پروتئین ها پلیمرهای بیولوژیکی هستند که از آمینو اسیدها تشکیل شده اند. آمینو اسیدها که با پیوندهای پپتیدی به هم متصل شده اند، زنجیره پپتیدی را شکل می دهند. یک یا چند زنجیره پپتیدی که به شکل سه بعدی پیچیده شده اند، یک پروتئین را تشکیل می دهند. پروتئین ها دارای اشکال پیچیده ای هستند که شامل لایه ها، حلقه ها و انحناهای مختلف است. چین خوردگی در پروتئین ها به طور خودبه خود رخ می دهد و پیوندهای شیمیایی بین قسمت های زنجیره پپتیدی، به نگه داشتن و شکل دادن به پروتئین کمک می کند. پروتئین ها به دو دسته کلی تقسیم می شوند: پروتئین های گلوسولار و پروتئین های فیبروزی. پروتئین های گلوسولار معمولاً فشرده، محلول و گرد هستند، در حالی که پروتئین های فیبروزی معمولاً کشیده و محلول نیستند. این پروتئین ها ممکن است یکی یا چند نوع از چهار نوع ساختار پروتئینی را نشان دهند.

چهار نوع ساختار پروتئین

چهار سطح ساختار پروتئین به وسیله ی درجه پیچیدگی در زنجیره پپتیدی از یکدیگر متمایز می شوند. یک مولکول پروتئین می تواند یکی یا چند نوع از ساختار پروتئینی را شامل شود: ساختار اولیه، ثانویه، سوم و چهارم.

۱. ساختار اولیه

ساختار اولیه به ترتیب منحصر به فردی اشاره دارد که آمینو اسیدها به هم متصل می شوند تا یک پروتئین را تشکیل دهند. پروتئین ها از مجموعه ای از ۲۰ آمینو اسید ساخته شده اند. به طور کلی، آمینو اسیدها دارای خواص ساختاری زیر هستند:

• کربن (کربن آلفا) متصل به چهار گروه زیر:
• یک اتم هیدروژن (H)
• یک گروه کربوکسیل (-COOH)
• یک گروه آمینی (-NH2)
• یک گروه "متغیر" یا گروه "R"

تمام آمینو اسیدها کربن آلفا متصل به یک اتم هیدروژن، یک گروه کربوکسیل و یک گروه آمینی دارند. گروه "R" در میان آمینو اسیدها متفاوت است و تفاوت های بین این مونومرهای پروتئینی را تعیین می کند. توالی آمینو اسیدها در یک پروتئین توسط اطلاعات موجود در کد ژنتیکی سلولی تعیین می شود. ترتیب آمینو اسیدها در زنجیره پپتیدی منحصر به فرد و خاص یک پروتئین خاص است. تغییر یک آمینو اسید به ایجاد جهش ژنی منجر می شود که اغلب نتیجه ای به جز پروتئینی غیرعملکردی خواهد داشت.

۲. ساختار ثانویه

ساختار ثانویه به پیچش یا چین خوردگی زنجیره پپتیدی اشاره دارد که به پروتئین شکل سه بعدی می دهد. دو نوع ساختار ثانویه در پروتئین ها مشاهده می شود. یک نوع، ساختار هلیکس آلفا (α) است که به شکل یک فنر پیچیده به نظر می رسد و توسط پیوند هیدروژنی در زنجیره پپتیدی محکم شده است. نوع دوم ساختار ثانویه در پروتئین ها، صفحه چین دار بتا (β) است که به نظر می رسد چین خورده یا تاخورده باشد و توسط پیوند هیدروژنی بین واحدهای پپتیدی که در کنار یکدیگر قرار دارند، نگه داشته می شود.

۳. ساختار سوم

ساختار سوم به ساختار جامع سه بعدی زنجیره پپتیدی یک پروتئین اشاره دارد. چندین نوع پیوند و نیرو وجود دارد که یک پروتئین را در ساختار سوم خود نگه می دارد.

• تعاملات آب گریز به شدت در چین خوردن و شکل گیری پروتئین مؤثر است. گروه "R" آمینو اسیدها می تواند آب گریز یا آب دوست باشد. آمینو اسیدهایی که گروه "R" آب دوست دارند، سعی می کنند با محیط آبی خود تماس برقرار کنند، در حالی که آمینو اسیدهایی با گروه "R" آب گریز به دنبال اجتناب از آب هستند و خود را به سمت مرکز پروتئین قرار می دهند.
• پیوند هیدروژنی در زنجیره پپتیدی و بین گروه های "R" آمینو اسیدها به تثبیت ساختار پروتئین کمک می کند و پروتئین را در شکلی که توسط تعاملات آب گریز تعیین شده است، نگه می دارد.
• به دلیل چین خوردگی پروتئین، پیوند یونی می تواند میان گروه های "R" با بار مثبت و منفی که به یکدیگر نزدیک می شوند، اتفاق بیفتد.
• چین خوردگی همچنین می تواند منجر به پیوند کووالانتی بین گروه های "R" آمینو اسید سیستئین شود، که به آن پل دی سولفیدی اطلاق می شود. تعاملاتی که به نام نیروهای وان درواس شناخته می شوند نیز به تثبیت ساختار پروتئین کمک می کنند، این نیروها مربوط به جاذبه و دافعه ای است که بین مولکول های قطبی رخ می دهد و به پیوندهایی که بین مولکول ها شکل می گیرد، کمک می کند.

۴. ساختار چهارم

ساختار چهارم به ساختار یک ماکرومولکول پروتئینی اشاره دارد که از تعاملات بین چندین زنجیره پپتیدی شکل می گیرد. هر زنجیره پپتیدی به عنوان یک زیرواحد شناخته می شود. پروتئین هایی با ساختار چهارم ممکن است شامل بیش از یک نوع زیرواحد پروتئینی مشابه باشند و همچنین می توانند از زیرواحدهای متفاوتی تشکیل شده باشند. هموگلوبین نمونه ای از پروتئین با ساختار چهارم است. هموگلوبین که در خون یافت می شود، پروتئینی حاوی آهن است که به مولکول های اکسیژن متصل می شود. این پروتئین شامل چهار زیرواحد است: دو زیرواحد آلفا و دو زیرواحد بتا.

چگونگی تعیین نوع ساختار پروتئین

شکل سه بعدی پروتئین توسط ساختار اولیه آن تعیین می شود. ترتیب آمینو اسیدها ساختار و عملکرد خاص پروتئین را ایجاد می کند. دستورالعمل های منحصر به فرد برای ترتیب آمینو اسیدها توسط ژن ها در یک سلول مشخص می شود. زمانی که یک سلول نیاز به سنتز پروتئین را احساس می کند، DNA باز شده و به یک کپی RNA معادل کد ژنتیکی تبدیل می گردد. این فرایند به نام نسخه برداری از DNA شناخته می شود. سپس کپی RNA به پروتئین تبدیل می شود. اطلاعات ژنتیکی موجود در DNA توالی مشخص آمینو اسیدها و پروتئین خاصی که تولید می شود را تعیین می کند. پروتئین ها نمونه هایی از یک نوع پلیمر بیولوژیکی هستند و به همراه پروتئین ها، کربوهیدرات ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک چهار کلاس اصلی ترکیبات آلی را در سلول های زنده تشکیل می دهند.