蛋白質結構是分子生物學的核心主題，從 Pauling & Corey（1951）預測 α-helix 和 β-sheet、Kendrew（1958）解出肌紅蛋白的首個原子解析度結構，到 Jumper et al.（2021）AlphaFold2 實現近實驗精度的結構預測，這一領域跨越了七十年的技術革命。
一級結構的化學本質
肽鍵的 C-N 鍵長（1.33 Å）介於典型單鍵（1.49 Å）和雙鍵（1.27 Å）之間，因氮的孤對電子與羰基形成共振，使肽鍵平面具剛性（ω 角約 180°，trans 構型）。蛋白質骨架的構象自由度由 Ramachandran 角 φ（C-N-Cα-C）和 ψ（N-Cα-C-N）描述。Ramachandran 圖中，甘胺酸因無側鏈而允許範圍最廣，脯胺酸因環狀結構使 φ 被限制在約 -63°。
二級結構的幾何與熱力學
α-helix：pitch 5.4 Å，每圈 3.6 殘基，rise/residue 1.5 Å。側鏈指向外側。強 helix former：Ala、Leu；helix breaker：Pro（引入扭結）、Gly（構象熵太大）。310-helix（i → i+3 氫鍵）和 π-helix（i → i+5）較少見但存在於特定功能位點。
β-sheet：反平行 β-sheet 的氫鍵幾乎垂直，結構更穩定；平行 β-sheet 的氫鍵傾斜，通常需要至少 5 股才穩定。β-bulge 是常見的局部不規則性。
三級結構：折疊的驅動力定量分析
折疊態（N）與展開態（U）之間的自由能差 ΔG(N→U) 典型值僅 20-60 kJ/mol（相當於幾個氫鍵的能量），是多種弱交互作用的微小淨差。疏水效應貢獻最大（每個 -CH₂- 基團埋入蛋白質核心約貢獻 -3.3 kJ/mol），是熵驅動的——水分子從疏水表面釋放，增加了溶劑熵。氫鍵在折疊和展開態中數量相似（展開態與水形成氫鍵），但蛋白質內部氫鍵的幾何更最佳化，淨貢獻為正。二硫鍵透過降低展開態的構象熵來穩定折疊態（ΔS_conf ∝ -3/2 R ln n，n 為環中殘基數）。
四級結構與別構
次單元組裝受疏水界面和互補性驅動，界面面積通常 1000-5000 Ų。Monod-Wyman-Changeux（MWC）協同模型以血紅蛋白為範例：T 態（低親和力）和 R 態（高親和力）之間的平衡受配體結合移動。Hill 係數 nH ≈ 2.8 反映正協同效應。
結構測定技術的演進
X 光晶體學提供原子解析度結構（PDB 中 >85% 條目），但需結晶。冷凍電鏡（cryo-EM）經 resolution revolution 後可達 <2 Å（如 apoferritin），尤其適合大型複合體和膜蛋白。NMR 提供溶液態動態資訊。AlphaFold2 和 RoseTTAFold 等 AI 方法將結構預測推進到實驗精度（GDT > 90），AlphaFold Protein Structure Database 已覆蓋 >2 億個預測結構，但對 IDR（內在無序區域）和蛋白質-蛋白質交互作用的預測仍有限。