蛋白質折疊是物理過程，通過該蛋白鏈獲得其天然?的三維結構中，構象即通常生物功能，以迅速和可再現的方式。這是一個物理過程，多肽從一個隨機的線圈中折疊成其特征和功能性三維結構。當從mRNA序列翻譯成氨基酸的線性鏈時，每種蛋白質都以未折疊的多肽或無規卷曲的形式存在。該多肽缺乏任何穩定的（持久的）三維結構。當多肽鏈由核糖體合成時，線性鏈開始折疊成其三維結構。即使在多肽鏈的翻譯過程中，折疊也開始發生。氨基酸彼此相互作用，產生清晰的三維結構，即折疊的蛋白質，稱為天然狀態。最終的三維結構由氨基酸序列或一級結構（Anfinsen信條）確定。

正確的三維結構是功能是必需的，盡管功能蛋白質的某些部分可以保持展開，使得蛋白質動力學是重要的。無法折疊成天然結構通常會產生失活的蛋白質，但在某些情況下，錯誤折疊的蛋白質會具有修飾或毒性功能。據信幾種神經退行性疾病和其他疾病是由錯誤折疊的蛋白質形成的淀粉樣?蛋白原纖維的積累導致的。許多過敏是由于某些蛋白質折疊不正確引起的，因為免疫系統不會產生抗體對于某些蛋白質結構。

蛋白質的變性是從折疊到未折疊狀態的轉變過程。它發生在烹飪、燒傷、蛋白病和其他情況下。

折疊過程的持續時間視目標蛋白質而異。在細胞外進行研究時，最慢的折疊蛋白主要由于脯氨酸異構化而需要花費數分鐘或數小時才能折疊，并且在過程完成之前必須經過許多中間狀態，如檢查點。另一方面，長度不超過一百個氨基酸的非常小的單結構域蛋白通常會在一個步驟中折疊。毫秒級的時間尺度是常態，最快的已知蛋白質折疊反應在幾微秒內即可完成。

蛋白質的主要結構及其線性氨基酸序列決定了其天然構象。特定氨基酸殘基及其在多肽鏈中的位置是決定因素，蛋白質的某些部分緊密折疊在一起并形成其三維構象。氨基酸組成不如序列重要。然而，折疊的基本事實仍然是，每種蛋白質的氨基酸序列都包含指定天然結構和達到該狀態的途徑的信息。這并不是說幾乎相同的氨基酸序列總是相似地折疊。構形也因環境因素而異。相似的蛋白質會根據發現的位置折疊不同。

二級結構的形成是蛋白質呈現其天然結構所需要的折疊過程的xxx步。二級結構的特征是被稱為α螺旋和β折疊的結構，由于它們被分子內的?氫鍵所穩定，因此折疊迅速，如Linus Pauling首次表征的。分子內氫鍵的形成為蛋白質穩定性提供了另一個重要的貢獻。α螺旋是通過骨架的氫鍵結合形成螺旋形。β折疊片是一種骨架，骨架在其自身上方彎曲以形成氫鍵的形式。氫鍵在肽鍵的酰胺氫和羰基氧之間。存在反平行β折疊的片和平行β折疊的片，其中與平行片形成的傾斜的氫鍵相比，反平行β片中的氫鍵的穩定性更強，因為它具有理想的180度角的氫鍵。

α螺旋和β折疊的薄片本質上可以是兩親的，或者包含親水部分和疏水部分。二級結構的這種特性有助于蛋白質的三級結構，在該結構中會發生折疊，從而使親水側面向蛋白質周圍的水性環境，而疏水側面向蛋白質的疏水核心。二級結構在層次結構上讓位于三級結構的形成。一旦蛋白質的三級結構通過疏水相互作用形成并穩定下來，兩個半胱氨酸之間就可能形成二硫鍵形式的共價鍵殘留物。蛋白質的三級結構涉及一條多肽鏈；然而，折疊的多肽鏈的其他相互作用導致四級結構的形成。

三級結構可能會讓位給某些蛋白質中的四級結構，這通常涉及已經折疊的亞基的“組裝”或“共組裝”。換句話說，多個多肽鏈可以相互作用形成功能完整的季蛋白。

折疊是一種自發過程，主要由疏水相互作用，分子內氫鍵的形成，范德華力引導，并且與構象熵相反。折疊的過程通常始于共翻譯，使N末端的蛋白質的開始而折疊C-末端的蛋白質的部分仍然被合成由核糖體; 但是，蛋白質分子在生物合成過程中或之后可能會自發折疊。這些大分子可能被視為“自身折疊”，其過程還取決于溶劑（水或脂質雙層）、鹽的濃度、pH、溫度、輔因子和分子伴侶的可能存在。

蛋白質的折疊能力會受到可能受限的彎曲角度或構象的限制。這些蛋白質折疊的允許角度用稱為Ramachandran圖的二維圖進行描述，并以psi和phi允許旋轉角度進行描述。

盡管可以通過突變研究得出有關蛋白質折疊的推論，但通常，用于研究蛋白質折疊的實驗技術依賴于蛋白質的逐漸展開或折疊以及使用標準的非晶體學技術觀察構象變化。

X射線晶體學是試圖破譯折疊蛋白質的三維構型的更有效和重要的方法之一。為了能夠進行X射線晶體學分析，所研究的蛋白質必須位于晶格內。為了將蛋白質放入晶格中，必須有一種合適的結晶溶劑，在溶液中獲得過飽和水平的純蛋白質，并在溶液中沉淀出晶體。一旦蛋白質結晶，X射線束就可以通過晶格集中，這將使束衍射或向各個方向向外發射。這些射出的光束與封閉在其中的蛋白質的特定三維構型相關。X射線與周圍蛋白質晶體晶格中各個原子周圍的電子云相互作用，并產生可辨別的衍射圖。只有通過將電子密度云與X射線的幅度相關聯，才能讀取此模式，并得出有關使該方法復雜化的相位或相角的假設。沒有通過稱為傅立葉變換的數學基礎建立的關系因此，“相位問題”將使預測衍射圖非常困難。諸如多重同構置換之類的新興方法利用重金屬離子的存在將X射線衍射成更可預測的方式，從而減少了涉及的變量數量并解決了相位問題。

熒光光譜法是研究蛋白質折疊狀態的高度靈敏的方法。苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）和色氨酸（Trp）這三種氨基酸具有固有的熒光特性，但由于它們的量子產率，實驗上僅使用Tyr和Trp足夠高以提供良好的熒光信號。Trp和Tyr都被280 nm波長激發，而只有Trp被295 nm波長激發。由于它們的芳香特性，經常發現Trp和Tyr殘基完全或部分掩埋在蛋白質的疏水核中，兩個蛋白質結構域之間的界面或寡聚蛋白質的亞基之間的界面。在這種非極性環境中，它們具有很高的量子產率，因此具有很高的熒光強度。一旦破壞蛋白質的三級或四級結構，這些側鏈就會更暴露于溶劑的親水環境中，并且其量子產率降低，從而導致熒光強度降低。對于Trp殘基，其xxx熒光發射波長也取決于其環境。

通過測量熒光發射強度或xxx發射波長隨變性值的變化，熒光光譜法可用于表征蛋白質的平衡展開。變性劑可以是化學分子（尿素、鹽酸胍）、溫度、pH、壓力等。不同但不連續的蛋白質狀態（即天然狀態、中間狀態、未折疊狀態）之間的平衡取決于變性劑值。因此，它們的平衡混合物的整體熒光信號也取決于該值。這樣就獲得了一種將總蛋白信號與變性值相關的曲線。平衡展開的概況可以使人們能夠檢測和識別展開的中間體。Hugues Bedouelle已開發出通用方程式，以從這些輪廓中獲得表征同聚或異聚蛋白，直至三聚體和可能的四聚體的展開平衡的熱力學參數。熒光光譜可以與快速混合設備組合使用，以測量蛋白質折疊動力學， 生成人字形圖并進行Phi值分析。