Рівні структури білків

Багато інших  мембранних білків переносять макромолекули  до окремих відділів клітини. Наприклад, при сортуванні білків певні сигнали новосинтезованих білків розпізнаються мембранними транспортерами, що селективно пропускають їх через мембрани. Особливим прикладом систем переносу макромолекул через мембрани є механізм ядерного транспорту еукаріотів, центральною частиною якого є великий білковий комплекс ядерної пори, який пропускає невеликі незаряджені молекули (до 30 кДа), тоді як більші за розміром білки вимагають допоміжних білків (каріоферинів). Наприклад експортини допомагають транспорту великих молекул, таких як зрілі мРНК, зв'язуючись з ними в ядрі, проходять у зв'язаному стані через ядерні пори, й звільнюють їх у цитоплазмі. Інші білки, імпортини, беруть участь у зворотному процесі, допомагаючи транспорту таких білків як фактори транскрипції та компоненти рибосом до ядра клітини.

Ще однією життєво  важливою білковою транспортною системаю є електронтранспортний ланцюг, необхідний у процесах фотосинтезу та клітинного дихання. В результаті роботи цієї системи, електрони переносяться через мембрану проти електричного поля за рахунок енергії світла або катаболічної енергії, що отримується в циклі Кребса та при окисленні білків і ліпідів. Енергія, збережена у формі різниці електрохімічних потенціалів, використовується іншим білковим комплексом, АТФ-синтазою, для перетворення цієї енергії на АТФ, форму, зручну для використання іншими білками клітини.

Моторна функція

Детальніше: Молекулярні мотори

Функцією молекулярних моторів є здійснення механічної роботи в межах клітини за рахунок хімічної або електричної енергії. Так моторні білки, підгрупа молекулярних моторів, переміщують клітинні «вантажі» уздовж філаментів. Моторні білки динеїни і кінезини транспортують молекули та органели вподовж мікротрубочок з використанням гідролізу АТФ як джерела енергії. Динеїни переносять вантаж із цитоплазми у напрямку до центросоми, кінезини в протилежному напрямку^[44][45]. Ця активність важлива як для розділення хромосом в анафазі мітозу при клітинному поділі^[46], так і для доставлення важливих молекул до місць їхнього використання, часто дуже віддаленних, як це відбувається при аксоплазматичному транспорті^[47]. Інші моторні білки важливі для життєвих процесів біосинтезу білків, зокрема розплітанні ДНК (топоізомерази) та русі білкових комплексів уздовж ДНК (полімерази) та РНК (рибосоми).

Моторні білки  часто відповідають і за макроскопічний рух організму. Наприклад, синхронізований рух багатьох молекул білка міозина уздовж мікрофіламентів у складі саркомер приводить до скорочення м'язів^[48]. Для руху окремих клітин використовуються інші молекулярні мотори, наприклад, мотори джгутиків, ворсинок та інших відповідних органел клітини, проте багато механізмів локомоції клітин залишаються невідомими.

Крім пересування  об'єктів, молекулярні мотори беруть участь і в ряді інших важливих для клітини процесів. Наприкдад, вірусний упаковочний мотор достявляє синтезований вірусний геном (РНК або ДНК) до вірусного капсиду^[49], а електромотор F₀ — субодиниця АТФ-синтази — переробляє енергію, отриману за рахунок різниці електрохімічних потенціалів на мембранах мітохондрій (у еукаріотів) або цитомлазматичній мембрані (у прокаріотів), на механічний рух, що використовується іншою субодиницею комплексу (F₁) для синтезу АТФ — головного «палива» клітини.

Запасна (резервна) функція

У деяких системах класифікації виділяється окрема група білків, що виконують, головним чином, резервну і харчову функцію. Проте, майже усі білки використовуються в організмі як джерело амінокислот. Твердження, що резервна є головною функцією якогось білка може виявитися не обґрунтованим просто через недолік знань. Наприклад, вивчення овальбуміна (основного компонента яєчного білка) показало, що він не тільки служить джерелом сировини, але також бере участь в транспорті іонів металів і може відігравати захисну роль, визиваючи алергію у тварин, у тому числі в людини.

Харчові білки молока — казеїни відрізняються від більшості інших (нормальних) білків тим, що вони не утворюють твердої просторової структури й скоріше нагадують денатуровані білки. В кишечнику казеїни розрізаються протеазою і коагулюють на стінках. Вивільнення пептидів і амінокислот з коагульованого білка відбувається повільно, підживлюючи організм у період між годівлями. Крім харчової в казеїнів молока були виявлені й інші важливі функції. Короткі пептиди, що виходять із казеїнів під дією кишкових протеаз можуть модулювати сорбцію амінокислот стінками кишечнику, тиск і згортуваність крові, імунну реакцію, а також мати сильні опіодні властивості. Таким чином білкова дієта служить не тільки джерелом амінокислот, а має набагато глибший вплив на організм.

Виділення та очищення білків 

Установка для ексклюзійної хроматографії. Буфер постачається через колонку (праворуч) за допомогою насосу, що контролюється комп'ютером.

Детальніше: Очищення білків

Для здійснення аналізу білків in vitro, білки потрібно очистити від інших клітинних компонентів. Цей процес зазвичай починається лізису клітини, при якому клітинна мембрана руйнується і внутрішній вміст клітини вивільняється у розчин, який називається незрілим лізатом або клітинним екстрактом. Результуюча суміш може бути частково очищена за допомогою ультрацентрифугування, яке фракціонує різні клітинні компоненти у фракції, що містять розчинні білки, мембранні ліпіди й білки, клітинні органели й нуклеїнові кислоти. За допомогою методів преципітації або висолювання можна сконцентрувати білки з цього екстракту. На наступному кроці для ізоляції білка або білків використовуються різні типи хроматографії, що базуються на таких характеристиках білків, як молекулярна вага, питомий заряд (наприклад, високоефективна рідинна хроматографія) або спорідненість до зв'язування (адсорбційна хроматографія). Рівень очищення може контролюватися, використовуючи різні типи гелевого електрофорезу, якщо відомі молекулярна маса білка та його ізоелектрична точка, спектроскопічні методи, якщо білок має помітні спектроскопічні особливості, або випробування ферментативної активності, якщо білок має ферментативну активність. Додатково, білки можуть бути ізольовані на основі їхнього електричного заряду за допомогою ізоелектричного фокусування^[52].

Для природних  білків зазвичай необхідна серія  з кількох кроків очищення, щоб  отримати білок достатньо чистий для застосування лабораторних методів. Для спрощення цього процесу використовується генна інженерія, за допомогою якої можна додати білкам хімічні особливості, що роблять білки легшими для очищення без зміни їхньої структури та активності. Наприклад, до білків додають специфічні послідовності амінокислот, часто серії залишків гістидину («His-мітка»). Як наслідок, коли екстракт проходить через колонку нікелевої хроматографії, залишки гістидину зв'язуються із колонкою, тоді як непомічені білки проходять її без перешкод.

Дослідження функцій та механізмів роботи білків

Біохімічні методи

Детальніше: Випробування ферментативної активності

Для вивчення біохімічної активності ферментів використовуються численні біохімічні методи, що мають загальну назву випробувань ферментативної активності (англ. enzyme assays). Ці методи в більшості випадків проводяться in vitro і ставлять ціллю вимірювання зміни кількості переробленого субстрату білка або кількості створених продуктів реакції. Безперервні методи зазвичай залучають використання оптичних методів, таких як зміна оптичної щільності розчину або його флюоресценції, якщо відомі оптичні властивості субстратів або продуктів реакції, або вимірювання виделеного тепла при реакції. Якщо ці властивості важкі для вимірювання, часто застосовуються хроматографічні або радіографічні методи. Хроматографічні методи (наприклад, гелевий електрофорез, високоефективна рідинна хроматографія) використовуються для розділення продуктів реакції, після чого вони можуть бути візуалізовані за допомогою інших методів. Радіографічні методи залучають використання радіоактивних маркерів (зазвичай одного з атомів в субстраті, заміненого на його радіоактивний ізотоп), що легко візуалізовати за допомогою фотографічних методів, чутливих до радіонуклідів.

Перевагою методів  in vitro зазвичай є можливість виділити один або кілька компонентів, що досліджуються, то вивчати їхню активність, спрощуючи систему за рахунок усунення інших компоненів, зазвичай присутніх у клітині, що можуть впливати на протікання реакції.

Методи  генної інженерії

За допомогою  одного з методів генної інженерії — направленого мутаганезу (site directed mutagenesis) — дослідники можуть змінити амінокислотну послідовність білка таким чином, що його структура, клітинна локалізація і сприйнятливість до регулювання змінюються. Таким чином можна досліджувати ефект таких змін на функціонування всієї клітини, визначаючи природну роль білка та партнерів, з якими він взаємодіє.

Поширеним застосуванням  методу є повне усунення гену (gene knock-out), що кодує даний білок, і досліджування ефекту відсутності активності цього гену на клітину. Часто, коли білок, що відповідає за певну функцію, невідомий, проводиться так званий генетичний скринінг, коли за допомогою транспозонів, що вставляються до геному у випадкових місцях, можна отримати мутантів із відповідним фенотипом, а потім знайти положення транспозону, яке викликало мутацію. Встановлені таким чином білки часто називаються за назвою мутантного фенотипу, що спостерігається.

Оптичні методи 

Білки в різних частинах клітини і клітинних структур, мічені за допомогою зеленого флюоресцентного білка (білий).

Дослідження білків in vivo часто вимагає визначення локалізації цих білків у межах клітини. Хоча білки синтезуються в цитоплазмі або на мембранах ендоплазматичного ретикулума (в еукаріотів), після цього багато білків направляються до специфіцних органел або клітинних структур, де вони виконують свою функцію, що не завжди можливо передбачити за допомогою аналізу структури білка. Таким чином, корисним методом дослідження ролі білків є аналіз локалізації цих білків у клітині. Для здійснення такого аналізу в живих клітинах використовуюься химерні білки, до яких додається «репортер», наприклад зелений флюоресцентний білок (англ. green fluorescent protein, GFP). Локалізація такого химерного білка може бути точно визначена за допомогою флюоресцентної мікроскопії, як показано на зображенні.