La struttura tridimensionale di una qualsiasi proteina può essere scomposta in 4 diversi livelli: il primo è dato dalla struttura primaria, che riguarda la sequenza lineare dei vari aminoacidi che compongono la proteina. Il livello successivo interessa la struttura secondaria, la quale deriva da interazioni di natura elettrostatica che si instaurano tra i vari aminoacidi e che fanno assumere una certa forma ai vari tratti della catena proteica. Le strutture secondarie più note sono l'α-elica ed il β-foglietto.
L'α-elica si forma in pochi msec, essa compie un giro ogni 3,5 aminoacidi e si forma grazie all'instaurarsi di legami idrogeno tra gli atomi di carbonio e di azoto della sruttura peptidica. Essa fa in modo che i residui che puntano all'esterno di eliche idrofobiche siano diretti verso altre regioni idrofobiche. La forza principale che porta alla formazione della struttura globulare è quella che porta al "sequestro" delle parti idrofobiche all'interno dell'elica.
Nella struttura a β-figlietto i legami idrogeno che si formano tra ossigeni e azoti dello scheletro della catena peptidica possono unire due o più tratti adiacenti. Le catene laterali dei vari residui vengono a posizionarsi sia sopra che sotto al piano, permettendo l'interazione tra diversi foglietti.
Dall'orientamento spaziale della varie strutture secondarie della proteina si ottiene la struttura terziaria e per le proteine formate da più subunità unite tra loro da ponti disolfuro si ha anche una struttura quaternaria.
Nella struttura primaria esistono le informazioni per il raggiungimento delle conformazioni successive. L'equilibrio tra lo stato denaturato e quello nativo ha un ΔG di 5-15 KCal/mol, considerato che quello relativo ad un legame ponte idrogeno è di 2-5KCal/mol, l'energia richiesta per il passaggio da una forma all'altra è modesta. Tra le due forme esiste un intermedio liquido che prende il nome di globulo fuso (molten globule). Da questo intermedio la proteina può raggiungere lo stato nativo (foldato) o uno stadio di precursore β-amiloide.
Il molten globule ha molte delle strutture secondarie dello stato maturo ma è meno compatto e le interazioni all'interno della proteina non sono forti. Durante il processo di folding le proteine vanno da uno stato ad alta energia dello stato unfolded ad uno a bassa energia dello stato folded e il molten globule sta in una buca energetica tra i due stati. Paradossalmente lo stato maturo può non essere estremamente vantaggioso dal punto di vista termodinamico, ma può esserlo dal punto di vista cinetico.
La produzione sempre più massiccia di proteine in vitro richiede un corretto studio del folding, a volte lo stadio di transizione può essere talmente lungo e difficile che solo l'intervento di chaperoni può portare allo stato folded.
La barnasi è formata da 5 strands antiparalleli a β-foglietto e da 2 α-eliche, uniti da loops che rappresentano punti di funzione essenziale. Lo studio di queste anse è molto complicato, perchè la loro struttura può essere data da n strutture diverse. Sono per questo biologicamente fondamentali.
Una parte importante per la creazione di nuove proteine è data proprio dalla capacità di predire la struttura dei loops. Ad esempio gli anticorpi riconoscono gli antigeni attraverso i loops, quindi se si fosse in grado di creare loops si potrebbero creare anticorpi per qualsiasi molecola. Inoltre occorrerebbe evitare la formazione di aggregati disordinati e strutture amiloidi e velocizzare la fase lenta.
Due gruppi R successivi possono essere in trans oppure in cis. La prolina tende spontaneamente ad avere una struttura cis. Per il corretto orientamento dei vari residui di prolina esistono enzimi detti prolil isomerasi che isomerizzano il legame dando la corretta struttura in poco tempo. La ciclofilina (una prolil-isomerasi) è colpita da alcuni farmaci come la ciclosporina A, inoltre si è visto che interagisce anche con la calcineurina.
La presenza di ciclosporina inibisce la produzione di citochine e la proliferazione dei linfociti, inoltre ha un ruolo essenziale nel differenziamento delle linee cellulari. Si sta cercando di sintetizzare inibitori della ciclofilina diversi dalla ciclosporina per ridurre gli effetti collaterali.
Particolari prolil isomerasi sono coinvolte nel meccanismo della p53, una proteina che partecipa alla riparazione del DNA. La p53 ha una durata di vita modesta, che aumenta quando si verifica un danno al DNA. Il contatto con la proteina HDM2 provoca la distruzione di p53. Uno stimolo dovuto ad un qualche stress può attivare una serie di segnali che portano alla fosforilazione specifica di alcuni residui di p53. La prolil isomerasi PIN1 riconosce p53 fosforilata, quindi ne isomerizza le proline modificando la struttura complessiva della proteina in modo che possa svolgere la propria attività . p53 ha funzione di fattore di trascrizione per diversi geni che portano all'arresto della crescita cellulare e a fenomeni apoptotici.
è una proteina che possiede 4 siti di legame per il Ca2+, ed è in grado di interagire con numerose molecole. Da studu condotti in vitro si è visto che questa molecola ha 2 strutture alternative: una che presenta una lunga α-elica, che si presenta quando la proteina è a riposo e una globulare, il cui questa α-elica viene spezzata, propria di qualdo la proteina interagisce con un peptide. Per quanto riguarda la porzione che lega il Ca2+ non si hanno modificazioni in entrambi le conformazioni.
Il cambiamento che si verifica in seguito all'interazione proteina-proteina indica che la struttura iniziale non è molto stabile.
Ci sono proteine che mediano la fusione di diverse membrane in modo patologico. Un esempio è dato dall'emoagglutinina che consente la fusione tra il virione e la membrana degli endosomi con successiva liberazione del vurus al loro interno. Questa proteina cambia conformazione passando da un pH neutro di 7, simile a quello del citosol ad un pH acido di 5, quale potrebbe essere quello dell'endosoma. Questo variazione di 2 unità di pH determina la protonazione di qualche aminoacido acido e come conseguenza viene spezata una α-elica che cambia anche di collocazione. Se la proteina avesse struttura stabile non ci sarebbero queste due conformazioni.
IL lisozima è una molecola complesa formata da 2 α-eliche, 4 β-foglietti e presenta 3 ponti disolfuro. Durante il folding, in pochi millisecondi si ha la formazione di un'α-elica e un β-foglietto disordinato o viceversaa. Allo stato maturo vi si arriva per entrambe le vie. I ponti disolfuro permettono particolari funzioni, bloccandone la formazione con opportuni reagenti è possibile studiare la loro importanza per la proteina. Esiste una classe di enzimi che va sotto il nome di disolfuro isomerasi che hanno il compito di interconvertire l'ordine delle coppie di cisteine di questi legami per garantire una maggior stabilità e funzionalità della proteina. Evolutivamente il motivo per cui si sono conservate strutture proteiche fragili è che le proteine non devono durare per sempre, ma devono essere sostituite da altre nuove.
Il concetto di flessibilità sostiene il fatto che meno KCal ci sono nella struttura finale, più una proteina è instabile.
Esiste una variante del lisozima prodotta dal batteriofago T4 che possiede 2 mutazioni (Ser38Asp e Asn144Asp) che rendono questa proteina più stabile. Inolter tali mutazioni garantiscono l'interazione elettrostatica tra i dipoli dell'α-elica. La catena peptidica del lisozima del fago T4 comprende 2 domini di cui quello N-terminale ha 2 α-eliche e 4 β-foglietti antiparalleli, mentre quello C-terminale ha 7 corte α-eliche poste in posizioni irregolari, infine, questi due domini sono connessi tra loro da una lunga α-elica. Sperimentalmente è stata creata una proteina mutata termostabile cambiando la posizione dei ponti disolfuro, precisamente è stata sostituita la cisteina 54 con una treonina.
I ponti disolfuro tra cisteina e cisteina si formano soltanto se la proteina viene sintetizzata in ambiente ossidante, come accade nel reticolo endoplasmatico rugoso, in ambiente riducente invece le cisteine rimarrebbero separate.
Per calcolare la stabilità termica di queste proteine si può misurare la temperatura di fusione Tm (melting temperature) sia della forma ossidata che di quella ridotta in funzione del numero e della posizione dei ponti disolfuro.