生物化學/蛋白質/蛋白質結構與摺疊
蛋白質摺疊通常是一個快速或非常快的過程，通常但並非總是可逆的，發生的時間不超過幾毫秒。它可以被看作是氨基酸側鏈、醯胺骨架和溶劑之間可能發生的各種化學相互作用之間的複雜折衷。實際上，有數百萬種可能的三維構型，它們之間往往只有很小的能量差異。這就是為什麼我們仍然幾乎無法從頭預測給定多肽鏈的摺疊。蛋白質摺疊問題是科學家仍然未能破解控制摺疊的密碼。此外，諸如蛋白質之類的生物聚合物摺疊成明確結構的能力在熱力學上是顯著的。未摺疊的聚合物存在於無規捲曲狀態，未摺疊的聚合物的每個複製將具有不同的構象，產生許多可能構象的混合物。
1954年，克里斯蒂安·安芬森證明了蛋白質在給定環境中的摺疊僅取決於其一級結構——氨基酸序列。考慮到摺疊過程的複雜性和當時生化知識的匱乏，這一結論絕非顯而易見。摺疊過程通常在翻譯的同時開始，因此蛋白質的N端在蛋白質的C端部分仍由核糖體合成時開始摺疊。稱為伴侶蛋白的專門蛋白質協助其他蛋白質的摺疊。同時，蛋白質摺疊是一個熱力學驅動的過程：也就是說，蛋白質透過達到熱力學上最穩定的結構而摺疊。然而，蛋白質在勢能景觀中所遵循的路徑遠非顯而易見。許多區域性和非區域性相互作用參與了該過程，並且可能的結構空間是巨大的。截至今天，分子動力學模擬為摺疊過程的第一階段提供了寶貴的提示。現在已知未摺疊狀態仍然保留關鍵的長程相互作用，並且序列在給定二級結構元件中摺疊的區域性傾向縮小了所謂的構象空間中的“搜尋”。這似乎意味著生物蛋白質在某種程度上進化到正確摺疊。事實上，許多隨機氨基酸序列只獲得定義不佳的結構（熔融球狀體）或根本沒有結構。
然而，有一些通用的規則。疏水性氨基酸往往會被保留在結構內部，與周圍的水接觸很少或根本不接觸；相反，極性或帶電氨基酸往往暴露於溶劑中。非常長的蛋白質往往會摺疊成各種不同的模組，而不是一個大的結構。
拉瑪錢德蘭圖是由來自印度的著名科學家 G.N. 拉瑪錢德蘭 教授發明的。他於 1954 年發現了膠原蛋白的三螺旋結構，這是雙螺旋結構提出一年後。在多肽中，主鏈 N-Calpha 和 Calpha-C 鍵相對自由旋轉。這些旋轉分別用扭轉角 phi 和 psi 表示。
G N 拉瑪錢德蘭 使用小型多肽的計算機模型系統地改變 phi 和 psi，目的是找到穩定的構象。對於每種構象，都檢查結構是否存在原子之間的緊密接觸。原子被視為硬球，其尺寸對應於它們的範德華半徑。因此，導致球體發生碰撞的 phi 和 psi 角對應於多肽骨架的立體不允許的構象
三級結構透過氫鍵、親水相互作用、離子相互作用和/或二硫鍵保持在一起。
蛋白質摺疊問題與所謂的萊文薩爾悖論有關。萊文薩爾計算出，如果一個相當小的蛋白質由 100 個氨基酸組成，並且每個氨基酸殘基只有 3 種可能的構象（低估了），那麼整個蛋白質可以摺疊成 3100-1 或 5x1047 種可能的構象。即使嘗試每種構象只需要 10-13 秒，嘗試所有構象也需要 1027 年。很明顯，蛋白質沒有花那麼長時間摺疊，所以隨機嘗試所有可能的構象並不是蛋白質摺疊的方式。由於大多數蛋白質在毫秒級的範圍內摺疊，因此很明顯，該過程以某種方式定向，取決於鏈的組成部分。困擾科學家三十多年的蛋白質摺疊問題是如何理解蛋白質的三級結構與其一級結構之間的關係，因為已經證明蛋白質的一級結構包含蛋白質摺疊所需的唯一資訊。最終的目標也是能夠預測蛋白質將採取哪條途徑。
大多數蛋白質無法在暴露於極端環境（例如低 pH 或高 pH 或溫度變化很大）時保持其三維形狀。
蛋白質環境的 pH 變化可能會改變形成整個蛋白質的氨基酸側鏈上的電荷，因此可能會形成排斥或吸引力，從而改變蛋白質整體的二級和三級結構，因此酶的形狀發生扭曲，並且現在無功能的蛋白質被稱為變性。
高或極低的溫度會導致蛋白質上的組成鍵斷裂，再次導致蛋白質失去功能。
需要注意的是，某些蛋白質，主要是消化酶，如胰蛋白酶，能夠承受低至 1 的 pH 值。如果這種酶環境的 pH 值升高到大約 pH 5，它將失活。
蛋白質摺疊的方式是影響其性質的最重要因素之一，因為它決定了哪些活性基團暴露出來進行相互作用。如果蛋白質錯誤摺疊，其性質可能會發生明顯變化。一個例子是傳染性海綿狀腦病，如瘋牛病和羊瘙癢病。在這些疾病中，參與大腦銅代謝的朊病毒蛋白會發生錯誤摺疊，並開始形成斑塊，破壞腦組織。
生物化學家將蛋白質結構的四個不同方面稱為
一級結構實際上是氨基酸序列的同義詞。它還可以包含透過肽鍵連線的氨基酸的資訊。一級結構通常被寫成一個由三個字母組成的序列字串，每個字母代表一個氨基酸。肽和蛋白質必須具有正確的氨基酸序列。
二級結構元件是存在於大多數（如果不是全部）已知蛋白質中的基本結構模式。這些是高度模式化的亞結構——α螺旋和β摺疊——由元素之間的環或多肽鏈片段組成，這些片段不呈現穩定的形狀。二級結構元素，當對映到序列並在它們彼此之間所處相對位置進行描述時，定義了蛋白質的拓撲。還應注意，殘基之間的氫鍵是二級結構特徵的原因；二級結構通常被描述為對初學者生物化學家來說（幾乎）完全獨立於殘基側鏈相互作用。
三級結構是指單個蛋白質分子的整體形狀。雖然三級結構有時被描述為（特別是對初學者生物學和生物化學學生來說）是由氨基酸殘基側鏈之間的相互作用造成的，但對三級結構的更準確理解是蛋白質二級結構元素之間的相互作用，即α螺旋和β摺疊。三級結構通常被稱為蛋白質的“摺疊結構”，因為它是由其他結構和環境元素複雜的三個維度相互作用造成的。
一些文獻提到了超三級結構的元素，它通常指摺疊的元素，出於某種原因，不能完全歸入三級結構類別。通常，這種區分水平會留給研究生課程。蛋白質變性可能是一個可逆或不可逆過程，即蛋白質可能能夠或不可能恢復其原始空間構象。
四級結構是指由多個蛋白質分子（通常在這種情況下被稱為亞基蛋白質亞基）結合而成的形狀或結構，它們作為較大裝配體或蛋白質複合體的部分發揮作用。
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.
四級結構主要透過複雜內部多肽中暴露在表面的殘基之間形成的弱相互作用來穩定。
α螺旋是由主鏈原子（來自間隔四個殘基的殘基）相互之間形成氫鍵而形成的週期性結構。這導致形成螺旋結構，在天然蛋白質中，它總是右旋的。螺旋的每個圈包含 3.6 個氨基酸。α螺旋是剛性的棒狀結構，存在於許多無關的蛋白質中。這些結構的一個特點是它們在疏水殘基分佈中往往表現出偏向性，因此它們往往主要出現在螺旋的某個面上。
α螺旋中氨基酸以螺旋結構排列，寬度約為 5 Å。每個氨基酸會導致螺旋旋轉 100°，並對應於沿螺旋軸平移 1.5 Å。螺旋是緊密堆積的；螺旋內部幾乎沒有空隙。所有氨基酸側鏈都排列在螺旋的外部。氨基酸 (n) 的 N-H 基團可以與氨基酸 (n+4) 的 C=O 基團形成氫鍵。
短多肽通常無法採用α螺旋結構，因為多肽鏈摺疊相關的熵代價太高。一些氨基酸（稱為螺旋破壞者）如脯氨酸會破壞螺旋結構。
通常，螺旋在 N 端積累正電荷，在 C 端積累負電荷，這是一種不穩定的影響。因此，α螺旋通常在 N 端被負電荷氨基酸（如穀氨酸）封端，以穩定螺旋偶極。較不常見（也較不有效）的是用帶正電荷的蛋白質（如賴氨酸）進行 C 端封端。
α螺旋在 DNA 結合基序中具有特殊意義，包括螺旋-轉角-螺旋基序、亮氨酸拉鍊基序和鋅指基序。這是因為 α 螺旋的直徑為 12 Å 與 B 型 DNA 的主溝寬度一致。
α螺旋是蛋白質的基本結構元素之一，與β摺疊一起。
α螺旋的肽骨架每圈有 3.6 個氨基酸。
β 摺疊片（也稱為β 摺疊片）是蛋白質中常見的規則二級結構形式，由萊納斯·鮑林和羅伯特·科裡於 1951 年首次提出。它由同一蛋白質中的兩個或多個氨基酸序列組成，這些序列排列在一起且平行，但方向交替，使得氫鍵可以在兩個鏈之間形成。氨基酸鏈在整個 β 鏈中幾乎完全延伸，從而降低了大體積空間碰撞的可能性。拉曼圖顯示了最佳構象，其中角 phi = -120 到 -60 度，角 psi = 120 到 160 度。一條鏈骨架中的 N-H 基團與相鄰平行鏈骨架中的 C=O 基團形成氫鍵。以這種方式排列的多個此類氫鍵的累積效應有助於摺疊片的穩定性、結構剛度和完整性：例如，纖維素的 β-1,4 葡萄糖結構。β 摺疊片結構中發現的氨基酸殘基的側鏈也可以排列成，摺疊片一側的許多相鄰側鏈是疏水的，而摺疊片另一側的許多相鄰側鏈是極性的或帶電荷的（親水的）。參與 β 摺疊片的某些序列，當沿著骨架追蹤時，在方向（方向）上發生髮夾轉彎，有時透過一個或多個脯氨酸。相鄰鏈的 α-C 原子相距 3.5Å。除了平行 β 摺疊片之外，還有反平行 β 摺疊片。氫鍵仍然存在於這種構象中，但主要區別在於蛋白質的方向性。在這種構象中，蛋白質以相反的方向執行，但由此產生的氫鍵直接從彼此連線，而不是對角線連線。簡而言之，β 摺疊片可以是純粹的平行、反平行，甚至混合的。
完全缺乏二級結構的蛋白質稱為無規捲曲。在無規捲曲中，氨基酸之間唯一的固定關係是透過肽鍵相鄰殘基之間的關係。因此，可以透過多維核磁共振實驗中缺乏依賴於特定肽-肽相互作用的訊號來檢測無規捲曲。同樣，在晶體學實驗中產生的影像中，無規捲曲部分僅僅表現為“電子密度”或對比度的缺失。無規捲曲也容易透過圓二色性來區分。變性會使蛋白質完全降解為無規捲曲。
某些其他週期性結構很少出現在蛋白質中，其中一些類似於更常見的型別。例如，α-螺旋也存在兩種變體，即 3-10 螺旋和 π 螺旋。它們的螺旋節距分別為每圈 3 個和 4.4 個殘基，對應於 3-10 螺旋中殘基 i 和 i+3 之間的氫鍵形成，以及 π 螺旋中殘基 i 和 i+5 之間的氫鍵形成。兩者通常都很短（大約 1 圈），並且僅在 α 螺旋的末端被觀察到。
僅包含α螺旋的結構
羅斯曼摺疊是一種蛋白質結構基序，存在於結合核苷酸的蛋白質中，尤其是輔因子 NAD。該結構由三個或更多個平行 β 鏈組成，這些 β 鏈透過兩個 α 螺旋連線，拓撲順序為 β-α-β-α-β。因為每個羅斯曼摺疊可以結合一個核苷酸，所以用於二核苷酸（如 NAD）的結合域由兩個配對的羅斯曼摺疊組成，每個摺疊結合輔因子分子中的一個核苷酸部分。單個羅斯曼摺疊可以結合單核苷酸，如輔因子 FMN。
該基序以邁克爾·羅斯曼的名字命名，他首次指出這在核苷酸結合蛋白中是一種經常出現的基序。
存在於頭髮和人手手掌中。