thumb|350px|right|Estructura de las proteínas. Proyecto del Genoma Humano. La estructura de las proteínas reúne las propiedades de disposición en el espacio de las moléculas de proteína que provienen de su secuencia de aminoácidos, las características físicas de su entorno y la presencia de compuestos simples o complejos que las estabilicen y conduzcan a un plegamiento específico.
Cuando una proteína pasa de ser una hélice (o una estructura flexible), a convertirse en una lámina de forma incorrecta, se produce una enfermedad neurodegenerativa.
Aminoácidos thumb|Estructura del aminoácido glutamina. Los aminoácidos —monómeros componentes del polímero proteína— son moléculas quirales constituidas por un átomo de carbono central, el Cα, que portan en este un grupo amino y un grupo carboxilo, lo cual les da su nombre, además de un átomo de hidrógeno y una cadena lateral que les confiere sus características definitorias, y en función de la cual se clasifican.
Los 20 α-L-aminoácidos proteinogénicos son los listados en la siguiente tabla:
{| class="wikitable" |- ! Nombre ! Códigode tresletras ! Códigode unaletra ! Abundanciarelativa(%) E.C. ! MW ! pK ! VdW volumen(Å3) ! Cargado,Polar,Hidrofóbico,N'eutro |- | Alanina | Ala | A | 13.0 | 71
| 67 | H |- | Arginina | Arg | R | 5.3 | 157 | 12.5 | 148 | C+ |- | Asparagina | Asn | N | 9.9 | 114
| 96 | P |- | Aspartato | Asp | D | 9.9 | 114 | 3.9 | 91 | C- |- | Cisteína | Cys | C | 1.8 | 103
| 86 | P |- | Glutamato | Glu | E | 10.8 | 128 | 4.3 | 109 | C- |- | Glutamina | Gln | Q | 10.8 | 128
| 114 | P |- | Glicina | Gly | G | 7.8 | 57
| 48 | N |- | Histidina | His | H | 0.7 | 137 | 6.0 | 118 | P, C+ |- | Isoleucina | Ile | I | 4.4 | 113
| 124 | H |- | Leucina | Leu | L | 7.8 | 113
| 124 | H |- | Lisina | Lys | K | 7.0 | 129 | 10.5 | 135 | C+ |- | Metionina | Met | M | 3.8 | 131
| 124 | H |- | Fenilalanina | Phe | F | 3.3 | 147
| 135 | H |- | Prolina | Pro | P | 4.6 | 97
| 90 | H |- | Serina | Ser | S | 6.0 | 87
| 73 | P |- | Treonina | Thr | T | 4.6 | 101
| 93 | P |- | Triptófano | Trp | W | 1.0 | 186
| 163 | P |- | Tirosina | Tyr | Y | 2.2 | 163 | 10.1 | 141 | P |- | Valina | Val | V | 6.0 | 99
| 105 | H
Termodinámica del plegamiento
En condiciones fisiológicas, el proceso de plegamiento de una proteína globular está claramente favorecido termodinámicamente, esto es, el incremento de energía libre global del proceso debe ser negativo (aunque alguno de sus pasos puede ser positivo). Este cambio se consigue equilibrando una serie de factores termodinámicos como la entropía conformacional, las interacciones carga-carga, los puentes de hidrógeno internos, las interacciones hidrofóbicas y las interacciones de van der Waals. .
Entropía conformacional Se define entropía conformacional del plegado como la disminución de la entropía, de la aleatoriedad en definitiva, durante el paso desde una multitud de conformaciones de ovillo aleatorio hasta una única estructura plegada. La energía libre, representada en la ecuación ΔG = ΔH - T ΔS, demuestra que el ΔS negativo realiza una contribución positiva a ΔG. Es decir, el cambio de entropía conformacional se opone al plegado. Por ello, el ΔG global, que debe ser negativo, se debe a que o bien ΔH es negativo y grande o a algún otro aumento de la entropía con el plegado. En la práctica se dan ambas cosas.
La fuente de ΔH negativo es el cúmulo de interacciones favorables energéticamente que se dan en el interior del glóbulo proteico, interacciones que suelen ser no covalentes.
Interacciones carga-carga
Las interacciones carga-carga se dan entre grupos polares y cargados de las cadenas laterales de los aminoácidos componentes del polipéptido, puesto que los grupos carboxilo y amino del carbono alfa están implicados en el enlace peptídico. De este modo, dichos grupos ionizados se atraen y forman un equivalente a sales entre residuos del polipéptido: de hecho, se denominan a veces puentes salinos. Evidentemente, dichas interacciones desaparecen cuando el pH del medio es tal que se pierde el estado de ionización del grupo; de hecho, esta es una de las causas de la desnaturalización rápida de las proteínas mediante adición de ácidos o bases, y subyuga a las proteínas a un entorno de un pH tamponado y moderado, que es el fisiológico, salvo excepciones, como puede ser el interior lisosomal en el entorno subcelular
Enlaces de hidrógeno internos
thumb|Dos moléculas relacionándose mediante cuatro puentes de hidrógeno, representados mediante líneas de puntos.
Las cadenas laterales de muchos aminoácidos se comportan como donadores o como aceptores de enlaces de hidrógeno (es el caso de los grupos hidroxilo de la serina y los grupos amino de la glutamina, por ejemplo). Además, si los protones amida o los carbonilos del armazón polipeptídico no están implicados en el enlace peptídico, pueden interaccionar también en este tipo de uniones estabilizadoras.
Si bien los enlaces de hidrógeno son débiles en disolución acuosa. su gran número puede estabilizar, y lo hace, la estructura terciaria proteica.
Interacciones de van der Waals
El denso empaquetamiento en el núcleo de las proteínas globulares facilita la interacción débil entre grupos moleculares sin carga. Dichos enlaces son de baja energía, pero su abundante número suple su debilidad. Cada interacción individual sólo contribuye en unos pocos kilojulios a la entalpía de interacción negativa global. Pero la suma de todas las contribuciones de todas las interacciones sí que puede estabilizar a la estructura plegada. De este modo, una contribución energética favorable a partir de la suma de las interacciones intramoleculares compensa de modo más que suficiente la entropía desfavorable del plegado.
Interacciones hidrofóbicas
Por definición, cualquier sustancia hidrofóbica en contacto con el agua provoca que ésta huya y se agrupe en estructuras denominadas clatratos. Esta ordenación corresponde a una disminución de la entropía del sistema. En el caso de las proteínas, los residuos hidrofóbicos de los aminoácidos quedan orientados, en su plegamiento, hacia el interior de la molécula, en contacto con sus semejantes y alejados del agua. En consecuencia, la internalización de los grupos hidrófobos aumenta la aleatoriedad del sistema 'proteína más agua' y, por consiguiente, produce un aumento de entropía al doblarse. Este aumento de entropía produce una contribución negativa a la energía libre del plegado y aumenta la estabilidad de la estructura proteica.
Función de los enlaces disulfuro
thumb|Molécula de cistina, fruto de la condensación de dos cisteínas mediante un enlace disulfuro.
La estabilización de la proteína recién plegada puede suceder mediante la formación de puentes disulfuro entre residuos de cisteína adyacentes o enfrentados. Dicho procesamiento se produce en muchos casos en el lumen del retículo endoplasmático mediante la enzima disulfuro isomerasa, presente en todas las células eucariotas. Dicha enzima, que cataliza la oxidación de los grupos sulfhidrilo o grupos tiol (-SH2) de los residuos de cisteína, es especialmente abundante en órganos como el hígado o páncreas, donde se producen pequeñas cantidades de proteínas que contienen este tipo de enlaces.
Niveles de estructuración
thumb|Representación de la estructura proteica a tres niveles: arriba, el primario, compuesto por los aminoácidos; en el centro, el secundario, definido por las estructuras en alfa hélice, beta lámina y semejantes; y abajo el terciario, que detalla todos los aspectos volumétricos. La estructura de las proteínas puede jerarquizarse en una serie de niveles, interdependientes. Estos niveles corresponden a:Estructura primaria, que corresponde a la secuencia de aminoácidos unidos en fila.Estructura secundaria, que provoca la aparición de motivos estructurales.Estructura terciaria, que define la estructura de las proteínas compuestas por un solo polipéptido.Estructura cuaternaria, si interviene más de un polipéptido.
Estructura primaria
La estructura primaria de las proteínas se refiere a la secuencia de aminoácidos, es decir, la combinación lineal de los aminoácidos mediante un tipo de enlace covalente, el enlace peptídico. Los aminoácidos están unidos por enlaces peptídicos siendo una de sus características más importantes la coplanaridad de los radicales constituyentes del enlace.
La estructura lineal del péptido definirá en gran medida las propiedades de niveles de organización superiores de la proteína. Este orden es consecuencia de la información del material genético: Cuando se produce la traducción del RNA se obtiene el orden de aminoácidos que van a dar lugar a la proteína. Se puede decir, por tanto, que la estructura primaria de las proteínas no es más que el orden de aminoácidos que la conforman.
Estructura secundaria
La estructura secundaria de las proteínas es la disposición espacial local del esqueleto proteico, gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos que forman el enlace peptídico, es decir, un tipo de enlace covalente, sin hacer referencia a la cadena lateral. Existen diferentes tipos de estructura secundaria: - Estructura secundaria ordenada, ( repetitivos donde se encuentran los hélices alfa y cadenas beta, y no repetitivos donde se encuentran los giros beta y comba beta) -Estructura secundaria no ordenada -Estructura secundaria desordenada
Los motivos más comunes son la hélice alfa y la lámina beta (hoja plegada beta). Hélice alfa Los aminoácidos en una hélice alfa están dispuestos en una estructura helicoidal dextrógira, con unos 3.6 aminoácidos por vuelta. Cada aminoácido supone un giro de unos 100° en la hélice, y los carbonos alfa de dos aminoácidos contiguos están separados por 1.5 Å. La hélice está estrechamente empaquetada, de forma que no hay casi espacio libre dentro de la hélice. Todas las cadenas laterales de los aminoácidos están dispuestas hacia el exterior de la hélice.
El grupo amino del aminoácido (n) puede establecer un enlace de hidrógeno con el grupo carboxilo del aminoácido (n+4). De esta forma, cada aminoácido (n) de la hélice forma dos puentes de hidrógeno con su enlace peptídico y el enlace peptídico del aminoácido en (n+4) y en (n-4). En total son 7 enlaces de hidrógeno por vuelta. Esto estabiliza enormemente la hélice. Está dentro de los niveles de organización de la proteína.
Lámina beta La beta lámina se forma por el posicionamiento paralelo de dos cadenas de aminoácidos dentro de la misma proteína, en el que los grupos amino de una de las cadenas forman enlaces de hidrógeno con los grupos carboxilo de la opuesta. Es una estructura muy estable que puede llegar a resultar de una ruptura de los enlaces de hidrógeno durante la formación de la hélice alfa. Las cadenas laterales de esta estructura están posicionados sobre y bajo el plano de las láminas. Dichos sustituyentes no deben ser muy grandes, ni crear un impedimento estérico, ya que se vería afectada la estructura de la lámina.
Estructura terciaria
Es el modo en que la cadena polipeptídica se pliega en el espacio, es decir, cómo se enrolla una determinada proteína, ya sea globular o fibrosa. Es la disposición de los dominios en el espacio.
La estructura terciaria se realiza de manera que los aminoácidos apolares se sitúan hacia el interior y los polares hacia el exterior en medios acuosos. Esto provoca una estabilización por interacciones hidrofóbicas, de fuerzas de van der Waals y de puentes disulfuro (covalentes, entre aminoácidos de cisteína convenientemente orientados) y mediante enlaces iónicos.
Estructura cuaternaria
thumb|La hemoglobina es una proteína tetramérica que suele emplearse como ejemplo de proteína con estructura cuaternaria.