L'estructura de les proteïnes és la disposició tridimensional dels àtoms en una molècula de cadena d'aminoàcids. Les proteïnes són polímers.específicament polipèptidsformat a partir de seqüències d' aminoàcids, que són els monòmers del polímer. Un sol monòmer d'aminoàcid també es pot anomenar residu, que indica una unitat repetitiva d'un polímer. Les proteïnes es formen mitjançant reaccions de condensació dels aminoàcids, en què els aminoàcids perden una molècula d'aigua per reacció per unir-se entre si amb un enllaç peptídic. Per convenció, una cadena de menys de 30 aminoàcids sovint s'identifica com un pèptid, en lloc d'una proteïna. Per poder dur a terme la seva funció biològica, les proteïnes es pleguen en una o més conformacions espacials específiques impulsades per diverses interaccions no covalents, com ara enllaços d'hidrogen, interaccions iòniques, forces de Van der Waals i empaquetament hidrofòbic. Per entendre les funcions de les proteïnes a nivell molecular, sovint cal determinar la seva estructura tridimensional. Aquest és el tema del camp científic de la biologia estructural, que utilitza tècniques com la cristal·lografia de raigs X, l'espectroscòpia de RMN, la criomicroscòpia electrònica (crio-EM) i la interferometria de polarització dual, per determinar l'estructura de les proteïnes.
Les estructures de les proteïnes varien en mida des de desenes fins a diversos milers d'aminoàcids Segons la mida física, les proteïnes es classifiquen com a nanopartícules, entre 1 i 100 nm. Es poden formar complexos proteics molt grans a partir de subunitats proteiques. Per exemple, milers de molècules d'actina s'acoblen en un microfilament.
Una proteïna sol experimentar canvis estructurals reversibles en dur a terme la seva funció biològica. Les estructures alternatives de la mateixa proteïna s'anomenen conformacions diferents, i les transicions entre elles s'anomenen canvis conformacionals.
Nivells d'estructura de proteïnes miniatura|Quatre nivells d'estructura de proteïnes
Estructura primària L'estructura primària d'una proteïna fa referència a la seqüència d' aminoàcids de la cadena polipeptídica. L'estructura primària es manté unida per enllaços peptídics que es formen durant el procés de biosíntesi de proteïnes. Els dos extrems de la cadena polipeptídica s'anomenen extrem carboxil (C-terminal) i extrem amino (N-terminal) segons la naturalesa del grup lliure a cada extrem. El recompte de residus sempre comença a l'extrem N-terminal (grup NH2), que és l'extrem on el grup amino no participa en un enllaç peptídic. L'estructura primària d'una proteïna està determinada pel gen corresponent a la proteïna. Una seqüència específica de nucleòtids a l'ADN es transcriu a ARNm, que és llegit pel ribosoma en un procés anomenat traducció. La seqüència d'aminoàcids de la insulina va ser descoberta per Frederick Sanger, establint que les proteïnes tenen seqüències d'aminoàcids definidores. La seqüència d'una proteïna és única per a aquesta proteïna i defineix l'estructura i la funció de la proteïna. La seqüència d'una proteïna es pot determinar mitjançant mètodes com la degradació d'Edman o l'espectrometria de masses en tàndem. Sovint, però, es llegeix directament de la seqüència del gen utilitzant el codi genètic. Es recomana estrictament utilitzar les paraules "residus d'aminoàcids" quan es parla de proteïnes perquè quan es forma un enllaç peptídic, es perd una molècula d'aigua i, per tant, les proteïnes estan formades per residus d'aminoàcids. Les modificacions postraduccionals com les fosforilacions i les glicosilacions també es consideren normalment part de l'estructura primària i no es poden llegir del gen. Per exemple, la insulina està composta per 51 aminoàcids en 2 cadenes. Una cadena té 31 aminoàcids i l'altra 20 aminoàcids.
Estructura secundària miniatura|232x232px|Una hèlix α amb enllaços d'hidrogen (punts grocs) L'estructura secundària es refereix a subestructures locals altament regulars a la cadena principal del polipèptid. Linus Pauling va suggerir dos tipus principals d'estructura secundària, l'hèlix α i la cadena β o làmines β, el 1951. Aquestes estructures secundàries es defineixen per patrons d' enllaços d'hidrogen entre els grups peptídics de la cadena principal. Tenen una geometria regular, i estan restringides a valors específics dels angles diedres ψ i φ al diagrama de Ramachandran. Tant l'hèlix α com la làmina β representen una manera de saturar tots els donants i acceptors d'enllaços d'hidrogen a la cadena principal del polipèptid. Algunes parts de la proteïna estan ordenades però no formen cap estructura regular. No s'han de confondre amb l'espiral aleatòria, una cadena polipeptídica desplegada que no té cap estructura tridimensional fixa. Diverses estructures secundàries seqüencials poden formar una "unitat supersecundària".
Estructura terciària L'estructura terciària es refereix a l'estructura tridimensional creada per una sola molècula de proteïna (una sola cadena polipeptídica). Pot incloure un o diversos dominis. Les hèlixs α i les làmines β plegades es pleguen en una estructura globular compacta. El plegament és impulsat per les interaccions hidrofòbiques no específiques, l'enterrament de residus hidrofòbics de l'aigua, però l'estructura només és estable quan les parts d'un domini proteic estan bloquejades al seu lloc per interaccions terciàries específiques, com ara ponts salins, enllaços d'hidrogen i l'empaquetament ajustat de cadenes laterals i enllaços disulfur. Els enllaços disulfur són extremadament rars en les proteïnes citosòliques, ja que el citosol (fluid intracel·lular) és generalment un entorn reductor.
Estructura quaternària L'estructura quaternària és l'estructura tridimensional que consisteix en l'agregació de dues o més cadenes polipeptídiques individuals (subunitats) que operen com una única unitat funcional (multímer). El multímer resultant s'estabilitza mitjançant les mateixes interaccions no covalents i enllaços disulfur que en l'estructura terciària. Hi ha moltes possibles organitzacions d'estructures quaternàries. Els complexos de dos o més polipèptids (és a dir, múltiples subunitats) s'anomenen multímers. Específicament, s'anomenaria dímer si conté dues subunitats, trímer si conté tres subunitats, tetràmer si conté quatre subunitats i pentàmer si conté cinc subunitats, i així successivament. Les subunitats sovint estan relacionades entre si mitjançant operacions de simetria, com ara un eix de doble plec en un dímer. Els multímers formats per subunitats idèntiques es denominen amb el prefix "homo-" i els formats per subunitats diferents es denominen amb el prefix "hetero-", per exemple, un heterotetràmer, com ara les dues cadenes alfa i dues beta de l'hemoglobina.
Homòmers Un conjunt de múltiples còpies d'una cadena polipeptídica particular es pot descriure com a homòmer, multímer o oligòmer. S'han identificat centenars de proteïnes que s'assemblen en homòmers en cèl·lules humanes. La formació d'homòmers pot ser impulsada per la interacció entre les cadenes polipeptídiques naixents a mesura que es tradueixen de l'ARNm pels ribosomes adjacents propers.
Dominis, motius i plecs en l'estructura de proteïnes miniatura|Dominis proteics. Les dues estructures proteiques mostrades comparteixen un domini comú (granate), el domini PH, que està implicat en la unió del fosfatidilinositol (3,4,5)-trisfosfat. Les proteïnes es descriuen sovint com a consistents en diverses unitats estructurals. Aquestes unitats inclouen dominis, motius i plecs. Malgrat que hi ha unes 100.000 proteïnes diferents expressades en sistemes eucariotes, hi ha molts menys dominis, motius estructurals i plecs diferents.
Domini estructural Un domini estructural és un element de l'estructura general de la proteïna que s'autoestabilitza i sovint es plega independentment de la resta de la cadena proteica. Molts dominis no són exclusius dels productes proteics d'un gen o d'una família de gens, sinó que apareixen en una varietat de proteïnes. Els dominis sovint s'anomenen i s'identifiquen perquè tenen un paper destacat en la funció biològica de la proteïna a la qual pertanyen; per exemple, el "domini d'unió al calci de la calmodulina". Com que són independentment estables, els dominis es poden "intercanviar" mitjançant enginyeria genètica entre una proteïna i una altra per crear proteïnes quimèriques. Una combinació conservadora de diversos dominis que es produeixen en diferents proteïnes, com ara el domini de la proteïna tirosina fosfatasa i el parell de dominis C2, es va anomenar "superdomini" que pot evolucionar com una sola unitat.
Motius estructurals i de seqüència Els motius estructurals i de seqüència es refereixen a segments curts d'estructura tridimensional de proteïnes o seqüència d'aminoàcids que es van trobar en un gran nombre de proteïnes diferents.
Estructura supersecundària Les estructures de proteïnes terciàries poden tenir múltiples elements secundaris a la mateixa cadena polipeptídica. L'estructura supersecundària fa referència a una combinació específica d'elements d'estructura secundària, com ara unitats β-α-β o un motiu hèlix-gir-hèlix. Alguns d'ells també es poden anomenar motius estructurals.
Plec de proteïnes Un plegament proteic fa referència a l'arquitectura general de les proteïnes, com ara un feix d'hèlix, un barril β, un plegament de Rossmann o diferents "plegaments" que es proporcionen a la base de dades de la Classificació Estructural de Proteïnes. Un concepte relacionat és la topologia de proteïnes.
Dinàmica de proteïnes i conjunts conformacionals Les proteïnes no són objectes estàtics, sinó que poblen conjunts d' estats conformacionals. Les transicions entre aquests estats solen produir-se a nanoescales i s'han relacionat amb fenòmens funcionalment rellevants com la senyalització al·lostèrica i la catàlisi enzimàtica. La dinàmica de les proteïnes i els canvis conformacionals permeten a les proteïnes funcionar com a màquines biològiques a nanoescala dins de les cèl·lules, sovint en forma de complexos multiproteics. Alguns exemples inclouen proteïnes motores, com la miosina, que és responsable de la contracció muscular, la cinesina, que mou la càrrega dins de les cèl·lules lluny del nucli al llarg dels microtúbuls, i la dineïna, que mou la càrrega dins de les cèl·lules cap al nucli i produeix el batec axonèmic dels cilis i flagels mòbils. "[E]n efecte, el [cili mòbil] és una nanomàquina composta per potser més de 600 proteïnes en complexos moleculars, moltes de les quals també funcionen independentment com a nanomàquines... Els enllaçadors flexibles permeten que els dominis proteics mòbils connectats per ells reclutin els seus socis d'unió i indueixin al·losteria de llarg abast a través de la dinàmica del domini proteic." miniatura|500x500px|Vista esquemàtica dels dos principals enfocaments de modelització de conjunts Sovint es considera que les proteïnes són estructures terciàries relativament estables que experimenten canvis conformacionals després de ser afectades per interaccions amb altres proteïnes o com a part de l'activitat enzimàtica. Tanmateix, les proteïnes poden tenir diversos graus d'estabilitat, i algunes de les variants menys estables són proteïnes intrínsecament desordenades. Aquestes proteïnes existeixen i funcionen en un estat relativament "desordenat" sense una estructura terciaria estable. Com a resultat, són difícils de descriure mitjançant una única estructura terciària fixa. S'han ideat conjunts conformacionals com una manera de proporcionar una representació més precisa i "dinàmica" de l'estat conformacional de les proteïnes intrínsecament desordenades.Protein Ensemble Database