蛋白质折叠是蛋白质链形成有序三维构象的物理过程。其氨基酸序列提供了决定这一结构的主要信息，而周围条件和细胞内的分子机制则影响结构能否形成以及如何形成。折叠确立了许多生物学活动所需的空间排列，包括催化和分子识别。它不同于蛋白质合成，也不同于根据序列预测结构的计算任务。(ncbi.nlm.nih.gov)
结构层次
蛋白质的一级结构是由肽键连接的氨基酸残基序列。二级结构由反复出现的主链排列方式构成，尤其是由氢键稳定的α螺旋和β折叠。三级结构描述单条链的整体组织方式；四级结构描述组装体中多条链的排列方式。这些层次是对结构的分类，并不意味着所有蛋白质都遵循同一套折叠步骤。(ncbi.nlm.nih.gov)
许多蛋白质含有结构域，即在结构上可具有较强独立性的紧凑单元。因此，折叠可能涉及局部结构的形成、结构域的形成以及结构域之间的相互作用。具有功能的蛋白质不必处处保持刚性：内在无序蛋白质及无序区域在独立存在时没有单一的稳定结构。有些在与另一分子结合后会变得更加有序，另一些则通过灵活多变的构象集合发挥功能。这种无序并不一定是折叠缺陷。(ncbi.nlm.nih.gov)
物理作用力与稳定性
折叠体现了链内相互作用以及链与周围环境之间相互作用的综合效果。对于许多可溶性蛋白质，疏水效应有利于非极性侧链埋入内部，避开水。氢键、静电相互作用和范德华力有助于稳定特定的排列方式。一些蛋白质还含有二硫键，即半胱氨酸残基之间的共价连接，能够限制链的构象。没有任何一种相互作用能够单独解释所有蛋白质的折叠结构。(ncbi.nlm.nih.gov)
从热力学角度看，稳定性取决于特定条件下折叠态与未折叠态构象集合之间的吉布斯自由能差。折叠过程中，链的构象熵会降低，这必须由有利的相互作用和溶剂排列方式的变化来补偿。温度、溶剂组成及其他环境条件都可能改变这种平衡。因此，在一种环境中占优势的结构，在另一种环境中未必仍然稳定。(ebi.ac.uk)
序列信息与折叠路径
克里斯蒂安·安芬森及其同事的实验表明，经过展开和还原处理的核糖核酸酶，在适宜条件恢复后能够重新获得具有活性的结构。这些观察结果支持了热力学假说：序列能够决定一种在适当环境中占优势的天然构象。但这些结果并未证明每种蛋白质都能在任意条件下不借助外力重新折叠，也未证明细胞内的折叠无需辅助。(nobelprize.org)
莱文塔尔悖论突出了链可能具有的构象数量之庞大：通过随机搜索穷尽所有构象，所需时间将与实际观察到的折叠时间不符。实际上，折叠是通过对构象空间进行有偏向的探索来推进的。能量景观描述依据构象的自由能及其相互连通关系来表示各个构象，通常用朝向类天然态收敛的漏斗来呈现。景观的崎岖性使中间态、相互竞争的路径和动力学陷阱得以存在；序列相同的分子也不一定沿着相同轨迹折叠。(nature.com)
因此，稳定性和折叠速度是不同的性质。折叠态相对于其他状态的自由能决定它在平衡时是否占优势，而能垒和可行路径则影响达到这一状态的速率。针对相关蛋白质的实验表明，能量景观中的阻挫效应能够减慢折叠，而环境变化能够改变不同备选路径被采用的相对比例。(nature.com)
细胞内的折叠
折叠往往在翻译（生物学）过程中就已开始，此时不断延长的链正从核糖体中伸出。细胞环境带来了稀释的实验室溶液中没有的挑战：部分折叠的链可能暴露疏水表面，并与邻近分子发生错误缔合。链合成的时序也限制了最初能够发生哪些相互作用。(ncbi.nlm.nih.gov)
分子伴侣通过限制不恰当的相互作用，并为链提供更多机会形成有利于正常功能的构象，来辅助折叠。Hsp70家族蛋白质会结合暴露的区域，而伴侣蛋白复合体则可提供受保护的折叠腔室。许多分子伴侣的工作循环需要使用三磷酸腺苷。分子伴侣通常不会提供独立的结构模板；它们影响的是折叠效率，以及折叠与聚集之间的竞争。(ncbi.nlm.nih.gov)
错误折叠的蛋白质可能失去活性或形成聚集体。一些聚集体具有淀粉样蛋白纤维结构。在朊病毒病中，异常的蛋白质构象能够促使同种蛋白质的其他分子发生构象转变并聚集。这些现象涉及其他分子状态和组装形式，而不只是缺乏结构。(pdb101-east.rcsb.org)
实验研究与计算预测
研究人员会区分结构测定与结构形成过程的观测。X射线晶体学提供结构信息，而核磁共振能够表征溶液中的蛋白质。时间分辨和单分子荧光测量可用于探查折叠过程中各状态的群体分布和能垒。分子动力学模拟通过计算分子的运动轨迹来补充实验，但对模拟结果的解释取决于所用的相互作用模型，以及采样是否充分。(ncbi.nlm.nih.gov)
结构预测处理的是一个相关但范围更窄的问题：什么构象与给定序列相容？AlphaFold在2021年发表的研究中展示了预测准确性的显著提升，其方法利用了深度学习、序列的进化信息以及蛋白质数据库中的实验结构。预测出的结构并不是对折叠轨迹的记录。仅有准确的坐标，并不能确定折叠速率、中间态的群体分布，或蛋白质对各种细胞条件的响应；这些问题需要进一步的实验和计算研究。(nature.com)