Proteinski domen je deo proteinske sekvence i strukture koji može da evoluira, funkcioniše, i postoji nezavisno od ostatka proteinskog lanca. Svaki domen formira kompaktnu tri-dimenzionalnu strukturu i često može da bude samostalno stabilan i sklopljen. Mnogi proteini se sastoje od nekoliko strukturnih domena. Jedan domen se može javiti u nizu različitih proteina. Molekulska evolucija koristi domene kao strukturne komponente koje mogu da se kombinuju u različitim aranžmanima da bi se formirali proteini sa različitim funkcijama. Domeni variraju u dužini od oko 25 aminokiselina do 500 aminokiselina. Najkraći domeni kao što su cinkovi prsti su stabilizovani metalnim jonima ili disulfidnim mostovima. Domeni često formiraju funkcionalne jedinice, kao što je kalcijum-vezujući EF-ruka domen kalmodulina. Pošto su oni samostalno stabilni, domeni mogu da se zamene putem genetičkog inženjerstva između proteina, čime se formiraju himerni proteini.

Koncept domena je prvi predložio Vetlaufer 1973. na osnovu kristalografskih studija X-zracima živinskog lizozima^[1] i papaina^[2] i ograničenih proteolitičkih ispitivanja imunoglobulina.^[3][4] On je definisao domene kao stabilne jedinice proteinske strukture koje mogu da se autonomno sklope. U prošlosti su domeni bili opisani kao jedinice:

• kompaktne strukture^[5]
• funkcije i evolucije^[6]
• sklapanja.^[7]

Sve ove definicije su validne i često se preklapaju, npr. za kompaktni strukturni domen koji je nađen u nizu različitih proteina je verovatno da se samostalno sklapa unutar svog strukturnog okruženja. Priroda često povezuje nekoliko domena čime se formiraju multi-domeni i multi-funkcionalni proteini sa velikim brojem mogućnosti.^[8] U multi-domenskom proteinu, svaki domen može da izvršava svoju funkciju nezavisno, ili na organizovan način sa svojim susedima. Domeni mogu bilo da služe kao moduli za izgradnju velikih sklopova, kao što su virusne čestice ili mišićna vlakna, ili do pruže specifična katalitička ili vezivna mesta koja su prisutna kod enzima ili regulatornih proteina.

Primer proteina sa više domena je piruvatna kinaza, glikolitički enzime koji ima važnu ulogu u regulaciji fluksa od fruktoza-1,6-bifosfata do piruvata. Ovaj protein sadrži sve-β regulatorni domen, α/β-supstrat vezujući domen i α/β-nukleotid vezujući domen, koji su povezani sa nekoliko polipeptidnih spona^[9]. Svaki domen u ovom proteinu se javlja u različitim grupama proteinskih familija.

Centralni α/β-barelni domen, koji vezuje supstrat, je jedan od uobičajenih enzimskih sklopova. On je prisutan kod mnogih različitih enzimskih familija koje katalizuju sasvim nevezane reakcije.^[10] α/β-barel se obično naziva TIM barelom. Ovo ime potiče od triozno fosfatne izomeraze, u čijoj strukturi je bio prvo uočen.^[11] On je trenutno klasifikovan u 26 homolognih familija u CATH bazi podataka domena.^[12] TIM barel je formiran od sekvence β-α-β motiva koji su zatvoreni vodoničnim vezivanjem prve i zadnje struke, čime se formira barel sa osam struka. Postoje različita stanovišta o evolucionom poreklu ovog domena. Jedna od studija sugestira da se zajednički predački enzim raščlanio u nekoliko familija,^[13] dok druga smatra da je stabilna struktura TIM-barela evoluirala putem konvergentne evolucije.^[14]

TIM barel piruvat kinaze je 'diskontinualan', što znači da je više od jednog polipeptidnog segmenta neophodno da bi se formirao domen. To je verovatno posledica umetanja jednog domena u drugi tokom proteinske evolucije. Bilo je pokazano da je među poznatim strukturama jedna četvrtina strukturnih domena diskontinualna.^[15][16] Umetnuti β-barelni regulatorni domen je 'kontinualan', jer se sastoji od jednog neprekidnog segmenta polipeptida.

Kovalentna veza dva domena ima funkcionalnu i strukturnu prednost jer povećava stabilnost u poređenju sa istim strukturama bez kovalentne veze.^[17] Druge prednosti su zaštita intermedijara unutar inter-domenskog enzimskog otvora, koji bi inače bio nestabilan u vodenom okruženju, i ustaljeni stehiometrijski odnos enzimske aktivnosti koji je neophodan za sekvencijalni niz reakcija.^[18]

Primarna struktura proteina (lanac aminokiselina) ultimatno kodira njegovu jedinstvenu sklopljenu 3D konformaciju.^[19] Najvažniji faktor sklapanja proteina u 3D strukturu je distribucija polarnih i nepolarnih bočnih lanaca.^[20] Sklapanje dovodi do sklanjanja hidrofobnih bočnih lanaca u unutrašnjost molekula da bi se izbegao kontakt sa vodenim okruženjem. Generalno, proteini imaju jezgro formirano od hidrofobnih ostataka okruženo omotačem hidrofilnih ostataka. Pošto su same peptidne veze polarne, one se neutrališu međusobnim vodoničnim vezivanjem u hidrofobnom okruženju. Time se stvaraju regioni polipeptida koji formiraju regularne 3D strukturne motive koji se nazivaju sekundarna struktura. Postoje dva glavna tipa sekundarne strukture: α-heliksi i β-ravni.