蛋白質(zhì)的功能直接取決于其結(jié)構(gòu)、與其他蛋白質(zhì)的相互作用以及在細(xì)胞、組織和器官中的位置。蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了大規(guī)模研究，這些研究能識(shí)別與特定疾病狀態(tài)相關(guān)的蛋白生物標(biāo)志物，為治療提供了潛在靶點(diǎn)。通過了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及對(duì)蛋白質(zhì)位置、表達(dá)水平和相互作用作圖得到了有意義的信息，可用于推斷蛋白質(zhì)功能。
蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)取決于組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列以及蛋白質(zhì)如何折疊成更復(fù)雜的形狀。
一級(jí)結(jié)構(gòu)由組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列決定。
二級(jí)結(jié)構(gòu)由多肽片段的局部間相互作用決定，即通過氫鍵結(jié)合作用形成α-螺旋和β-折疊。
三級(jí)結(jié)構(gòu)定義蛋白質(zhì)的整體三維結(jié)構(gòu)。
四級(jí)結(jié)構(gòu)定義多個(gè)蛋白質(zhì)亞基如何相互作用形成更大的復(fù)合物。
在原子分辨率下確定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)對(duì)于闡明蛋白質(zhì)功能、基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)和分子對(duì)接十分有用。
NMR：核磁共振（NMR）光譜用于獲取有關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的信息。NMR中，原子的空間位置取決于其化學(xué)位移。對(duì)于蛋白質(zhì)NMR，通常用穩(wěn)定的同位素 (15N,13C,2H)標(biāo)記蛋白質(zhì)，增強(qiáng)其靈敏性，便于計(jì)算結(jié)構(gòu)去卷積。通常蛋白質(zhì)表達(dá)過程在生長培養(yǎng)基中進(jìn)行，通過使用同位素標(biāo)記的營養(yǎng)物引入同位素標(biāo)記。
X射線晶體學(xué)：蛋白質(zhì)的X射線晶體學(xué)通過X射線衍射結(jié)晶蛋白質(zhì)可獲得蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。提高溶液中蛋白質(zhì)濃度，促進(jìn)沉淀使晶體生長，并在合適的條件下形成有序的蛋白質(zhì)晶體。將X射線對(duì)準(zhǔn)蛋白質(zhì)晶體，蛋白質(zhì)晶體將X射線散射到電子檢測器或膠片上。旋轉(zhuǎn)晶體捕獲三維衍射，可以通過傅立葉變換計(jì)算出結(jié)晶分子中每個(gè)原子的位置。
蛋白質(zhì)在特定細(xì)胞、組織和器官中的位置和表達(dá)水平的定位有助于蛋白質(zhì)組學(xué)的功能研究。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是決定蛋白質(zhì)功能的關(guān)鍵，不恰當(dāng)?shù)亩ㄎ换虮磉_(dá)會(huì)觸發(fā)各種疾病狀態(tài)。諸如人類蛋白質(zhì)圖譜之類的作圖研究項(xiàng)目為發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)標(biāo)記物提供了蛋白質(zhì)組學(xué)資源，有助于理解疾病病理學(xué)。相互作用組作圖有助于定義細(xì)胞水平上發(fā)生的分子相互作用，有助于理解蛋白質(zhì)功能，為治療疾病提供有價(jià)值的潛在藥物靶點(diǎn)。
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