โครงสร้างตติยภูมิของโปรตีนคือรูปร่างสามมิติของโปรตีนโครงสร้างตติยภูมิจะมีสายโซ่โพลีเปปไทด์ เดี่ยวเป็น "แกนหลัก" พร้อมด้วย โครงสร้างทุติยภูมิของโปรตีน หนึ่งหรือมากกว่า ซึ่งก็คือโดเมนของโปรตีนหมู่ข้างเคียงของกรดอะมิโน และแกนหลักอาจมีปฏิสัมพันธ์และพันธะกันได้หลายวิธี ปฏิสัมพันธ์และพันธะของหมู่ข้างเคียงภายในโปรตีนเฉพาะจะกำหนดโครงสร้างตติยภูมิของโปรตีนนั้น โครงสร้างตติยภูมิของโปรตีนถูกกำหนดโดย พิกัด อะตอมพิกัดเหล่านี้อาจหมายถึงโดเมนของโปรตีนหรือโครงสร้างตติยภูมิทั้งหมดก็ได้^{[ 1 ] [ 2 ]}โครงสร้างเหล่านี้จำนวนหนึ่งอาจจับกันเป็นโครงสร้างจตุรภูมิ^{[ 3 ]}

วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับโครงสร้างตติยภูมิของโปรตีนได้ก้าวหน้าจากสมมติฐานไปสู่คำจำกัดความโดยละเอียด แม้ว่าEmil Fischerจะแนะนำว่าโปรตีนประกอบด้วยสายโซ่โพลีเปปไทด์และสายโซ่ด้านข้างของกรดอะมิโน แต่เป็นDorothy Maud Wrinchที่ได้รวมเรขาคณิตเข้ากับการทำนายโครงสร้างของโปรตีน Wrinch ได้แสดงให้เห็นสิ่งนี้ด้วยแบบจำลองCyclolซึ่งเป็นการทำนายโครงสร้างของโปรตีนทรงกลมครั้ง แรก ^{[ 4 ]}ภายใต้เงื่อนไขที่เอื้ออำนวย เช่น ความรู้ที่มั่นใจเกี่ยวกับโครงสร้างทุติยภูมิวิธีการในปัจจุบันบางครั้งสามารถทำนายโครงสร้างตติยภูมิของโปรตีนขนาดเล็ก (<120 หน่วยย่อย) ได้ใหม่ภายใน 5 Å (0.5 nm)

โปรตีนที่พับตัวอยู่ในสภาวะปกติหรือโครงสร้างปกติมักจะมีพลังงานอิสระของกิบส์ (ซึ่งเป็นผลรวมของเอนทาลปีและเอนโทรปี ) ต่ำกว่าโครงสร้างที่คลายตัว โปรตีนมักจะโน้มเอียงไปสู่โครงสร้างที่มีพลังงานต่ำ ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดโครงสร้างการพับตัวของโปรตีนใน สภาพแวดล้อม ของเซลล์เนื่องจากโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันหลายโครงสร้างจะมีพลังงานใกล้เคียงกัน โครงสร้างของโปรตีนจึงมีความ เปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา โดยผันผวนระหว่างโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันเหล่านี้

โปรตีนทรงกลมมีแกนกลางเป็น กรดอะมิโน ที่ไม่ชอบน้ำและบริเวณผิวเป็น กรดอะมิโน ที่ชอบน้ำและมีประจุ ซึ่งสัมผัสกับน้ำได้การจัดเรียงตัวแบบนี้อาจช่วยให้เกิดความเสถียรของปฏิกิริยาภายในโครงสร้างระดับตติยภูมิ ตัวอย่างเช่น ใน โปรตีน ที่ถูกหลั่งออกมาซึ่งไม่ได้แช่อยู่ในไซโต พ ลาซึม พันธะไดซัลไฟด์ระหว่างกรดอะมิโนซิส ทีน ช่วยรักษาโครงสร้างระดับตติยภูมิไว้ได้ โปรตีนที่มีหน้าที่หลากหลายและวิวัฒนาการ ที่แตกต่างกันมักมีโครงสร้างระดับตติยภูมิที่เสถียรเหมือนกัน ตัวอย่างเช่น โครงสร้าง TIM barrelซึ่งตั้งชื่อตามเอนไซม์triosephosphateisomerase เป็นโครงสร้างระดับตติยภูมิที่พบได้ทั่วไป เช่นเดียวกับโครงสร้าง coiled coilแบบไดเมอร์ที่มีความเสถียรสูง ดังนั้น โปรตีนจึงอาจถูกจัดประเภทตามโครงสร้าง ที่ พวกมันมีอยู่ ฐานข้อมูลโปรตีนที่ใช้การจัดประเภทดังกล่าว ได้แก่SCOPและCATH

จลนศาสตร์การพับตัวของโปรตีนอาจทำให้โปรตีนติดอยู่ใน โครงสร้างที่ มีพลังงาน สูง กล่าวคือ โครงสร้างระดับกลางที่มีพลังงานสูงจะขัดขวางการเข้าถึงโครงสร้างที่มีพลังงานต่ำที่สุด โครงสร้างที่มีพลังงานสูงนี้อาจมีส่วนช่วยในการทำงานของโปรตีน ตัวอย่างเช่น โปรตีน เฮมากลูตินินของไวรัสไข้หวัดใหญ่ เป็นสายโพลีเปปไทด์เดี่ยว ซึ่งเมื่อถูกกระตุ้นจะ ถูกตัด ด้วยเอนไซม์โปร ตีเอส เพื่อสร้างสายโพลีเปปไทด์สองสาย สายทั้งสองจะอยู่ในโครงสร้างที่มีพลังงานสูง เมื่อค่า pH ในบริเวณนั้น ลดลง โปรตีนจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เหมาะสมทางพลังงาน ซึ่งช่วยให้มันสามารถแทรกซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ของโฮสต์ ได้

โครงสร้างโปรตีนตติยภูมิบางชนิดอาจคงอยู่ในสถานะที่มีอายุยืนยาวซึ่งไม่ใช่สถานะที่เสถียรที่สุดตามที่คาดไว้ ตัวอย่างเช่นเซอพิน หลายชนิด (สารยับยั้งเซรินโปรตีเอส) แสดงให้เห็นถึงภาวะกึ่งเสถียร นี้ พวกมันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเมื่อลูปของโปรตีนถูกตัดโดยโปรตีเอส^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

โดยทั่วไปเชื่อกันว่าสถานะดั้งเดิมของโปรตีนเป็นสถานะ ที่มีเสถียรภาพ ทางอุณหพลศาสตร์ มากที่สุด และโปรตีนจะเข้าสู่สถานะดั้งเดิมได้ก่อนที่จะถูกสังเคราะห์ขึ้น ใหม่ โดยพิจารณาจาก จลนศาสตร์ทางเคมีโปรตีนชาเปอโรนภายในไซโตพลาสซึมของเซลล์จะช่วยให้พอลิเปปไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่เข้าสู่สถานะดั้งเดิมได้ โปรตีนชาเปอโรนบางชนิดมีความจำเพาะสูงในการทำงาน เช่นโปรตีนไดซัลไฟด์ไอโซเมอเรสในขณะที่บางชนิดมีหน้าที่ทั่วไปและอาจช่วยโปรตีนทรงกลมส่วนใหญ่ได้ เช่น ระบบโปรตีน GroEL / GroES ของ โปรคาริโอตและโปรตีนช็อกความร้อนที่คล้ายคลึงกันของยูคาริโอต (ระบบ Hsp60/Hsp10)

การทำนายโครงสร้างระดับตติยภูมิของโปรตีนอาศัยความรู้เกี่ยวกับ โครงสร้างระดับปฐมภูมิของโปรตีนและการเปรียบเทียบโครงสร้างระดับตติยภูมิที่ทำนายได้กับโครงสร้างระดับตติยภูมิที่ทราบแล้วในฐานข้อมูลโปรตีน อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้คำนึงถึงสภาพแวดล้อมภายในไซโตพลาสซึมในขณะที่โปรตีน ถูกสังเคราะห์ขึ้นเพียงบางส่วนเท่านั้น เพราะสภาพแวดล้อมภายในไซโตพลาสซึมที่คล้ายคลึงกันอาจมีอิทธิพลต่อโครงสร้างของโปรตีนที่บันทึกไว้ในฐานข้อมูลโปรตีนด้วยเช่นกัน

โครงสร้างของโปรตีน เช่นเอนไซม์อาจเปลี่ยนแปลงได้เมื่อมีการจับกับลิแกนด์ตามธรรมชาติ เช่นโคแฟคเตอร์ในกรณีนี้ โครงสร้างของโปรตีนที่จับกับลิแกนด์เรียกว่าโครงสร้างโฮโล ในขณะที่โปรตีนที่ไม่ได้จับกับลิแกนด์จะมีโครงสร้างอะโป^{[ 8 ]}

โครงสร้างที่เสถียรเกิดจากการสร้างพันธะอ่อนระหว่างหมู่ข้างเคียงของกรดอะมิโน - กำหนดโดยการพับของสายโพลีเปปไทด์เข้าหากัน (หมู่ที่ไม่เป็นขั้วจะอยู่ภายในโปรตีน ในขณะที่หมู่ที่เป็นขั้วส่วนใหญ่จะอยู่ภายนอก) - การห่อหุ้มโปรตีนทำให้โปรตีนอยู่ใกล้กันมากขึ้นและเชื่อมโยงหมู่แอลฟา-ไปยังหมู่ที่อยู่ห่างไกลกันในลำดับ - การได้มาซึ่งโครงสร้างระดับตติยภูมิทำให้เกิดช่องและบริเวณที่เหมาะสมสำหรับการจดจำและการจับกับโมเลกุลจำเพาะ (ความจำเพาะทางชีวภาพ)

ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างระดับตติยภูมิของโปรตีนทรงกลม ที่ละลายน้ำได้ นั้นก้าวหน้ากว่าโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์เนื่องจากโปรตีนทรงกลมที่ละลายน้ำได้นั้นศึกษาได้ง่ายกว่าด้วยเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน

การเอกซเรย์คริสตัลโลกราฟีเป็นเครื่องมือที่ใช้กันมากที่สุดในการกำหนดโครงสร้างของโปรตีนวิธีนี้ให้ความละเอียดสูงของโครงสร้าง แต่ไม่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับความยืดหยุ่นในการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ของ โปรตีน

เทคนิค NMR ของโปรตีนให้ความละเอียดของโครงสร้างโปรตีนค่อนข้างต่ำ และจำกัดเฉพาะโปรตีนขนาดเล็กเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีนในสารละลายได้

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอเจนิก (cryo-EM) สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างระดับตติยภูมิและจตุรภูมิของโปรตีนได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับโปรตีนขนาดใหญ่และสารประกอบ เชิงซ้อนสมมาตรของหน่วยย่อยโปรตีน

การวัดด้วยอินเตอร์เฟอโรเมตรีแบบโพลาไรซ์คู่ให้ข้อมูลเสริมเกี่ยวกับโปรตีนที่ถูกจับบนพื้นผิว ช่วยในการกำหนดโครงสร้างและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเมื่อเวลาผ่านไป

โครงการFolding@homeที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียเป็น ความพยายามวิจัย ด้านการประมวลผลแบบกระจายซึ่งใช้พลังการประมวลผล ประมาณ 5 petaFLOPS (≈10 x86 petaFLOPS) โดยมีเป้าหมายเพื่อค้นหา อัลกอริทึมที่จะทำนายโครงสร้างตติยภูมิและจตุรภูมิของโปรตีนได้อย่างสม่ำเสมอ โดยพิจารณาจากลำดับกรดอะมิโนของโปรตีนและสภาวะของเซลล์^{[ 9 ] [ 10 ]}

รายชื่อซอฟต์แวร์สำหรับทำนายโครงสร้างระดับตติยภูมิของโปรตีน สามารถดูได้ที่ รายชื่อ ซอฟต์แวร์ ทำนายโครงสร้างโปรตีน

• ธนาคารข้อมูลโปรตีน
• แสดง วิเคราะห์ และซ้อนทับโครงสร้างสามมิติของโปรตีน
• ตัวอักษรแสดงโครงสร้างโปรตีน
• แสดง วิเคราะห์ และซ้อนทับโครงสร้างสามมิติของโปรตีน
• หลักสูตรออนไลน์สอนชีวสารสนเทศเบื้องต้นเกี่ยวกับโปรตีน
• การประเมินเชิงวิพากษ์ของการทำนายโครงสร้าง (CASP)
• การจำแนกโครงสร้างโปรตีน (SCOP)
• การจำแนกโครงสร้างโปรตีน CATH
• ซอฟต์แวร์ DALI/FSSP และฐานข้อมูลโครงสร้างโปรตีนที่ซ้อนทับกัน
• TOPOFIT-DB โครงสร้างแกนกลางที่ไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างโปรตีน
• PDBWiki — หน้าหลักของ PDBWiki – เว็บไซต์สำหรับชุมชนในการให้คำอธิบายประกอบโครงสร้าง PDB