蛋白質的功能直接取決于其結構、與其他蛋白質的相互作用以及在細胞、組織和器官中的位置。蛋白質組學對蛋白質的結構和功能進行了大規模研究，這些研究能識別與特定疾病狀態相關的蛋白生物標志物，為治療提供了潛在靶點。通過了解蛋白質結構以及對蛋白質位置、表達水平和相互作用作圖得到了有意義的信息，可用于推斷蛋白質功能。
蛋白質結構取決于組成蛋白質的氨基酸序列以及蛋白質如何折疊成更復雜的形狀。
一級結構由組成蛋白質的氨基酸序列決定。
二級結構由多肽片段的局部間相互作用決定，即通過氫鍵結合作用形成α-螺旋和β-折疊。
三級結構定義蛋白質的整體三維結構。
四級結構定義多個蛋白質亞基如何相互作用形成更大的復合物。
在原子分辨率下確定蛋白質三維結構對于闡明蛋白質功能、基于結構的藥物設計和分子對接十分有用。
NMR：核磁共振（NMR）光譜用于獲取有關蛋白質結構和動力學的信息。NMR中，原子的空間位置取決于其化學位移。對于蛋白質NMR，通常用穩定的同位素 (15N,13C,2H)標記蛋白質，增強其靈敏性，便于計算結構去卷積。通常蛋白質表達過程在生長培養基中進行，通過使用同位素標記的營養物引入同位素標記。
X射線晶體學：蛋白質的X射線晶體學通過X射線衍射結晶蛋白質可獲得蛋白質的三維結構。提高溶液中蛋白質濃度，促進沉淀使晶體生長，并在合適的條件下形成有序的蛋白質晶體。將X射線對準蛋白質晶體，蛋白質晶體將X射線散射到電子檢測器或膠片上。旋轉晶體捕獲三維衍射，可以通過傅立葉變換計算出結晶分子中每個原子的位置。
蛋白質在特定細胞、組織和器官中的位置和表達水平的定位有助于蛋白質組學的功能研究。蛋白質的空間結構是決定蛋白質功能的關鍵，不恰當的定位或表達會觸發各種疾病狀態。諸如人類蛋白質圖譜之類的作圖研究項目為發現蛋白質標記物提供了蛋白質組學資源，有助于理解疾病病理學。相互作用組作圖有助于定義細胞水平上發生的分子相互作用，有助于理解蛋白質功能，為治療疾病提供有價值的潛在藥物靶點。
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