Complexitatea proteinelor a facut necesara introducerea mai multor trepte de organizare structurala denumite structura primara, secundara, tertiara si structura cuaternara. Structura primara precizeaza numarul si secventa resturilor aminoacidice din molecula, ea reda totalitatea legaturilor covalente din molecula si mai este denumita si structura covalenta. Structura primara corespunde formulelor structurale uzuale ale unui compus organic. La moleculele simple astfel de formule definesc in acelasi timp si relatiile spatiale dintre atomi. La proteine cu lanturi lungi si un numar foarte mare de atomi sunt posibile numeroase conformatii (aranjamente spatiale rezultate prin rotatia libera a atomilor sau grupurilor de atomi in jurul legaturilor simple) si este necesara ierarhizarea nivelelor de organizare spatiala.
Structurile secundare rezultate din interactiunile grupelor C=O si NH din gruparile peptidice, sunt structuri ordonate, periodice, elementul structural care le genereaza prezinta el insusi regularitate. Structura tertiara a unui lant polipeptidic inglobeaza nivelul de organizare secundar la care se adauga modul de pliere, impachetare a lantului polipeptidic determinat de interactiunile posibile dintre radicalii R de la Cα , interactiunii ce depind atat de natura acestor radicali cat si de relatiile de vecinatate dintre ei. Descrierea organizarii spatiale a unui lant polipeptidic prin structura secundara si tertiala este arbitrara, cele douna nivele structurale se interpatrund, impreuna ele definesc conformatia specifica a lantului.
Proteinele alcatuite din mai multe lanturi polipeptidice (proteine oligomere) cuprin un nivel cuaternal de organizare. Structura cuaternara a unei proteine oligomere descrie modul in care lanturile polipeptidice individuale, se asociaza, se asambleaza pentru a realiza structura proteinei date.
Pauling si Colab, incepand cu anul 1930 au interprins studii sistematice, prin cristalografie cu raze X, de masurare a distantelor interatomice, o ungiurilor de legatura din aminoacizi, din peptide. S-a stabilit ca in gruparea peptidica are loc o conjugare π-p, legatura ―NH―CO― capata un caracter partial de legatura dubla, rotatia libera in jurul acestei legaturi fiind astfel impiedicata. Atomii Cα vor adopta pozitii rigide fata de planul legaturii duble. In peptidele naturale se intalneste numai configuratia trans, mai stabila decat cea cis.





Configuratia trans a unei legaturi peptidice

Lantul peptidic isi pastreaza flexibilitatea prin rotatia libera in jurul legaturilor :
R1 si O R2
│ ║ │
―CH― NH ― ―C― CH ―

O alta insusire o gruparii peptidice este capacitatea grupei NH de o forma o legatura de hidrogen cu un grup de C=O apartinand altei gropari peptidice :

N ― H --- O = C
Conjugarea π-p a gruparii peptidice accentueaza aceasta insusire.
Un lant peptidic, in solutie, ar putea adopta o infinitate de conformatii prin rotatii in jurul legaturilor ―CH(R1)― N si ―CH(R2)―CO . Unele din aceste conformatii vor fi mai stabile daca permit realizarea de punti de hidrogen intre gruparile peptidice. Plecand de la principiul ca aranjamentul cel mai stabil este acela in care se realizeaza cel mai mare nular de punti de hidrogen, Pauling si Corey (1951) au postulat 2 structuri secundare pentru lanuturile peptidice α – elicea si structura β. O structura elicoidala, distincta de cea descrisa de Pauling, este intalnita la colagen, proteina majora a matricei extracelulara, care are o compozitie aminoacida particulara.
STRUCTURA DE ELICE ALFA.Lantul polipeptidic se rasuceste( la nivelul legaturilor simple) pentru ca gruparile O=C si NH sa devina adiacente stereochimic pentru a forma punti de H. Se obtine astfel o structura repetitiva elicoidala in care toate unitatile se afla in raporturi spatiale identice cu unitatile vecine. O grupare NH formeaza punte de hidrogen cu gruparea CO apartinand celui de-al 4 lea rest aminoacidic din secventa liniara. In acest fel, toate gruparile CO si NH sunt unite prin punti de hidrogen.