих последовательности богаты. аденин — тимин пар , объединенном только два водородных связей , в отличии от пары гуанина — цитозин , которые связаны между собой с помощью трех водородных св зей: это облегчает открытие двойной спирали ДНК с помощью геликазов , выпустив один из две нити, которые будут скопированы в РНК a. Полим-РНК Эраза ( РНК-полимераза II у эукариот ) считывает этот сегмент ДНК в направлении 3 ‘→ 5’ , синтезируя информационную РНК в направлении 5 ‘→ 3’ .

Все гены в клетке не обязательно кодируют белки: очень большое количество из них кодирует так называемые «некодирующие» РНК, потому что они не являются матричными РНК, несущими аминокислотные кодоны, а, например, рибосомной РНК или транспортной РНК , поэтому эта информационная РНК составляет только часть РНК, возникающую в результате транскрипции генов с помощью РНК-полимераз. У прокариот продукт транскрипции гена белка может непосредственно использоваться как информационная РНК. У эукариот, с другой стороны, мы говорим о первичном транскрипте, который должен пройти определенное количество посттранскрипционных модификаций, составляющих созревание матричной РНК, прежде чем стать функциональным.

Понятие трансляции белка

Принцип трансляции, как видно из ее названия, это перенос информации о последовательности нуклеотидов в матричной РНК на последовательность аминокислот в молекуле белка. 

Что необходимо для синтеза

Нужно, чтобы были в наличии:

• рибосомы;
• 20 аминокислот и 20 тРНК, которые будут их транспортировать;
• необходимые ферменты;
• источники энергии;
• ионы магния;
• специальные белковые факторы;
• мРНК (также она еще называется информационная РНК — иРНК).

Примечание

ДНК непосредственно участия в биосинтезе белка не принимает. 

Роль составляющих

• ДНК — матрица, где записана вся информация о структуре белка. На ее основе и происходит весь синтез. 
• мРНК переносит информацию к месту сборки. Содержит генетический код.
• тРНК транспортирует к рибосоме активированные остатки аминокислот и обеспечивает их включение в синтезирующуюся белковую цепь в соответствии с программой, записанной генетическим кодом в мРНК. Содержит антикодон.
• Рибосома — в ней происходит сам синтез.
• Ферменты являются катализаторами процесса.
• Аминокислоты — «кирпичики», из которых строится белок.
• АТФ (аденозинтрифосфат) — источник энергии.

Процесс синтеза белка на рибосоме состоит из трех стадий:

• инициации;
• элонгации;
• терминации.

Рассмотрим их подробнее и дадим краткую характеристику.

Биосинтез Белка

Подробности

Категория: Биология

Документальные учебные фильмы. Серия «Биология».

https://vk.com/video_ext.php

 Информационная РНК (рибонуклеиновая кислота), несущая сведения о первичной структуре белковых молекул, синтезируется в ядре. Пройдя через поры ядерной оболочки, и-РНК направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации — перевод ее с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот.

 Аминокислоты, из которых синтезируются белки, доставляются к рибосомам с помощью специальных РНК, называемых транспортными (т-РНК). Эти небольшие молекулы, состоящие из 70-90 нуклеотидов, способны сворачиваться таким образом, что образуют структуры, напоминающие по форме лист клевера. В клетке имеется столько же разных типов т-РНК, сколько типов кодонов, шифрующих аминокислоты. На вершине каждого «листа» т-РНК имеется последовательность трех нуклеотидов, комплементарных нуклеотидам кодона в и-РНК. Такая последовательность нуклеотидов в структуре т-РНК называется антикодоном. Специальный фермент «узнает» антикодон и присоединяет к «основанию листа» т-РНК не какую угодно, а определенную, «свою» аминокислоту. В этом состоит первый этап синтеза. Для того чтобы аминокислота включилась в цепь белка, она должна оторваться от т-РНК. На втором этапе синтеза белка т-РНК выполняет функцию переводчика с «языка» нуклеотидов на «язык» аминокислот. Такой перевод происходит на рибосоме. В ней имеется два участка. на одном т-рНК получает команду от и-РНК — антикодон узнает кодон, на другом — выполняется приказ — аминокислота отрывается от т-РНК.

 Третий этап синтеза белка заключается в том, что фермент синтеза присоединяет оторвавшуюся от т-РНК аминокислоту к белковой молекуле. Информационная РНК непрерывно скользит по рибосоме, каждый триплет сначала попадает в первый участок, где узнается антикодоном т-РНК, затем на второй участок. Сюда же переходит т-РНК с присоединенной к ней аминокислотой, здесь аминокислоты отрываются от т-РНК и соединяются друг с другом в той последовательности, в которой триплеты следуют один за другим.

Схема биосинтеза белка. Когда на рибосоме в первом участке оказывается один из трех триплетов, являющихся знаками препинания между генами, это означает, что синтез белка завершен. Готовая цепь белка отходит от рибосомы. Процесс синтеза белковой молекулы требует больших затрат энергии. На соединение каждой аминокислоты с т-РНК расходуется энергия одной молекулы АТФ. Средний по размерам белок состоит из 500 аминокислот, следовательно, столько же молекул АТФ расщепляется в процессе его синтеза. Кроме того, энергия нескольких молекул АТФ нужна для движения и-РНК по рибосоме.

 Для увеличения производства белков и-РНК часто одновременно проходит не через одну, а через несколько рибосом последовательно. Такую структуру, объединенную одной молекулой и-РНК, называют полисомой. На каждой рибосоме в таком, похожем на нитку бус, конвейере последовательно синтезируются несколько молекул одинаковых белков.

Синтез белков на полисоме.

 Аминокислоты бесперебойно поставляются к рибосомам с помощью т-РНК. Отдав аминокислоту, молекула т-РНК тут же соединяется с другой такой же аминокислотой. Высокая слаженность всех «служб комбината» по производству белков позволяет в течение нескольких минут синтезировать молекулы, состоящие из сотен аминокислот. Синтез белка на рибосомах носит название трансляции.

Трансляция

Для построения нового белка в клетке должен быть набор необходимых аминокислот, которые вырабатываются в организме, или получаются при переваривании поступающей извне пищи. Это говорит о том, что для полноценной деятельности организма питание должно быть полным и сбалансированным, с достаточным количеством белка. Аминокислоты, в основном, поступают после расщепления пищевого белка.

Поступающие аминокислоты переносятся специальными транспортными РНК, которые реагируют на информацию в виде кодона, единицы генетического кода. На аминокислоте должен быть соответствующий тринуклелеотид — антикодон. На рибосоме закрепится только та аминокислота, код которой подходит. На каждый элемент цепочки уходит 0,2 с. Именно на такое время останавливается рибосома, движущаяся по цепочке иРНК.

Между аминокислотами, поступающими на рибосому на каждом последующем участке, формируются пептидные связи. Они возникают благодаря наличию в начале участка одной аминокислоты аминогруппы, а на соответствующем конце соседней — карбоксильной группы. Связь возникает прочная и неразрывная.

Белковая цепочка заканчивает формирование после контакта рибосомы к определенным маркером, обозначающим конец этого этапа синтеза. Цепочка аминокислот отрывается от иРНК и передвигается в цитоплазму, для формирования вторичных и третичных структур. Процесс синтеза происходит непрерывно, после перехода рибосомы на следующую позицию на ее место тут же заступает другая и копирует цепочку с иРНК. Выполнившая свою задачу рибосома переходит на другую РНК и формирует другой белок.

Свойства белков

Для белков характерны следующие свойства:

1. Различная растворимость в воде. Белковые элементы, которые растворяются, приводят к формированию коллоидных растворов.
2. Гидролиз. Под влиянием ферментов или растворов минеральных кислот разрушается первичное строение белка и формируется смесь аминокислот.
3. Денатурация. Под этим термином понимают частичное или полное разрушение структуры белковой молекулы. Этот процесс может происходить под воздействием разных факторов – повышенных температур, растворов солей тяжелых металлов, кислот или щелочей, радиоактивного излучения, отдельных органических веществ.

Выводы

В обзоре рассматривалось множество факторов, которые могут быть причастны к возрастной анаболической резистентности синтеза мышечных белков после приёма пищи (Рис. 2). Тем не менее, эти факторы могут практически не различаться, когда принимается достаточное количество белка (20,26). Кроме того, мы полагаем, что снижение уровня привычной физической активности создаёт предпосылки для проявления анаболической резистентности у пожилых людей. Увеличение объёма физической активности в старости приводит к повышению уровня синтеза мышечных белков (26) и, таким образом, способствует здоровью. В дополнение к этому, мы получили подтверждение наших предположений, что количество (25), источник белка (18,24) и время суток (14), когда потреблялся белок, дополнительно влияют на амплитуду стимуляции уровня синтеза мышечного белка после приёма пищи, способствуя увеличению количества белков мышц.

Тем не менее, недостатки исследований, ограничивают наше понимание регуляции поддержания мышечной массы

Важно признать, что основные данные относительно постпрандиального синтеза мышечного белка были получены после однократного приёма пищи натощак (утром). Наши представления ограничены относительно того, как на анаболический ответ влияют предыдущие приёмы (приём) пищи, и существуют ли различия в регуляции при совместном потреблении углеводов и жиров

Более того, базальная постабсорбтивная регуляция синтеза мышечного белка связана с отзывчивостью постабсорбтивного уровня синтеза мышечного белка, но механизмы, лежащие в основе этих взаимодействий, ещё предстоит выяснить. Привычная физическая активность и достаточное потребление белка имеют решающее значение для поддержания постабсорбтивного уровня синтеза мышечных белков и обеспечения надлежащей анаболической отзывчивости в ответ на приём пищи. Следовательно, изменение образа жизни – сочетание увеличения физической активности с нормализацией питания способно компенсировать возрастную потерю мышечной массы и функции, что имеет решающее значение для поддержания здорового и ни от чего не зависящего образа жизни.