Проблема определения структуры белка подразделяется на две самостоятельные части. Во-первых, необходимо выяснить последовательность чередования аминокислотных звеньев в полипептидной цепи, во-вторых, и это наиболее сложно, установить пространственную форму белковой макромолекулы — вытянута она или скручена, свернута в клубок или имеет какую-нибудь иную форму. 

Первая задача в принципе совершенно аналогична той, которую мы рассматривали для полисахаридов, тогда как вторая специфична именно для белков. Дело в том, что макромолекулы полисахаридов более или менее плоски, так что их истинная форма мало отличается от их же плоских (двумерных) изображений. Совершенно иначе обстоит дело с макромолекулами белков, для которых строго установлено трехмерное (пространственное) строение.

Такая структура хотя и связана определенным образом с последовательностью чередования аминокислотных звеньев в цепи, но не может быть предопределена на основании знания этой последовательности; иначе говоря, она обусловлена составом и строением молекулы в целом. Итак, форма макромолекулы белка определяется рядом факторов, поэтому принято говорить минимум о двух структурах белка: первичной, то есть порядке чередования аминокислотных звеньев в полипептидной цепи, и вторичной — пространственной конфигурации пептидной цепи молекулы нативного белка. Следует сразу же оговориться, что и первичная и вторичная структуры определены к настоящему времени лишь для нескольких белков. И, тем не менее, очень важно, что ученым уже известно, как решать эту задачу, которая немного облегчается тем, что полипептидные цепи никогда не бывают разветвленными подобно полисахаридным: аминокислоты связываются друг с другом лишь в линейной последовательности. Из сказанного совсем не следует делать вывод о том, что большинство белков состоит из одной полипептидной цепи; наоборот, как установлено, молекулы ряда белков построены из нескольких полипептидных цепочек, но эти цепи связаны друг с другом непептидными связями.

Именно наличие этих связей и определяет вторичную структуру таких белков. Как и в случае полисахаридов, при исследовании белков в первую очередь необходимо установить, какие именно аминокислоты входят в состав макромолекулы. Это достигается путем проведения гидролиза изучаемого белка с последующим разделением и идентификацией аминокислот, которые образуются при расщеплении полипептидных цепей. Количественное определение почти двух десятков различных аминокислот, входящих в состав белков, — чрезвычайно трудоемкая задача, на решение которой раньше уходило до нескольких месяцев. В последнее десятилетие благодаря развитию хроматографии этот процесс был полностью автоматизирован. Сейчас автоматический анализатор аминокислот стал стандартным лабораторным прибором. Единственный недостаток автоматического анализатора заключается в том, что он выдает довольно ограниченную информацию. Действительно, сопоставляя данные о количественном аминокислотном составе исследуемого белка с результатами определения молекулярного веса этого вещества, можно установить только, как часто данный аминокислотный остаток повторяется в макромолекуле, но почти ничего нельзя сказать о том, в каком порядке в молекуле белка связаны аминокислотные звенья. Определив качественный и количественный аминокислотный состав данного белка, исследователь далее прибегает к помощи метода, который был описан для полисахаридов, то есть производит частичное расщепление белковой макромолекулы и исследует структуру образующихся при этом фрагментов, а затем пытается «реконструировать» макромолекулу, используя полученные сведения о строении отдельных «осколков». Очень важно при этом установить, какие именно аминокислоты в макромолекуле белка являются N- и С-концевыми. К счастью, биохимикам известен ряд ферментов, а также множество химических реагентов, которые специфически действую. Это позволяет выяснить, с какой аминокислоты «начинается», если так можно сказать, и какой аминокислотой «кончается» макромолекула изучаемого белка.

Итак, концевые аминокислоты известны. После этого экспериментатор прободит целую серию опытов по частичному гидролизу белка в различных условиях, в результате чего полипептидные цепи расщепляются на фрагменты, представляющие собой два-, три-, тетра- и пентапептиды. Эти фрагменты можно сравнительно легко разделить и идентифицировать, и тем самым определить последовательность аминокислот (в образующихся «осколках» макромолекулы). Частичный гидролиз можно проводить в самых различных условиях, например в присутствии кислоты, в короткие интервалы времени или при низких температурах.

Известны также ферменты, расщепляющие макромолекулы белков (протеолитические ферменты), причем многие из них действуют очень специфично, расщепляя пептидные связи лишь одного какого-либо типа (образованные только двумя определенными аминокислотами, расположенными в определенной последовательности) и совершенно не затрагивая все остальные пептидные связи. Например, содержащийся в желудочном соке фермент трипсин расщепляет только такие пептидные связи, у которых С-концевым звеном — СО—NH-связи является лизиновый или аргининовый остаток. Макромолекула белка, таким образом, под действием трипсина расщепляется на пептиды, у которых С-концевые аминокислоты — лизин или аргинин. Другой пищеварительный фермент — химотрипсин также специфически расщепляет пептидные связи фенилаланина и тирозина, а указанные аминокислоты становятся С-концевыми аминокислотами образующихся пептидов. Столь же специфично действуют и многие другие протеолитические ферменты, которые, следовательно, можно использовать для частичного гидролиза белка.