I . Аммонотелические организмы :

• выделяют в среду в качестве конечного продукта белкового обмена аммиак ( в виде иона NH₄+ ) , диффундирующий через дыхательные полости , омываемые водой

• аммиак очень токсичен и его использование в качестве конечного продукта возможно только у организмов , получающих воду в неограниченном количестве ( большинство водных беспозвоночных , много пресноводных и часть костистых морских рыб , личинки амфибий и проч. )

II . Уреотелические животные :

• главный конечный продукт белкового обмена - мочевина , образующаяся в печени из NH₃ ( хрящевые рыбы , амфибии , млекопитающие , в том числе человек )

• мочевина менее токсична чем аммиак и требует небольшого количества воды для удаления из организма

III . Урикотелические животные :

• в качестве конечного продукта обмена аминокислот и белков выводят мочевую кислоту ( практически не токсична и нерастворима в воде , не изменяет осмотических свойств среды )

• характерна для животных живущих в условиях острого дефицита влаги ( птицы , ящерицы , змеи , насекомые , наземные моллюски )

• наиболее эффективный способ сохранить воду при экскреции в условиях наземного существования

Структура белка

• В очень малом объёме клетки находится огромное число белковых молекул с огромной молекулярной массой

• Каждому белку присуща своя особая геометрическая форма , или конформация (структура )

• Структурированность белковых молекул обеспечивает необходимую компактизацию и функциональную активность

• Структура белков стабилизируется двумя видами прочных ковалентных связей (пептидными и дисульфидными ) и тремя видами слабых связей (Н- связями , гидрофобными и ионными - электростатическими )

• Установлено , что белки имеют 4 уровня или структуры организации :

Первичная структура белковой молекулы

• представляет линейную последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи ( линейный биополимер )

• каждый вид белка характеризуется строго определённой последовательностью и количеством аминокислотных остатков

• поддерживается пептидными связями ковалентного типа , обеспечивающих относительную стабильность первичной структуры

• линейные полипептидные цепи могут соединяться между собой дисульфидными связями ( - S - S - )

• передаётся по наследству от материнской клетки к дочерней с помощью генетического кода нуклеиновых кислот -ДНК , РНК

• определяет все последующие структуры белковой молекулы и её биологические функции

• расшифрована для небольшого числа индивидуальных белков ( инсулин , рибонуклеаза , миоглобин , гемоглобин и др. )

в настоящее время работы по определению аминокислотных последовательностей автоматизирована и теперь первичная структура известна уже для нескольких сотен белков

Вторичная структура

• представляет определённый характер спирализации полипептидной цепи ( первичной структуры )

• поддерживается за счёт водородных связей , образующихся между кислородомкарбонильной группы ( СО = ) одного остатка аминокислоты и водородом иминогруппы (- NH ) другого остатка на расстоянии четырёх аминокислотных остатков (очень слабые связи , но в силу их большого количества дающих большую суммарную энергию взаимодействия - стабильность вторичной структуры )

• термодинамически наиболее устойчивое состояние полипептидной цепи

• характерны две формы вторичной структуры - спирального (α - структура ) или складчатого ( ß - конформация ) типа

α - структура :  в виде спирали

 имеет вертикальное расположение водородных связей

 обладает большей прочностью

 чаще встречается в природе

 может переходить в ß - конформацию и обратно

ß - структура :  в виде гармошки складчатого типа

 имеет горизонтальное расположение водородных связей

 обладает меньшей прочностью

 редко встречается в природе

 переходит в α - структуру при перестройке Н - связей

• несколько α - спиралей или ß - структур могут скручиваться вместе в параллельные цепи , скреплённые поперечными - S - S - связями , образуя класс фибриллярных белков ( имеют большую механическую прочность , нерастворимы в воде , образуют длинные волокна или слоистые структуры - белок волос , шерсти , ногтей , когтей , клюва , перьев и рогов - кератин , коллаген сухожилий и костной ткани , миозин мышц , фиброин шёлка и паутины , фибрин крови , эластин соединительной ткани )

Третичная структура

• Представляет пространственную укладку спиральной полипептидной цепи (свертывание вторичной спиральной структуры в клубок ) за счёт её гибкости и сильного взаимодействия определённых её участков

• Имеет форму глобулы ( клубка ) - трёхмерное , сферовидное образование

• Наиболее сложная , тонкая и часто встречающаяся пространственная структура белковой молекулы ( характерна для большинства ферментов , составляющих около 90 % всех клеточных белков )

• функционально глобулярная структура сокращает общую длину белковой молекулы в 10 раз и сообщает определённое распределение функциональных групп белка в пространстве

• поддерживается за счёт слабых :

- ионных связей ( электростатических )

- полярных водородных связей

- неполярных гидрофобных связей

 гидрофобные связи слабее водородных

 образуются между неполярными радикалами аминокислот

 количественно наиболее важные для поддержания третичной структуры

 белок при их образовании свёртывается гидрофобными боковыми цепями внутрь глобулы ( защищены от взаимо. ...действия с водой ) , а гидрофильными боковыми цепями - снаружи

• прочных ковалентных :

- дисульфидных связей ( - S - S - ) , возникающих между атомами серы в удалённых радикалах цистеина

- пептидных связей

• фактором образования третичной структуры является аминокислота пролин , местоположение которой детерминирует место изгиба ( складки ) , определяющей пространственную конфигурацию глобулы

• третичная структура нестабильна в силу небольшого количества и слабости поддерживающих связей ( лабильна , мало устойчива к действию денатурирующих факторов )

• мало энергоёмка ( затрачивает меньшее количество энергии , чем на образование первичной структуры )

• основная структурная единица глобулы - домен - небольшая , плотно упакованная (α - и ß - спиральные структуры) часть полипептидной цепи

• между доменами располагаются неспирализованные участки из линейно связанных аминокислот ( функционально они обеспечивают лабильность - способность к изменению конфигурации глобулы , расположения доменов и способствуют ещё большей компактизации белковой цепи )

• третичная структура - комплекс доменов , соединённых короткими свободными участками из аминокислотных остатков

• обеспечивает ферментативную активность белков , которая проявляется на свободных участках глобулы между доменами

• белки третичной структуры образуют класс глобулярных белко ( свыше 1000 известных в настоящее время ферментов антитела - глобулины сыворотки крови , определяющие иммунную активность , некоторые гормоны , например - инсулин , мембранные белки - переносчики, транспортные белки )

• глобулярные белки легко растворимы в воде или растворах солей и образуют коллоидные суспензии

Связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуру

С О H N Водородная связь между аминокислотами

S S Дисульфидная связь между серусодержащими радикалами цистеина

COO ^- H₃N⁺ Ионная связь между заряженными группами полипептидной цепи

R R Гидрофобная связь между неполярными радикалами аминокислот

Четвертичная структура :

• Формируется из нескольких аналогичных или близких по строению молекул белка имеющих третичную структуру ( глобулярную ) , взаимодействующих между собой и образующих комплексную структуру – мультимер или эпимер

• Глобулы в составе четвертичной структуры носят название протомеров ( субъединиц ) - структурных единиц мультимера

• Главные типы связей , соединяющих протомеры в мультимере , - водородные , ионные , электростатические , гидрофобные ( в некоторых случаях протомеры могут соединяться прочными ковалентными дисульфидными связями )

• Четвертичная структура не стабильна из-за небольшого числа и слабости связей , легко денатурирует под действии экстремальных факторов среды

• Протомеры в мультимере могут располагаться в виде спирали , что повышает прочность молекулы ( например структурные белки ) или в виде суперглобулы (например , белок гемоглобин )

• Функционально четвертичная структура обеспечивает регуляцию биологической активности белка путем изменения взаиморасположения протомеров (субъединиц) что вызывает изменение его конформации ( структуры )

• Примером белка четвертичной структуры является молекула пигмента крови гемоглобина ( состоит их 4 протомеров - субъединиц - отдельных полипептидных цепей двух разных типов : из двух α - цепей и двух ß - цепей и имеет форму глобулы

Физико - химические свойства белка

• Определяются свойствами , входящих в белок аминокислот ( их радикалами )

• Большинство белков растворимо в воде ( имеют в составе гидрофильные радикалы ) ; растворимость белка обратно пропорциональна его молекулярной массе

• Растворы , содержащие белки с большой молекулярной массой , образуют коллоидные растворы

• Белки амфотерны ( как и аминокислоты )

• При физических и химических воздействиях денатурируют

Денатурация - процесс потери белком своей природной структуры ( утрата трёхмерной структуры , присущей данной белковой молекуле )

• происходит под действием физических и химических факторов ( денатурирующих )

• высокая температура , соли тяжёлых металлов , сильные кислоты , сильные щёлочи, концентрированные растворы солей , разные виды облучения ( например , ионизирующего , ультрафиолетового , инфракрасного ) , органические растворители - спирт ультразвук , дезинфицирующие средства и т .п. .

• вызывает разрыв стабилизирующих структуры связей - водородных , ионных , дисульфидных и др .

• при денатурации молекула белка разворачивается , теряя последовательно IV , III и II структуры ( аминокислотная последовательность - I структура остаётся постоянной )

• приводит к утрате биологической активности белка

• носит временный или постоянный характер

• при сильном и длительном действии денатурирующих факторов – необратима , т . к. приводит к разрыву пептидных связей и утрате первичной структуры - коагуляция белка

• при мягком воздействии денатурирующих факторов денатурация обратима ( белковая молекула спонтанно , самопроизвольно вновь приобретает последовательно усложняющуюся структуру - ренатурация )

• ренатурация доказывает , что все структуры определяются первичной структурой