אתם כבר יודעים שחלבון הוא שרשרת ארוכה של חומצות אמינו, ונדמה שהרצף הוא כל הסיפור. בפועל שרשרת פרושה אינה מתפקדת כלל: רק אחרי שהיא מתקפלת לצורה תלת-ממדית מסוימת אחת היא הופכת לאנזים, לנוגדן או לסיב שנושא מתיחה.

את הארגון המרחבי של חלבון מתארים בארבע רמות. שימו לב כבר עכשיו: אלה ארבע רמות תיאור, ולא ארבעה חלקים שקיימים בכל חלבון.

מִבְנֶה רִאשׁוֹנִי(Primary structure) הוא הרצף המדויק של חומצות האמינו בשרשרת, מקצה אחד לקצה האחר. חומצות האמינו קשורות זו לזו בקֶשֶׁר פֶּפְּטִידִי(Peptide bond), קשר קוולנטי חזק שנוצר בתגובת עיבוי, שבה משתחררת מולקולת מים. בבניית החלבונים משתתפים 20 סוגים של חומצות אמינו, והשוני ביניהן הוא בקְבוּצָה הַצְּדָדִית(Side chain / R group) בלבד: יש קבוצות צדדיות קוטביות, לא-קוטביות, חומציות ובסיסיות. שרשרת בטא של המוגלובין בנויה מ-146 חומצות אמינו; אינסולין, חלבון קטן, מ-51 בלבד. הרצף הוא הרמה היחידה שנקבעת ישירות מרצף ה-DNA, וכל שאר הרמות נגזרות ממנו.

מִבְנֶה מִשְׁנִי(Secondary structure) הוא קיפול מקומי וחוזר של קטע מן השרשרת, המיוצב בקשרי מימן בין אטומי השלד של השרשרת עצמה, ולא בין הקבוצות הצדדיות. שתי התבניות הנפוצות הן סְלִיל אַלְפָא(Alpha helix), שבו כ-3.6 חומצות אמינו בכל סיבוב, ודַּף מְקֻפָּל בֵּיתָא(Beta pleated sheet), שבו קטעים נמתחים זה לצד זה. קשר מימן בודד חלש, אך מאות קשרי מימן יחד מקנים יציבות ניכרת. בקרטין השיער שולט סליל אלפא; במשי העכביש שולטים דפים מקופלים, ומכאן חוזק המתיחה שלו.

מִבְנֶה שְׁלִישׁוֹנִי(Tertiary structure) הוא הצורה התלת-ממדית של השרשרת כולה, ובה מתקפלים זה על זה גם קטעים שרחוקים מאוד ברצף. הכוחות המייצבים אותו פועלים בין הקבוצות הצדדיות: בסביבה המימית של התא קבוצות לא-קוטביות נדחקות פנימה ויוצרות ליבה הידרופובית, קבוצות קוטביות וטעונות נשארות כלפי חוץ ויוצרות קשרי מימן וקשרים יוניים, ובין שני שיירי ציסטאין נוצר קֶשֶׁר דִּי-סוּלְפִידִי(Disulfide bond) קוולנטי, החזק שבקשרים אלה. זו הרמה שיוצרת את הכיסים והחריצים שעל פני החלבון: רצף חומצות אמינו ← קיפול מרחבי ← כיס בעל צורה, מטען וקוטביות מוגדרים ← קשירה של מולקולה מסוימת בלבד ← תפקוד.

מִבְנֶה רְבִיעוֹנִי(Quaternary structure) קיים רק בחלבונים שבנויים מיותר משרשרת פוליפפטידית אחת. כל שרשרת כזאת נקראת תַּת-יְחִידָה(Subunit), והן נצמדות זו לזו באותם סוגי קשרים שמייצבים את המבנה השלישוני, אלא שהפעם הקשרים הם בין שרשראות ולא בתוך שרשרת. המוגלובין בנוי מארבע תת-יחידות, שתי שרשראות אלפא בנות 141 חומצות אמינו ושתי שרשראות בטא בנות 146, ובסך הכול 574 חומצות אמינו; קולגן בנוי משלוש שרשראות המשתזרות לסליל משולש. לעומתם מיוגלובין, נושא החמצן בשריר, בנוי משרשרת אחת בת כ-150 חומצות אמינו, והוא מתפקד במלואו בלי מבנה רביעוני כלל.

מה תפקיד המיטוכונדריון בתא?