องค์ประกอบพื้นฐานหรือหน่วยย่อย (monomer) ของโปรตีน สารประกอบโปรตีน ธาตุหลักที่เป็นองค์ประกอบ  ธาตุหลัก C H O N นอกจากนี้อาจมี S , P , Fe ก็ได้ ขึ้นกับชนิดโปรตีน องค์ประกอบพื้นฐานหรือหน่วยย่อย (monomer) ของโปรตีน องค์ประกอบของโปรตีน คือ กรดอะมิโน (Amino acid) ซึ่งมีสูตรทั่วไปเป็นดังนี้ NH2 O C OH H R หมู่ Carboxyl ซึ่งพบในกรดไขมันด้วย หมู่อะมิโน หมู่ไฮโดรคาร์บอน

ประเภทของกรดอะมิโน 1. กรดอะมิโนที่จำเป็น (Essential amino acid) คือ กรดอะมิโนที่ร่างกายสร้างไม่ได้ แต่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของร่างกายและการพัฒนาของสมอง ขาดไม่ได้ จึงต้องบริโภคเข้าไป พบใน - เนื้อ นม ไข่ เครื่องในสัตว์ (โปรตีนสมบูรณ์) กรดอะมิโนที่จำเป็นมี 8-9 ชนิด คือ Histidine, Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine, Phenylalanine, Threonine, Tryptophane และ Valine Histidnes เป็นกรดอะมิโนจำเป็นเฉพาะในวัยเด็ก

2. กรดอะมิโนที่ไม่จำเป็น (Nonessential amino acid)  เป็นกรดอะมิโนที่ร่างกายสร้างได้เพียงพอไม่ต้องกินเข้าไป ได้แก่ Alanine, Arginine, Asparagine, Aspartic acid, Cysteine, Glutamic acid, Glutamine, Glycine, proline, Serine, Thyrosine  อาหารที่มีกรดอะมิโนชนิดจำเป็นครบถ้วนและมีคุณค่าโปรตีนสูง จัดเป็นโปรตีนสมบูรณ์ (complete protein) ได้แก่ ถั่วเหลือง เนื้อสัตว์ นมสด ไข่ และ เครื่องในสัตว์

โครงสร้างโมเลกุลของโปรตีน กรดอะมิโนชนิดต่างๆ จะมาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเปปไทด์ (Peptide bone) โดย - ถ้ากรดอะมิโน 2 โมเลกุล มาเชื่อมต่อกันจะได้เป็น Dipeptide - ถ้ากรดอะมิโน 3 โมเลกุล เชื่อมต่อกันเรียก Tripeptide - ถ้ากรดอะมิโนมากมาย เช่น 100 โมเลกุลขึ้นไปมาเชื่อมต่อกันเป็นสายยาวเรียกว่า Polypeptide โดย Polypeptide 1 สายหรือมากกว่า 1 สาย จะกลายเป็นโมเลกุลโปรตีน 1 โมเลกุล

Condensation (water removed) PROTEIN การยึดเหนี่ยวกันระหว่างสายพอลีเพปไทด์ การสลายตัวของพันธะยึดเหนี่ยวกันระหว่างสายพอลีเพปไทด์ H R H R H R H R H N C CO N C CO N C CO N C CO OH H H H H POLYPEPTIDE การสร้างโปรตีน Further condensation Hydrolysis การย่อยโปรตีน H R H R H N C CO N C CO OH H H PEPTIDE LINK DIPEPTIDE Condensation (water removed) Hydrolysis (water added) H R H R H N C CO OH H N C CO OH H H H2O AMINO ACID AMINO ACID แผนภาพแสดงการรวมตัวของกรดอะมิโนไปเป็นโปรตีน และการย่อยโปรตีนมาเป็นกรดอะมิโน

ข้อควรทราบพิเศษ โมเลกุลโปรตีนทุกชนิดจะขึ้นด้วยหมู่อะมิโน (-NH2) เรียก N-terminal และสิ้นสุดด้วยหมู่คาร์บอกซิล (-COOH) เรียก C-terminal เสมอ

การจัดโครงสร้างโมเลกุลของโปรตีน (Organization of protein molecule) โปรตีนเป็นสารอินทรีย์ที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่และมีมากมายหลายชนิด ความซับซ้อนและการจัดโครงสร้างของโมเลกุล จึงมีหลายระดับ ได้แก่ 1. โครงสร้างปฐมภูมิ (Primary structure)  โครงสร้างปฐมภูมิของโปรตีนเกิดจากการจัดเรียงตัวของกรดอะมิโนเป็นสายของพอลิเพปไทด์  บางช่วงมีปฏิกิริยาระหว่างแต่ละส่วนของโมเลกุล เช่น การเกิดพันธะไดซัลไฟด์ (Disulfide bridge) ระหว่าง กรดอะมิโนซิสเตอีน (Cysteine) ซึ่งเป็นพื้นฐานในการกำหนดโครงสร้าง 3 มิติของโมเลกุลโปรตีน  ตัวอย่างเช่น โปรตีนอินซูลิน

2. โครงสร้างทุติยภูมิ (Secondary structure)  โครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีนเกิดจากการจัดเรียงตัวของสาย พอลิเพปไทด์ ซึ่งตามปกติศึกษาได้โดยเทคนิค X-Ray crystallography  การจัดโครงสร้างของโมเลกุลเกิดจากการมีพันธะไฮโดรเจน (H-bond) ระหว่างกรดอะมิโนในสายพอลิเพปไทด์เดียวกัน หรือต่างสายกัน  ทำให้ยืดหยุ่นไฟได้ดีและทำให้รูปร่างโมเลกุลมีลักษณะเป็น เกลียว (Spiral shape) เรียก เกลียวแอลฟา (-Helix) เช่น ที่พบในไอซินและโปรตีนเคอราติน (Keratin) ในเส้นผม

 พันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้น มักเกิดจากแรงดึงดูดของอะตอมไฮโดรเจนจากหมู่อะมิโนของกรดอะมิโนหนึ่ง (N–H) กับอะตอมออกซิเจนของหมู่คาร์บอกซิลของกรดอะมิโนอีกตัวหนึ่ง (C=O)  การเกิดพันธะไฮโดรเจนหลายๆ แห่งในโมเลกุลจะช่วยให้โครงสร้างเป็นลักษณะเกลียวแอลฟาคงตัว โดยเฉพาะในโปรตีนที่เป็นสายใย (Fibrous protein) จะบิดเกลียวคล้ายเกลียวเชือก ยิ่งทำให้โมเลกุลมีความคงตัวมากยิ่งขึ้น  โครงสร้างโมเลกุลทุติยภูมิ อาจเกิดในลักษณะยืดยาวและวางขนานกัน โดยมีพันธะไฮโดรเจนยึดระหว่างสาย  เกิดเป็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีลักษณะเป็นแผ่นจีบเรียก -pleated sheet เช่น พบในโปรตีนไฟโบรอิน (fibroin) ในเส้นไหม  การจัดเรียงโมเลกุลแบบนี้มีการยืดหยุ่นดีแต่ไม่ทนทานต่อแรงดึง

3. โครงสร้างตติยภูมิ (Tertiary structure)  โครงสร้างตติยภูมิของโปรตีนเกิดจากากรขดเป็นเกลียว หลายตำแหน่งของโครงสร้างทุติยภูมิ และบางช่วงพับม้วน มีลักษณะเป็นก้อน เนื่องจากแรงดึงดูดหรือผลักกันระหว่างประจุจากหมู่ R(R-group) ของกรดอะมิโนในสายพอลิเพปไทด์  โปรตีนที่มีโครงสร้างแบบนี้ได้แก่ เอนไซม์ และไมโอโกลบิน (Myoglobin) ซึ่งเป็นตัวนำออกซิเจนในกล้ามเนื้อของสัตว์มีกระดูกสันหลัง  โครงสร้างตติยภูมิที่มีโครงสร้างเป็นเกลียวและม้วนตัวคง สภาพอยู่ได้ เนื่องจากแรงดึงดูดที่เกิดขึ้นในโมเลกุลซึ่งมีพันธะไฮโดรเจน พันธะไดซัลไฟด์ และแรงแวนเดอร์ วาล (Wan der waals)

4. โครงสร้างจตุรภูมิ (Quaternery structure)  โครงสร้างโมเลกุลลักษณะนี้เกิดจากพอลิเพปไทด์ 2 สาย หรือมากกว่า รวมตัวกันเป็นโปรตีนโมเลกุลขนาดใหญ่หรือมี ลักษณะเป็นก้อน  เช่น ฮีโมโกลบิน (Haemoglobin) ประกอบด้วย พอลิเพปไทด์ 4 สาย คือ - chains และ -chains อย่างละ 2 สาย

โครงสร้างโมเลกุลโปรตีน (a) โครงสร้างปฐมภูมิของโปรตีนอินซูลิน (b) (c) (d) โครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีน