钙调蛋白由148个氨基酸组成（分子式为：C714H1120O255N188S9[4]分子量为16700Da），其氨基酸序列高度保守；含有大量酸性氨基酸（有1/3是谷氨酸和天冬氨酸），为酸性蛋白质（等电点为4.3）。[5]钙调蛋白中含有两个几乎对称的哑铃型结构域，中间由一个柔性连接区域连接，每一个结构域都有一对EF手模体，总共含有4个EF手模体，每一个EF手结构模体都有一个钙离子结合位点。钙调蛋白通过四个钙离子结合位点与
Ca
2
+
{\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}
结合的水平来感知细胞内的
Ca
2
+
{\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}
水平。
钙离子结合区在氨基酸序列中的位置是:21 - 32、57 - 68、94 - 105和130 -141（从N端到C端）;钙结合的每个区域都有12个氨基酸残基的长度。这些区域位于两个α-螺旋结构之间，前两个区域(21 - 32和57 - 68)位于链接区域的一边。[6]
钙调蛋白的结构特点
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钙调蛋白的靶蛋白种类繁多，这要求钙调蛋白的结构具有一定的特点。其特点可以概括为如下两方面：
一、钙调蛋白的结构具有高度可变性（Flexibility）。通过比对自由状态下的钙调蛋白的结构与结合到靶蛋白上的钙调蛋白的结构，可以很容易发现钙调蛋白结构的可变性。但核磁共振技术的研究表明即使在自由状态下，钙调蛋白的柔性连接区域也表现出动态构象。简而言之，钙调蛋白的连接区域是天然无折叠蛋白片段（Intrinsic Disordered Proteins）。
二、钙调蛋白非极性结合位点的口袋形状具有通用性，它不需要靶蛋白具有特定的氨基酸序列。[6]
一个例子是钙调蛋白既能与钾离子通道蛋白结合，又能与N-甲基-D-天冬氨酸受体蛋白（NMDA受体）结合。它们的氨基酸序列相差较大，仅长度就相差50个氨基酸残基。[7][8]
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