홀로단백질(영어: holoprotein)은 생화학에서 보결분자단(prosthetic group)과 결합된 아포단백질(apoprotein)을 가리키는 용어이다. 단백질 가운데 기능을 수행하는 데 추가적인 비단백질 성분을 필요로 하지 않는 것도 있지만, 많은 효소는 완전한 활성을 나타내기 위해 보조 인자(cofactor)라 불리는 비단백질 분자의 결합을 필요로 한다. 이때 단백질 성분만으로 이루어진 부분을 아포단백질 또는 주효소(apoenzyme)라고 하고, 보결분자단과 결합하여 기능적 형태를 갖춘 완전한 단백질을 홀로단백질이라고 한다.
보조 인자는 크게 두 부류로 나뉜다. 하나는 금속 이온이나 철-황 클러스터와 같은 무기 화합물이며, 다른 하나는 플라빈이나 헴과 같은 유기 화합물이다. 유기 보조 인자는 반응 중에 효소의 활성 부위에서 분리되어 나올 수 있는 조효소(coenzyme)이거나, 효소에 단단히 결합되어 있는 보결분자단일 수 있다. 일부 유기 보결분자단은 효소와 공유 결합으로 연결되는데, 예를 들어 피루브산 카복실화효소의 비오틴이 이에 해당한다.
홀로단백질의 대표적인 예로는 탄산무수화효소가 있다. 탄산무수화효소는 활성 부위의 일부로 아연 보조 인자가 결합되어 있으며, 이렇게 단단히 결합된 이온이나 분자는 일반적으로 활성 부위에서 발견되어 촉매 작용에 직접 관여한다. 또한 플라빈 및 헴 보조 인자는 종종 산화환원 반응에 관여하는 것으로 알려져 있다.
관련 용어로 전효소(holoenzyme)가 있다. 보조 인자를 필요로 하지만 아직 보조 인자가 결합되지 않은 효소의 단백질 부분을 주효소 또는 아포효소라고 하며, 활성에 필요한 보조 인자와 주효소가 결합된 완전한 형태를 전효소 또는 홀로효소라고 한다. 홀로효소라는 용어는 DNA 중합효소와 같이 여러 단백질 소단위체로 구성된 효소에도 적용될 수 있는데, 이 경우 효소 활성에 필요한 모든 소단위체를 포함한 완전한 복합체를 의미한다.
이처럼 홀로단백질이라는 개념은 복합 단백질(conjugated protein)의 구조와 기능을 설명하는 데 핵심적인 역할을 하며, 생화학 및 분자생물학 분야에서 아포단백질과 대비되는 개념으로 널리 사용되고 있다.
