生物化学/蛋白质/蛋白质结构与折叠
蛋白质折叠通常是一个快速或非常快的过程，通常但并非总是可逆的，发生的时间不超过几毫秒。它可以被看作是氨基酸侧链、酰胺骨架和溶剂之间可能发生的各种化学相互作用之间的复杂折衷。实际上，有数百万种可能的三维构型，它们之间往往只有很小的能量差异。这就是为什么我们仍然几乎无法从头预测给定多肽链的折叠。蛋白质折叠问题是科学家仍然未能破解控制折叠的密码。此外，诸如蛋白质之类的生物聚合物折叠成明确结构的能力在热力学上是显著的。未折叠的聚合物存在于无规卷曲状态，未折叠的聚合物的每个拷贝将具有不同的构象，产生许多可能构象的混合物。
1954年，克里斯蒂安·安芬森证明了蛋白质在给定环境中的折叠仅取决于其一级结构——氨基酸序列。考虑到折叠过程的复杂性和当时生化知识的匮乏，这一结论绝非显而易见。折叠过程通常在翻译的同时开始，因此蛋白质的N端在蛋白质的C端部分仍由核糖体合成时开始折叠。称为伴侣蛋白的专门蛋白质协助其他蛋白质的折叠。同时，蛋白质折叠是一个热力学驱动的过程：也就是说，蛋白质通过达到热力学上最稳定的结构而折叠。然而，蛋白质在势能景观中所遵循的路径远非显而易见。许多局部和非局部相互作用参与了该过程，并且可能的结构空间是巨大的。截至今天，分子动力学模拟为折叠过程的第一阶段提供了宝贵的提示。现在已知未折叠状态仍然保留关键的长程相互作用，并且序列在给定二级结构元件中折叠的局部倾向缩小了所谓的构象空间中的“搜索”。这似乎意味着生物蛋白质在某种程度上进化到正确折叠。事实上，许多随机氨基酸序列只获得定义不佳的结构（熔融球状体）或根本没有结构。
然而，有一些通用的规则。疏水性氨基酸往往会被保留在结构内部，与周围的水接触很少或根本不接触；相反，极性或带电氨基酸往往暴露于溶剂中。非常长的蛋白质往往会折叠成各种不同的模块，而不是一个大的结构。
拉玛钱德兰图是由来自印度的著名科学家 G.N. 拉玛钱德兰 教授发明的。他于 1954 年发现了胶原蛋白的三螺旋结构，这是双螺旋结构提出一年后。在多肽中，主链 N-Calpha 和 Calpha-C 键相对自由旋转。这些旋转分别用扭转角 phi 和 psi 表示。
G N 拉玛钱德兰 使用小型多肽的计算机模型系统地改变 phi 和 psi，目的是找到稳定的构象。对于每种构象，都检查结构是否存在原子之间的紧密接触。原子被视为硬球，其尺寸对应于它们的范德华半径。因此，导致球体发生碰撞的 phi 和 psi 角对应于多肽骨架的立体不允许的构象
三级结构通过氢键、亲水相互作用、离子相互作用和/或二硫键保持在一起。
蛋白质折叠问题与所谓的莱文萨尔悖论有关。莱文萨尔计算出，如果一个相当小的蛋白质由 100 个氨基酸组成，并且每个氨基酸残基只有 3 种可能的构象（低估了），那么整个蛋白质可以折叠成 3100-1 或 5x1047 种可能的构象。即使尝试每种构象只需要 10-13 秒，尝试所有构象也需要 1027 年。很明显，蛋白质没有花那么长时间折叠，所以随机尝试所有可能的构象并不是蛋白质折叠的方式。由于大多数蛋白质在毫秒级的范围内折叠，因此很明显，该过程以某种方式定向，取决于链的组成部分。困扰科学家三十多年的蛋白质折叠问题是如何理解蛋白质的三级结构与其一级结构之间的关系，因为已经证明蛋白质的一级结构包含蛋白质折叠所需的唯一信息。最终的目标也是能够预测蛋白质将采取哪条途径。
大多数蛋白质无法在暴露于极端环境（例如低 pH 或高 pH 或温度变化很大）时保持其三维形状。
蛋白质环境的 pH 变化可能会改变形成整个蛋白质的氨基酸侧链上的电荷，因此可能会形成排斥或吸引力，从而改变蛋白质整体的二级和三级结构，因此酶的形状发生扭曲，并且现在无功能的蛋白质被称为变性。
高或极低的温度会导致蛋白质上的组成键断裂，再次导致蛋白质失去功能。
需要注意的是，某些蛋白质，主要是消化酶，如胰蛋白酶，能够承受低至 1 的 pH 值。如果这种酶环境的 pH 值升高到大约 pH 5，它将失活。
蛋白质折叠的方式是影响其性质的最重要因素之一，因为它决定了哪些活性基团暴露出来进行相互作用。如果蛋白质错误折叠，其性质可能会发生明显变化。一个例子是传染性海绵状脑病，如疯牛病和羊瘙痒病。在这些疾病中，参与大脑铜代谢的朊病毒蛋白会发生错误折叠，并开始形成斑块，破坏脑组织。
生物化学家将蛋白质结构的四个不同方面称为
一级结构实际上是氨基酸序列的同义词。它还可以包含通过肽键连接的氨基酸的信息。一级结构通常被写成一个由三个字母组成的序列字符串，每个字母代表一个氨基酸。肽和蛋白质必须具有正确的氨基酸序列。
二级结构元件是存在于大多数（如果不是全部）已知蛋白质中的基本结构模式。这些是高度模式化的亚结构——α螺旋和β折叠——由元素之间的环或多肽链片段组成，这些片段不呈现稳定的形状。二级结构元素，当映射到序列并在它们彼此之间所处相对位置进行描述时，定义了蛋白质的拓扑。还应注意，残基之间的氢键是二级结构特征的原因；二级结构通常被描述为对初学者生物化学家来说（几乎）完全独立于残基侧链相互作用。
三级结构是指单个蛋白质分子的整体形状。虽然三级结构有时被描述为（特别是对初学者生物学和生物化学学生来说）是由氨基酸残基侧链之间的相互作用造成的，但对三级结构的更准确理解是蛋白质二级结构元素之间的相互作用，即α螺旋和β折叠。三级结构通常被称为蛋白质的“折叠结构”，因为它是由其他结构和环境元素复杂的三个维度相互作用造成的。
一些文献提到了超三级结构的元素，它通常指折叠的元素，出于某种原因，不能完全归入三级结构类别。通常，这种区分水平会留给研究生课程。蛋白质变性可能是一个可逆或不可逆过程，即蛋白质可能能够或不可能恢复其原始空间构象。
四级结构是指由多个蛋白质分子（通常在这种情况下被称为亚基蛋白质亚基）结合而成的形状或结构，它们作为较大装配体或蛋白质复合体的部分发挥作用。
And it refers to the regular association of two or more polypeptide chains to form a complex. A multi-subunit protein may be composed of two or more identical polypeptides, or it may include different polypeptides.
四级结构主要通过复杂内部多肽中暴露在表面的残基之间形成的弱相互作用来稳定。
α螺旋是由主链原子（来自间隔四个残基的残基）相互之间形成氢键而形成的周期性结构。这导致形成螺旋结构，在天然蛋白质中，它总是右旋的。螺旋的每个圈包含 3.6 个氨基酸。α螺旋是刚性的棒状结构，存在于许多无关的蛋白质中。这些结构的一个特点是它们在疏水残基分布中往往表现出偏向性，因此它们往往主要出现在螺旋的某个面上。
α螺旋中氨基酸以螺旋结构排列，宽度约为 5 Å。每个氨基酸会导致螺旋旋转 100°，并对应于沿螺旋轴平移 1.5 Å。螺旋是紧密堆积的；螺旋内部几乎没有空隙。所有氨基酸侧链都排列在螺旋的外部。氨基酸 (n) 的 N-H 基团可以与氨基酸 (n+4) 的 C=O 基团形成氢键。
短多肽通常无法采用α螺旋结构，因为多肽链折叠相关的熵代价太高。一些氨基酸（称为螺旋破坏者）如脯氨酸会破坏螺旋结构。
通常，螺旋在 N 端积累正电荷，在 C 端积累负电荷，这是一种不稳定的影响。因此，α螺旋通常在 N 端被负电荷氨基酸（如谷氨酸）封端，以稳定螺旋偶极。较不常见（也较不有效）的是用带正电荷的蛋白质（如赖氨酸）进行 C 端封端。
α螺旋在 DNA 结合基序中具有特殊意义，包括螺旋-转角-螺旋基序、亮氨酸拉链基序和锌指基序。这是因为 α 螺旋的直径为 12 Å 与 B 型 DNA 的主沟宽度一致。
α螺旋是蛋白质的基本结构元素之一，与β折叠一起。
α螺旋的肽骨架每圈有 3.6 个氨基酸。
β 折叠片（也称为β 折叠片）是蛋白质中常见的规则二级结构形式，由莱纳斯·鲍林和罗伯特·科里于 1951 年首次提出。它由同一蛋白质中的两个或多个氨基酸序列组成，这些序列排列在一起且平行，但方向交替，使得氢键可以在两个链之间形成。氨基酸链在整个 β 链中几乎完全延伸，从而降低了大体积空间碰撞的可能性。拉曼图显示了最佳构象，其中角 phi = -120 到 -60 度，角 psi = 120 到 160 度。一条链骨架中的 N-H 基团与相邻平行链骨架中的 C=O 基团形成氢键。以这种方式排列的多个此类氢键的累积效应有助于折叠片的稳定性、结构刚度和完整性：例如，纤维素的 β-1,4 葡萄糖结构。β 折叠片结构中发现的氨基酸残基的侧链也可以排列成，折叠片一侧的许多相邻侧链是疏水的，而折叠片另一侧的许多相邻侧链是极性的或带电荷的（亲水的）。参与 β 折叠片的某些序列，当沿着骨架追踪时，在方向（方向）上发生发夹转弯，有时通过一个或多个脯氨酸。相邻链的 α-C 原子相距 3.5Å。除了平行 β 折叠片之外，还有反平行 β 折叠片。氢键仍然存在于这种构象中，但主要区别在于蛋白质的方向性。在这种构象中，蛋白质以相反的方向运行，但由此产生的氢键直接从彼此连接，而不是对角线连接。简而言之，β 折叠片可以是纯粹的平行、反平行，甚至混合的。
完全缺乏二级结构的蛋白质称为无规卷曲。在无规卷曲中，氨基酸之间唯一的固定关系是通过肽键相邻残基之间的关系。因此，可以通过多维核磁共振实验中缺乏依赖于特定肽-肽相互作用的信号来检测无规卷曲。同样，在晶体学实验中产生的图像中，无规卷曲部分仅仅表现为“电子密度”或对比度的缺失。无规卷曲也容易通过圆二色性来区分。变性会使蛋白质完全降解为无规卷曲。
某些其他周期性结构很少出现在蛋白质中，其中一些类似于更常见的类型。例如，α-螺旋也存在两种变体，即 3-10 螺旋和 π 螺旋。它们的螺旋节距分别为每圈 3 个和 4.4 个残基，对应于 3-10 螺旋中残基 i 和 i+3 之间的氢键形成，以及 π 螺旋中残基 i 和 i+5 之间的氢键形成。两者通常都很短（大约 1 圈），并且仅在 α 螺旋的末端被观察到。
仅包含α螺旋的结构
罗斯曼折叠是一种蛋白质结构基序，存在于结合核苷酸的蛋白质中，尤其是辅因子 NAD。该结构由三个或更多个平行 β 链组成，这些 β 链通过两个 α 螺旋连接，拓扑顺序为 β-α-β-α-β。因为每个罗斯曼折叠可以结合一个核苷酸，所以用于二核苷酸（如 NAD）的结合域由两个配对的罗斯曼折叠组成，每个折叠结合辅因子分子中的一个核苷酸部分。单个罗斯曼折叠可以结合单核苷酸，如辅因子 FMN。
该基序以迈克尔·罗斯曼的名字命名，他首次指出这在核苷酸结合蛋白中是一种经常出现的基序。
存在于头发和人手手掌中。