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La proteina può essere paragonata ad una struttura tridimensionale articolata su 4 livelli, in relazione fra di loro.
- La struttura primaria è formata dalla sequenza specifica degli amminoacidi, dalla catena peptidica e dal numero stesso delle catene.
- La struttura secondaria consiste nella configurazione spaziale delle catene;
ad esempio la conformazione a spirale (o ad alfa elica), mantenuta e consentita dai legami a idrogeno, quella planare (o a foglietto beta), quella a tre filamenti intrecciati (propria del collageno) o quelle globulari appartenenti al gruppo KEMF (cheratina, epidermina, miosina, fibrinogeno).
- La struttura terziaria è rappresentata dalla configurazione tridimensionale che la catena polipeptidica assume nell'ambiente in cui si trova, che viene anche consentita e mantenuta anche dalle forze di Van der Waals. Gran parte delle strutture terziarie può essere classificato come globulare o fibrosa. In generale la struttura terziaria deriva dalle interazioni che i gruppi R, idrofobi e idrofili, del polipeptide, hanno con l'ambiente in cui si trovano. Dal punto di vista della termodinamica è la forma con la più bassa energia libera.
- La struttura quaternaria è quella che deriva dall'associazione di due o più unità polipeptidiche, unite tra loro da legami deboli (e a volte ponti disolfuro) in un modo molto specifico, come ad esempio avviene nella costituzione dell'enzima fosforilasi, costituito da quattro sub-unità, o dall'emoglobina, la molecola responsabile del trasporto dell'ossigeno nell'organismo.
Le proteine che contengono anche una parte non polipeptidica, gruppo prostetico, sono dette proteine coniugate.
La conformazione spaziale di una proteina è fondamentale affinché questa esplichi la sua attività biologica.
Denaturare una proteina significa distruggerne la conformazione spaziale, rompendo i legami a idrogeno per mezzo di acidi, basi, calore, radiazioni o agitazione (un esempio comune di denaturazione è la cottura di un uovo nel quale l'albumina, che costituisce la maggior parte dell'albume, viene denaturata). Una proteina denaturata, pur mantenendo intatta la sua struttura primaria, non è più in grado di esplicare la sua funzione, a meno che non si riesca a ristabilirne la struttura terziaria.
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