חלבון
מבנה מרחבי של חלבון

תפקוד החלבון תלוי מאוד בחוזקת המבנה שלו. מבנה זה מתקבל על ידי המערך המדויק של חומצות האמינו המרכיבות אותו. כל חלבון מתקפל במרחב לצורה תלת-ממדית, כתוצאה מקשרים כימיים בין חומצות האמינו השונות. כמו כן, קיימים גם מתחמים בקיפול חלבון אשר מהווים חלוקה נוספת של החלבונים. אלה הם יחידות פוליפפטידיות המתקפלות באופן עצמאי, ללא קשר לקונטקסט החלבוני בו הן נמצאות. למרבית המתחמים חשיבות פונקציונלית או מבנית לתפקוד החלבון. כמו כן, למתחמים בקיפול חלבון יש חשיבות רבה בתיווך אינטראקציות בין חלבונים. את מבנה החלבון מחלקים לארבע רמות בסיסיות:
מבנה ראשוני : זהו מבנה קווי פשוט, הבנוי אך ורק מהקשר הפפטידי בין חומצות האמינו, ומקשרים די סולפידים. לכל חלבון יש מבנה ראשוני, המוגדר על ידי סדרת הזוויות הדו-מישוריות לאורך השרשרת. הפרעות מרחביות הדדיות בין חומצות אמינו שכנות מאלצות את מרבית הזוויות בחלבון לתחומים זוויתיים מוגבלים, המיוצגים בדיאגרמת ראמהצ'אנדרן.
כתוצאה מתכונות כימיות של החומצות האמיניות נוצרים אילוצים על הזוויות פסי ופי. האות אומגה המוצגות באיור מייצגת את זווית הקשר הפפטידי.
מבנה שניוני : במבנה מיוחד זה נוצרים קשרי מימן בין חומצות אמינו מסוימות (רק חלק מחומצות האמינו מאפשרות מבנה שניוני) הגורמים לשינוי מרחבי המקפל את החלבון לאחת משתי צורות עיקריות: סליל אלפא או משטח בטא.
סליל אלפא: מבנה זה נוצר כאשר חומצות אמינו יוצרות קשרי מימן עם חומצות אמינו במרחק 3.6 שיירים מהן. קשרים אלו מקפלים את החלבון ב-100 מעלות לכיוון שמאל, רוב החלבונים שנמצאו מקופלים ימינה (כך יש פחות הפרעה סטרית, ראו גם: סטריאוכימיה, כיראליות) וכך נוצר מבנה ספירלי דחוס שבתוכו אין כמעט חלל פנוי. קבוצות ה-R של החומצות פונות כלפי חוץ בסליל אלפא. בממוצע כשליש מכל חומצות האמינו בחלבונים נמצאות בסלילי אלפא.
משטח בטא : מבנה זה נוצר כאשר שתי שרשרות פוליפפטידיות או יותר נצמדות זה לזה באמצעות קשרי מימן, ויוצרות מבנה דמוי משטח. למבנה זה שני אופנים: מקבילי (פרללי) ואנטי-מקבילי (אנטי-פרללי). במבנה מקבילי, כיוון השרשרות הפוליפפטידיות זהה בשרשרות השונות: קצה אמיני בסמוך לאמיני וקצה קרבוקסילי בסמוך לקרבוקסילי. במבנה אנטי-מקבילי, כיוון השרשרות הצמודות הפוך: קצה אמיני בסמוך לקצה קרבוקסילי וקצה קרבוקסילי בסמוך לאמיני. במבנה האנטי-מקבילי קשרי המימן קצרים יותר ולכן זהו מבנה חזק יותר בהשוואה למקבילי. בממוצע, כרבע מכל חומצות האמינו בחלבונים נמצאות במשטח בטא.
סליל אלפא, כל סיבוב מכיל 3.5 חומצות אמינו.
משטחי בטא מקבילים מימין, ואנטי מקבילים משמאל. ניתן לראות שיש למשטחי בטא אנטי מקבילים יותר קשרי מימן מאלו המקבלים. תכונה זו מעניקה להם יציבות יחסית גבוהה יותר.
קיימים מספר מבנים שניוניים אחרים, אך אלו פחות נפוצים. כמו כן, לעיתים מקטעי חלבון אינם מאמצים מבנה שניוני אלא מאמצים מבנה בלתי מאורגן (Disordered Region).
מבנה שלישוני : זהו המבנה התלת-ממדי הכולל שמקנה לחלבון את היכולת לבצע תפקיד ספציפי בתא. הפרעה או פגם ביצירת מבנה זה יפגמו בהכרח בפעולת החלבון. המבנה השלישוני נוצר ממספר סוגים של קשרים כימיים:
קשרי גופרית (S-S): קשרים קוולנטיים הנוצרים רק בנוכחות חומצת האמינו ציסטאין, המכילה אטום גופרית בקצה קבוצת ה-R. קשרי S-S מכונים קשרים דיסולפידיים (מהמילה Sulphide, "גופרי").
קשרי מימן: קשרי מימן בין קבוצות ה-R של חומצות האמינו
קשרים יוניים: אלו הם קשרים בין יונים בעלי מטענים הפוכים זה מזה; מכונים גם גשרי מלח.
אפקט הידרופובי: חומצות אמינו שלהן קבוצת R הידרופובית (נדחית ממים) עשויות להיצמד יחדיו מתוך דחייה מהמים. זה אינו קשר כימי אלא דחייה משותפת מאותו גורם.
מבנה רביעוני : מבנה זה הוא תוצאה של אינטראקציה בין לפחות שתי מולקולות חלבון, במצב זה ההתייחסות אל כל מולקולת חלבון היא כתת-יחידה של החלבון המורכב והיא משמשת כחלק מהקומפלקס החלבוני. זהו מבנה מורכב שקיים רק בחלק מהחלבונים. לחלבון במבנה זה יש משקל מולקולרי מאוד גבוה. הקשרים הכימיים היוצרים את המבנה השלישוני עושים זאת גם במבנה הרביעוני. המוגלובין הוא חלבון מוכר הבנוי במבנה רביעוני ולו 4 תתי-יחידות. חלבונים במבנה הרביעוני מסתדרים במרחב בשתי צורות עיקריות:
כדוריים (גלובולאריים): צורתם מעוגלת והם מסיסים לרוב בתמיסות מימיות. הם בדרך כלל חלבונים תפקודיים: אנזימים, חלבוני הובלה ועוד. חלבונים אלו מורכבים ממספר מבנים שונים, משטחי בטא וסלילי אלפא.
סיביים: משמשים בעיקר כחלבוני מבנה בתאים, ובניגוד לכדוריים אינם מסיסים במים. רובם בעלי מבנה יחיד.