Полипептидные цепочки со сформированной вторичной структурой определенным образом располагаются в пространстве, создавая еще один уровень структурной организации белковой молекулы — третичную структуру.

Третичная структура белка образуется в результате специфической укладки упорядоченных и аморфных участков полипептидной цепи в некотором объеме пространства. Она поддерживается за счет сильных и слабых взаимодействий, возникающих между боковыми радикалами остатков аминокислот. К сильным взаимодействиям относится дисульфидная связь, а к слабым — водородная и ионная связи, а также гидрофобные взаимодействия.

Дисульфидная связь образуется при взаимодействии двух близко расположенных радикалов остатков цистеина, содержащих свободные сульфгидрильные группы. Дисульфидные мостики могут соединять между собой не только отдельные участки внутри одной полипептидной цепи, но и (при образовании четвертичной структуры белка) различные полипептидные цепочки.

Водородная связь может возникать между боковыми радикалами остатков аминокислот, содержащих ОН-группы, например, между двумя остатками серина. Кроме радикалов остатков серина, подобным образом водородные связи могут образовывать радикалы остатков треонина и тирозина.

В формировании третичной структуры белковой молекулы также принимают участие множество водородных связей, возникающих между боковыми радикалами, например: тирозина и глутаминовой кислоты, аспарагина и серина, лизина и глутамина и др.

Ионные связи возникают при сближении отрицательно заряженных радикалов остатков кислых аминокислот — аспарагиновой или глутаминовой — с положительно заряженными радикалами остатков основных аминокислот — лизина, аргинина или гистидина. Ионная связь между радикалами остатков аспарагиновой кислоты и лизина.

Гидрофобные взаимодействия возникают в воде, вследствие притяжения друг к другу неполярных радикалов остатков аминокислот. К аминокислотам с неполярными радикалами относятся, например, аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, метионин. Гидрофобное взаимодействие между боковыми радикалами остатков валина и аланина.

Чтобы избежать контакта с водой, неполярные радикалы остатков аминокислот стремятся собраться вместе внутри белковой молекулы. Белок сворачивается в компактное тело — глобулу (лат. «globulus» — шарик). Внутри глобулы образуется гидрофобное ядро, а снаружи нее находятся полярные радикалы остатков аминокислот, которые взаимодействуют с водой. Полярными радикалами обладают, например, кислые и основные аминокислоты, серии, треонин, тирозин, аспарагин, глутамин.

Таким образом, каждая белковая глобула окружена гидратной оболочкой, представленной так называемой «водяной шубой», включающей также структурированные молекулы воды, способные удерживать на поверхности глобулы до половины имеющихся в полипептидной цепочке гидрофобных радикалов. Этим обусловлена растворимость белка.

Благодаря множеству межрадикальных взаимодействий, отдельные участки белковой молекулы оказываются пространственно сближенными и зафиксированными относительно друг друга. В ходе образования третичной структуры белка формируется его активный центр. В результате белок приобретает способность выполнять свою биологическую функцию. Первым белком, третичная структура которого была установлена, является миоглобин.

Третичные глобулы могут взаимодействовать между собой так, что возникает единая молекула. Такие глобулы называют субъединицами, а их объединение — четвертичной структурой белковой молекулы.

Четвертичная структура белка может строиться из различного числа субъединиц, удерживаемых вместе, главным образом, за счет слабых взаимодействий. Она присуща многим белкам.

Субъединицы, характерным образом расположенные в пространстве относительно друг друга, образуют олигомерный (мультимерный) комплекс. Способность белков к образованию таких структур позволяет объединять в единое целое несколько активных центров и взаимосвязанных функций, что очень важно для обеспечения протекания в клетке сложных обменных процессов. Четвертичная структура белка может строиться из различного числа субъединиц, удерживаемых вместе, главным образом, за счет слабых взаимодействий. Она присуща многим белкам.

Субъединицы, характерным образом расположенные в пространстве относительно друг друга, образуют олигомерный (мультимерный) комплекс. Способность белков к образованию таких структур позволяет объединять в единое целое несколько активных центров и взаимосвязанных функций, что очень важно для обеспечения протекания в клетке сложных обменных процессов.

Четвертичные структуры белков могут строиться из 2, 4, 6, 8,10, 12, 24 и более субъединиц и редко — из нечетного их числа. Например, четвертичную структуру гемоглобина образуют четыре попарно одинаковых субъединицы.

Четвертичная структура белковой молекулы является такой же уникальной, как и другие ее структуры. При этом вся трехмерная упаковка полипептидной цепи в пространстве определяется ее первичной структурой. Специфическая пространственная структура (конформация), в которой белковые молекулы обладают биологической активностью, называется нативиой (лат. nativus — врожденный).