蛋白质结构

蛋白质结构是指蛋白质分子的空间结构。作为一类重要的生物大分子，蛋白质主要由碳、氢、氧、氮、硫等化学元素组成。所有蛋白质都是由20种不同的L型α氨基酸连接形成的多聚体，在形成蛋白质后，这些氨基酸又被称为残基。蛋白质和多肽之间的界限并不是很清晰，有人基于发挥功能性作用的结构域所需的残基数认为，若残基数少于40，就称之为多肽或肽。要发挥生物学功能，蛋白质需要正确折叠为一个特定构型，主要是通过大量的非共价相互作用（如氢键，离子键，范德华力和疏水作用）来实现；此外，在一些蛋白质（特别是分泌性蛋白质）折叠中，二硫键也起到关键作用。为了从分子水平上了解蛋白质的作用机制，常常需要测定蛋白质的三维结构。由研究蛋白质结构而发展起来了结构生物学，采用了包括X射线晶体学、核磁共振以及冷冻电镜（cryo-EM）等技术来解析蛋白质结构。
一定数量的残基对于发挥某一生物化学功能是必要的；40-50个残基通常是一个功能性结构域大小的下限。蛋白质大小的范围可以从这样一个下限一直到数千个残基。目前估计的蛋白质的平均长度在不同的物种中有所区别，一般约为200-380个残基，而真核生物的蛋白质平均长度比原核生物长约55%。更大的蛋白质聚合体可以通过许多蛋白质亚基形成；如由数千个肌动蛋白分子聚合形成蛋白纤维。

一级结构

肽或蛋白质的氨基酸序列（或残基序列）被称为蛋白质一级结构。残基的标号总是从蛋白质的氨基端（没有参与形成肽键）开始。蛋白质一级结构可以通过测定其对应的基因（更准确地说是开放阅读框架）的碱基序列来间接确定（参见翻译），但对于转录后修饰和翻译后修饰，如二硫键形成、磷酸化和糖基化等（通常被认为是一级结构的组成信息），则无法通过这种翻译法来测定；此外，也可以通过埃德曼降解法或连续质谱来对蛋白质样品进行直接测序。

三级结构

蛋白质二级结构元素通常被折叠为一个紧密形态，元素之间以各种类型的环(loop)和转角相连。蛋白质三级结构的形成驱动力通常是疏水残基的包埋，但其他相互作用，如氢键、离子键和二硫键等同样也可以稳定三级结构。蛋白质三级结构包括所有的非共价相互作用（不包括二级结构），并定义了蛋白质的整体折叠，对于蛋白质功能来说是至关重要的。

四级结构

蛋白质四级结构是由两个或多个多肽链通过相互作用形成的结构。其中，单独的一条链就被称为亚基。亚基之间不一定要共价连接，但有一些亚基之间是通过二硫键来连接的。不是所有的蛋白质都有四级结构，许多蛋白可以以单体形式来发挥功能。蛋白质四级结构的稳定性与其三级结构处于同一水平。两个或多个亚基形成的复合物统称为多聚体（multimer），如果是两个亚基则称二聚体或二体（dimer），三个亚基称三聚体或三体（trimer），以此类推。如果多聚体为相同的亚基组成，则加上“同源（homo-）”作为前缀，反之则用“异源（hetero-）”，如同源二聚体或异源三聚体。

侧链构象

残基侧链上的原子根据希腊字母表的顺序（α、β、γ、δ、ε等）来命名，如Cα指的是对应残基上最接近羰基的碳原子，而Cβ则是次接近的。Cα通常被认为是主链骨架的组成原子。这些原子之间的键对应的二面角则相应以χ1、χ2、χ3等来命名，如赖氨酸侧链上第一、二个碳原子（即Cα和Cβ）之间共价键的二面角为χ1。侧链可以有多种不同的构象，每一种类型的残基都有几种比较稳定的侧链构象。

结构域、结构模体与折叠类型

蛋白质经常描述为由几个结构单元所构成。这些结构单位包括结构域，模体，和折叠。尽管真核生物体可以表达数万种不同的蛋白质，但对应的结构域、模体与折叠类型的数量却少得多。一种合理的解释是，这是进化的结果；因为基因或基因的一部分可以在基因组内被加倍或移动。也就是说，通过基因重组，一个结构域可以从相应蛋白质A移动到本不具有此结构域的蛋白质B上，而其发生的进化驱动力可能是由于该结构域对应的生物学功能趋向于被蛋白质B所利用。

蛋白质结构域

许多蛋白质都可以被分为多个结构组成单元，蛋白质结构域(Protein domains)就是这样一个组成单元。结构域一般可以自稳定，且常常独立进行蛋白质折叠，而不需要蛋白质其他部分的参与；很多结构域都有自己独特的生物学功能。很多结构域并不是一个基因或基因家族对应蛋白质的独特结构单元，而往往是许多类蛋白质的共同结构单元。因为它们所属的蛋白质的生物学功能中占据显着地位，蛋白质结构域通常被命名和被挑选出来; 例如，“钙调蛋白的钙结合结构域”。或者以几类最初发现此结构域的蛋白名称衍生而来，例如PDZ结构域（最初发现于PSD95、DlgA和ZO-1这三个蛋白质）。由于结构域自身可以稳定存在，因此可以将不同来源的结构域通过基因工程人为地结合在一起，形成融合蛋白质。

结构模体和序列模体

结构模体（structural motif）和序列模体是指在大量不同蛋白质中被发现的蛋白质的三维结构或氨基酸序列的短的片断。结构模体是一种结构组成单元，它是由几个二级结构的特定组合（如螺旋-转角-螺旋）所组成；这些组合又被称为超二级结构。结构模体往往还包含有长度不同的loop区。

蛋白质折叠

折叠类型则指的是整体的结构排列类型，如螺旋束、β桶、和罗斯曼折叠，或是由蛋白质数据库结构分类中提供的不同的折叠。

从一级结构到更高级结构的过程就被称为蛋白质折叠。一个序列特定的多肽链（折叠之前的蛋白质一般都被称为多肽链）一般折叠为一种特定构象（又称为天然构象）；但有时可以折叠为一种以上的构象，且这些不同构象具有不同的生物学活性。在真核细胞内，许多蛋白质的正确折叠需要分子伴侣的帮助。

结构分类

对蛋白质结构进行分类的方法有多种，有多个结构数据库（包括SCOP、CATH、和FSSP）数据库提供不同的结构分类。分别采用不同的方法进行结构分类。存放蛋白质结构的PDB数据库中就引用了SCOP的分类。对于大多数已分类的蛋白质结构来说，SCOP、CATH和FSSP的分类是相同的，但在一些结构中还有所区别。

结构测定

在专门存储蛋白质和核酸分子结构的蛋白质数据库中，接近90%的蛋白质结构是用X射线晶体学的方法测定的。X射线晶体学可以通过测定蛋白质分子在晶体中电子密度的空间分布，在一定分辨率下解析蛋白质中所有原子的三维坐标。大约9%的已知蛋白质结构是通过核磁共振(NMR)技术来测定的。该技术还可用于测定蛋白质的二级结构。蛋白质二级结构的组成可以通过圆二色性测定。振动光谱法也可用于表征肽，多肽和蛋白质的构象 。二维红外光谱已成为研究不能用其他方法研究的柔性肽和蛋白质的结构的有价值的方法。低温电子显微镜(Cryo-electron microscopy)是近年来兴起的一种获得低分辨率（低于5埃）蛋白质结构的方法，该方法最大的优点是适用于大型蛋白质复合物（如病毒外壳蛋白、核糖体和类淀粉蛋白纤维）的结构测定；并且在一些情况下也可获得较高分辨率的结构，如具有高对称性的病毒外壳和膜蛋白二维晶体。
近年来，随着结构基因组学的兴起，大量的蛋白质结构获得了测定，为研究蛋白质的作用机理提供了重要的结构信息。