שינוי מרחבי (קונפורמרי) של מבנה החלבון הוא תהליך טבעי בגוף או כתוצאה מגורם סביבתי מחוץ לגוף, שבו משתנה המבנה המרחבי הטבעי של החלבון. השינוי יכול להיגרם עקב שינויים בסביבה של החלבון, כגון עלייה בטמפרטורה, שינוי ברמת ה-pH (חומציות או בסיסיות), יצירת קשר גופרית, שינוי בריכוזי יונים, היקשרות לליגנד, נוכחות של חומרים שונים (למשל תרופות), וכדומה. השינוי המרחבי מכתיב את התפקוד של החלבון, לפיכך, שינוי המבנה המרחבי של החלבון ישנה את תפקודו. למשל, פפסין פעיל אך ורק ברמת pH חומצית כמו שבקיבה, אך אם תשונה הרמה מעבר לטווח התפקוד שלו, הוא כבר לא יהיה פעיל.
יצוין, כי אמנם המבנה הראשוני (היינו, רצף חומצות האמינו) של החלבון מכתיב את המבנה שלו (למעט בנוסף ליצירת קשרי גופרית), אך השינוי הקונפורמרי נובע משינויים בגורמים הנ"ל. שינויים אלו הם קטנים יחסית וזמניים, ובעיקר קורים באתרי קישור של החלבון, שם מתרחש עיקר תפקודו של החלבון.
חלבון יכול להיות בכמה מצבי קונפורמציה בזמנים שונים, ובכל אחד מהם יהיה לו תפקוד שונה.
חלק מהתרופות תפקידן להיקשר לאתרי הקישור של החלבון, אך ללא יכולת התנתקות בשונה מליגנד, ואז משתנה מעט מבנה החלבון, והוא אינו פעיל יותר.
דנטורציה.
דֵּנָטוּרַצְיָה היא תהליך שבו משתנה המבנה המרחבי הטבעי של החלבון למצב מרחבי חסר תפקוד. דנטורציה נגרמת מאותם גורמים הנ"ל אך כאשר הטווח הנורמלי יוצא מאיזון אם בצורה טבעית או בצורה מלאכותית, או בנוכחות קרינה, הגעה לפרוטאוזום כמוות חלבוני מתוכנן, הוספת מרקפטואתנול לתמיסת חלבון, ועוד. דנטורציה גורמת לחלבון לאבד את תפקודו, כלומר, חלבון שאיבד את מבנהו המרחבי הטבעי לא יוכל לבצע את פעילותו עוד. למשל: אנזים (חלבון פעולה שתפקידו לזרז תהליכים ביוכימיים) שנחשף לטמפרטורות שאינן בטווח הטמפרטורות האופטימלי עבורו, יעבור הרס של מבנהו המרחבי (דנטורציה), ועקב כך כבר לא יתאים במבנהו המרחבי לסובסטרט (המצע) שלו ולא יוכל לבצע את תפקידו.
אקסטרמופילים הם חיידקים אשר התפתחו במהלך האבולוציה, ומסוגלים לחיות בתנאים סביבתיים שליצורים אחרים יהיו קיצוניים מדי. זאת אודות לשינוי ביוכימי במבנה החלבונים שמאפשר להם תפקוד ביולוגי תקין בסביבות חיים אלו.
יצירת חלבונים.
החלבונים נבנים בתוך התאים על ידי הריבוזומים. בתהליך היצירה של חלבונים, הקרוי תרגום, מתורגם המידע התורשתי המקודד ב-mRNA, שהוא בעצמו משועתק מה-DNA. הגנים המרכיבים את ה-DNA הם, לפיכך, "תוכניות בנייה" לחלבונים. ה-DNA מקודד ליצירת חלבונים באמצעות הקוד הגנטי, כך שכל שלושה נוקלאוטידים (אבני הבניין של ה-DNA) מקודדים לחומצה אמינית אחת (שלושה נוקלאוטידים המקודדים לחומצת אמינו מכונים יחדיו בשם קודון).
שרשרת קצרה של חומצות אמינו מכונה פפטיד; שרשרת ארוכה מכונה פוליפפטיד. לאחר שמיוצר הפוליפפטיד בריבוזום, הוא מתקפל למבנה תלת-ממדי מורכב ברשתית התוך-פלזמית.
תהליך היצירה של חלבון מתחיל בגרעין התא. בתחילה מופרדים שני גדילי הסליל הכפול של ה-DNA בעזרת אנזים. על אחד הגדילים נבנה mRNA. לאחר שהלה נוצר במלואו הוא נפלט לציטופלזמה ומוצמד לאחד מהריבוזומים בתא בעזרת rRNA. הריבוזום מתחיל לקרוא את הקוד הגנטי שמכיל ה-mRNA. כאשר הריבוזום מזהה את סוג החומצה האמינית הנחוצה לפי הקוד הגנטי, הוא מושך אליו tRNA הנושא חומצה אמינית מתאימה, ומוסיף אותה לשרשרת חומצות האמינות שכבר נוצרה. כאשר ייווצר הקשר הבא בשרשרת החומצות האמיניות ישוחרר ה-tRNA לציטופלזמה כדי להיצמד לחומצה אמינית חדשה המתאימה לו. כך נבנית השרשרת עד שהחלבון מושלם. לאורך יצירת שרשרת חומצות האמינו משוחררים חלקים מושלמים מהשרשרת לציטופלזמה עד שכל החלבון המושלם משוחרר (לעת עתה במבנה ראשוני בלבד). בקצותיו של ה-RNA השליח נמצאים קטעים שאינם מקודדים חומצות אמינו; תפקידם הוא לסמן את תחילתו וסופו של החלבון.
חומצות האמינו מסתדרות בדרכים שונות במבנה שניוני. לאחר מכן מתבצע תהליך של קיפול למבנה שלישוני. מבנה זה בנוי ממתחמים. לבסוף, מבשיל החלבון ומקבל את צורתו הסופית שהיא המבנה הרביעוני. לעיתים הבשלת החלבון כוללת גם קטיעה של מקטעים מסוימים שלו, הוספה של קבוצות כימיות כסוכרים, זרחה, קבוצות גופרית ושומנים. כמו כן, לעיתים החלבון חובר לחלבונים אחרים, רצועות RNA או ליונים ליצירת קומפלקס חלבוני פעיל. בעשורים האחרונים חלה התקדמות כבירה בהבנת המבנה המרחבי של חלבונים על ידי שיטות של גיבוש חלבונים והדמיית תהודה מגנטית במסגרת תחום מחקר הקרוי ביולוגיה מבנית. המדע העוסק בחקר החלבונים, בפעילותם ובקשרי הגומלין ביניהם נקרא ביוכימיה.
תפקידי החלבונים.
להוציא סוגים מסוימים של RNA, רוב המולקולות הביולוגיות הן אינרטיות יחסית. החלבונים הם אלה שאחראים לרוב הפעילות בתא, והתפקידים שלהם נקבעים ב-DNA.
זיהוי חלבונים.
זיהוי חלבונים בתמיסה והפרדתם.
שיטות רבות ושונות משמשות לזיהוי נוכחות של חלבונים בתמיסה. מכיוון שרוב החלבונים מסיסים במים, על מנת לזהות את נוכחותם בתמיסה יש לרוב צורך בריאגנט כימי (למשל ריאגנט ברדפורד) או ביולוגי (למשל נוגדנים) הנקשר אל מולקולות החלבון בתמיסה. שיטה נוספת לזיהוי חלבונים בתמיסה היא ספקטרוסקופיית UV, המסתמכת על העובדה ששיירים בעלי טבעות ארומטיות בולעים קרינה אלקטרומגנטית בתחום האולטרה-סגול. שיטות כאלו מאפשרות את זיהוי החלבון בתמיסה ואף מאפשרות קביעה מדויקת למדי של כמות החלבון בתמיסה; ואולם, תמיסות ממקור ביולוגי מכילות לרוב תערובת של סוגים שונים של חלבונים, ולכן קיימות שיטות רבות אף יותר להפרדת החלבונים השונים הקיימים בתמיסה.
המכנה המשותף לרוב השיטות הללו הוא שהן מתמקדות על מאפיין אחד של החלבון - למשל הנקודה האיזואלקטרית שלו, ומפרידות בין החלבונים על סמך מאפיין זה. על בסיס זה קיימות שיטות רבות ושונות כמו למשל כרומטוגרפיה לסוגיה (לצורך זה משמשים מכשירי ה-FPLC וה-HPLC), הפרדה באמצעות ג'ל (שיטות כגון SDS-PAGE, ג'ל פילטרציה וג'ל דו ממדי), שיקוע באמצעות מלחים קלי-תמס (כמו למשל אמוניום סולפט) ועוד רבות ושונות.
קיימות כיום שיטות מתקדמות יותר המאפשרות גילוי ובידוד של חלבון ספציפי, בהתבסס על שיטות אימונולוגיות. שיטות אלו, אשר המשותף להם הוא השימוש בנוגדנים בעל ספציפיות לחלבון המבוקש, מאפשרות זיהוי פשוט ומהיר של החלבון המבוקש ברמת דיוק גבוהה; ואולם, חסרונן של שיטות אלו הוא עלותן הגבוהה (עקב העלות הדרושה להפקת נוגדנים) וכן העובדה שקשה להשתמש בהן על מנת להפריד את החלבון מהתמיסה. בנוסף, התקדמויות בתחום ההנדסה הגנטית מאפשרות ליצור חלבון בעל אזורים מסוימים שיכולים לסייע בהפרדתו מהתמיסה (למשל הוספת 'תגיות' היסטידין אשר מאפשרות הפרדה באמצעות קולונת ניקל).
ריצוף וקביעת מבנה.
על מנת לאפיין לחלוטין חלבון, יש צורך לדעת מהו רצף חומצות האמינו שמרכיבות אותו, וכן מהו המבנה התלת-ממדי (מבנה שלישוני או רביעוני) שלו.
את רצף החלבון מגלים לרוב בשיטות גנטיות, מכיוון שהחלבון מיוצר בתאים על ידי תרגום ולכן פשוט יותר לקבוע את רצף הרנ"א השליח המקודד לו. השיטה הרווחת ביותר לקביעת רצף החלבון מבוססת על חיתוך החלבון למקטעים קצרים (פפטידים), הפרדתם באמצעות תמיסה ולבסוף מדידת משקלם הגולמי באמצעות ספקטרומטר מסה. ניתן לחזות את רצף חומצות האמינו של כל פפטיד ומסתו מראש על פי רצף הDNA או הRNA שעל פיו יוצר החלבון.
את המבנה מגלים לרוב בשיטות של קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן או תהודה מגנטית גרעינית; שיטות אלו מאפשרות ליצור תמונה תלת ממדית של מבנה החלבון, באמצעות מיקום האטומים הבודדים המרכיבים אותו (תמונות אלו זמינות לקהל הרחב בפורמט PDB, ראשי תיבות של Protein Data Base, או מאגר המידע החלבוני).
רפואה.
רוב רובן של כ-4,000 המחלות התורשתיות הגנטיות הידועות לרפואה קשורות לתפקוד לקוי או להיעדר תפקוד של חלבון מסוים בגוף. חשיבותם העצומה של החלבונים לחיים מודגשת באופן מצער באמצעות הנזק הרב העלול להיגרם לגוף עקב חוסר תפקודו של חלבון בודד; הדבר מראה כי אף על פי שבגוף פועלים עשרות אלפי חלבונים שונים, לכל אחד מהם תפקיד ספציפי ביותר והחלבונים האחרים אינם מסוגלים בדרך-כלל לחפות על חוסר תפקודו של חלבון מסוים.
במחלות גנטיות קיים פגם - מוטציה - ברצף הנוקלאוטידים שב-DNA. הפגם עשוי לגרום ל:
עובדה זו מראה שבנוסף לחשיבותו של כל חלבון לתפקוד הגוף, קיימת גם חשיבות עליונה לכל חומצת אמינו בודדת בשרשרת המרכיבה את החלבון. החלפה או היעדר של חומצה בודדת, אפילו בחלבונים המורכבים ממיליון חומצות אמינו בסך-הכל, יכולה לשבש לחלוטין את תפקוד החלבון. כפי שהוסבר לעיל, הקיפול השלישוני של החלבונים, אשר מכתיב ברובו את תפקוד החלבון, תלוי בקשרים כימיים בין החומצות השונות; כשאחת החומצות המשתתפות בקשרים אלו לא קיימת, המבנה התלת-ממדי של החלבון נפגם, ועמו התפקוד.
בין המחלות התורשתיות הנגרמות עקב חלבונים פגומים ניתן למנות את אנמיה חרמשית, סיסטיק פיברוזיס, עיוורון צבעים, לבקנות, פנילקטונוריה ועוד.
בעשורים האחרונים התגלו חלבונים פגומים המסוגלים לגרום לחלבונים אחרים להפוך לפגומים. חלבונים אלו, הקרויים פריונים, גורמים לכמה מחלות מוח קשות, שסופן תמיד מוות.
החלבון בתזונה.