ביולוגיה מבנית

הביולוגיה המבנית עוסקת בחקר המבנה של מקרומולקולות, מולקולות גדולות כמו חלבונים וחומצות גרעין. חוקרים בתחום מנסים גם להבין את הקיפול, כלומר איך השרשרות של המולקולות מתקפלות לצורה תלת־ממדית בתא.

הנושא חשוב כי תפקוד המולקולות נקבע על פי המבנה התלת־ממדי שלהן. אפילו שינוי קטן במבנה יכול לשבש את עבודת המולקולה. לקביעת רצף DNA או חלבון יש טכניקות מתקדמות, אך גילוי המבנה התלת־ממדי המדויק נשאר קשה ועמוד מחקר פעיל. בניגוד לביוכימיה, שמתמקדת בקצב ובאופן תגובות כימיות, הביולוגיה המבנית מתמקדת בצורת האתרים שבאמצעותם מתבצעות תגובות אלה.

בדרך כלל מבנה המקרומולקולות מחולק לארבע רמות:

מבנה ראשוני: רצף אבני הבניין של החלבון, ה‑DNA או ה‑RNA. זהו הסדר של חומצות האמינו או הנוקליאוטידים.

מבנה שניוני: יחידות מבניות קטנות כמו סלילי אלפא (סליל ארוך מסודר), משטחי בטא (שכבות שטוחות) וחלקים ללא מבנה קבוע.

מבנה שלישוני: הקיפול התלת־ממדי של שרשרת יחידה. כאן מתגבשת הצורה המרחבית של המולקולה.

מבנה רביעוני: הרכבת כמה שרשראות יחד לצורה תלת־ממדית סופית, כשמספר תתי־יחידות מתחברות זו לזו.

חלבונים וחומצות גרעין קטנים מכדי לראותם במיקרוסקופ אור, ולכן משתמשים בגבישים שמכילים אלפי עותקים של המולקולה כדי לבדוק את המבנה שלהן. חסרון בשיטה זו הוא שהקיבוע בגביש יכול לשנות את המבנה מהצורה שבה הוא קיים בתא. בעיה זו בולטת במיוחד בחלבונים ממברנליים, חלבונים שמצויים על קרום התא, שאינם ניתנים לגיבוש בקלות ולכן מבניהם ידועים במידה מוגבלת.

כדי להשלים את העבודה הניסויית, משתמשים בכלים של ביואינפורמטיקה לחיזוי מבנה. שיטות חיזוי מבוססות על השוואה לחלבונים ידועים (מודלינג לפי הומולוגיה) או על ניתוח הרצף בלבד. לכלים אלה יש אלגוריתמים שמחפשים מקטעים ברצף שמקודדים ליחידות מבניות. בחלבונים ממברנליים מביאים בחשבון גם את מידת ההידרופוביות של חומצות האמינו, כלומר כמה הן "לא אוהבות" מים, כדי לנחש באילו מקטעים החלבון חוצה את קרום התא.

הביולוגיה המבנית בוחנת איך חלבונים וחומצות גרעין בנויים. חלבון הוא חומר שעושה עבודה בתא. חומצות גרעין הן ה‑DNA וה‑RNA, שמכילים הוראות לתא.

הקיפול הוא הדרך שבה השרשרת של המולקולה מתקפלת לצורה תלת‑ממדית. הצורה קובעת אם המולקולה פועלת נכון.

מבנה ראשוני: הסדר של האבנים שמרכיבות את המולקולה.

מבנה שניוני: צורות קטנות כמו סליל (סליל ארוך) או משטח שטוח.

מבנה שלישוני: הצורה התלת‑ממדית של שרשרת אחת.

מבנה רביעוני: כמה שרשראות שמתאחדות יחד.

חלבונים קטנים מכדי לראותם במיקרוסקופ רגיל. לכן מדענים עושים גבישים עם הרבה עותקים ובודקים אותם. הבעיה היא שהגביש יכול לשנות את צורת החלבון.

חלבונים על קרום התא קשים במיוחד למחקר. לכן משתמשים גם במחשבים כדי לנחש מבנים. מחשבים משווים למבנים ידועים. הם גם בודקים איזו חלקים "אוהבים" או "לא אוהבים" מים. כך מנחשים היכן החלבון חוצה את הקרום.