蛋白质是由许多的氨基酸通过肽键相连接而形成的生物大分子。蛋白质的氨基酸种类和排列顺序、组成百分比以及肽链特定的空间排布位置决定蛋白质特定的功能。蛋白质的分子结构分为一级结构和空间结构，空间结构又分为二级结构、三级结构和四级结构。空间结构又称构象（conformation），是蛋白质中所有原子在三维空间的排布。

构成蛋白质的各种氨基酸在多肽链中的排列顺序，称为蛋白质的一级结构（primary structure）。多肽链氨基酸的顺序是由基因上遗传信息，即DNA分子中的核苷酸排列顺序所决定。一级结构是蛋白质的基本结构，它决定蛋白质的空间结构。一级结构的主要化学键是肽键，有的蛋白质尚含有二硫键，它是由两个半胱氨酸脱氢组成的化学键（—S—S—）。图1-3是牛胰岛素的一级结构，胰岛素有A和B二条多肽链，A链和B链分别有21和30个氨基酸残基。胰岛素分子中有3个二硫键，1个位于A链内，称为链内二硫键，由A链中的第6位和第11位半胱氨酸的巯基通过脱氢而形成，另外2个二硫键位于A、B两条链间，称为链间二硫键。

体内种类繁多的蛋白质，其一级结构各不相同。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。

蛋白质的二级结构（secondary structure）是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。

形成蛋白质主链空间构象的基本单位是肽单元。参与肽键的6个原子C _α1、C、O、N、H和C _α2位于同一平面，C _α1和C _α2在平面上所处的位置为反式构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元或肽键平面（图1-4）。其中肽键（C—N）具有双键的性质，其键长（0.132nm）介于C—N单键（0.149nm）和C═N双键（0.127nm）之间，不能自由旋转。而C _α分别与N和CO相连的键都是典型的单键，可以自由旋转，C _α与CO的键旋转角度以φ表示，C _α与N的键角以ψ表示（图1-4）。也正由于肽单元上C _α原子所连的两个单键的自由旋转角度，决定了两个相邻的肽单元平面的相对空间位置。

蛋白质的肽链以肽单元为基本单位，通过局部盘曲折叠，形成不同的构象形式。常见的有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。维持蛋白质二级结构稳定的主要化学键是氢键。

肽链的某段局部盘曲成螺旋形，称为α-螺旋（图1-5）。其特点是：①多肽链以C _α为转折点，以肽单元为单位，通过其两侧单键的旋转，形成稳固的右手螺旋。②每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm。③相邻螺旋圈之间借肽键的N-H和C=O形成氢键，其方向与螺旋长轴基本平行。肽链中的全部肽键都可形成氢键，以稳固α-螺旋结构。④氨基酸残基的R基团伸向螺旋外侧，其空间形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成和稳定性。酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同性电荷相斥，妨碍α-螺旋的形成；天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响α-螺旋的形成；脯氨酸是亚氨基酸，形成肽键后不能参与氢键的形成，结果肽链走向转折，不形成α-螺旋。

肽链中肽单元间折叠呈锯齿状结构称为β-折叠（图1-6A）。其特点是：①多肽链充分伸展，相邻两肽单元间折叠成110°，形成锯齿状。侧链R基团交替地位于锯齿状结构上下方。②两条以上肽链或一条肽链内的若干个锯齿状结构走向可相同（顺向平行）或相反（反向平行），并通过肽链间肽键的C═O与N—H形成氢键从而稳固β-折叠结构。

多肽链进行180°回折时的结构称为β-转角（图1-6B）。β-转角通常由4个氨基酸残基组成，第2个残基常为脯氨酸，其他常见的有甘氨酸等。第1个氨基酸残基羰基氧与第4个残基的氨基氢之间形成氢键，以维持β-转角的稳定性。

是没有确定规律性的肽链结构，也是蛋白质分子中一种有序的构象。蛋白质有序的非重复性结构构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位。

蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指整条肽链中的全部氨基酸残基的相对空间位置，即整条多肽链中所有原子的排布方式。包括多肽链分子的主链及侧链的构象，也就是多肽链在二级结构的基础上再进一步盘曲、折叠，形成一定规律性的空间结构。球状蛋白质的三级结构有某些共同的特征，如折叠成紧密的球状或椭球状；含有多种二级结构且折叠层次明显，形成超二级结构，并进一步折叠成相对独立的三维空间结构；疏水侧链常分布在分子内部等。

肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成，属于单一肽链蛋白质，含1个血红素辅基（图1-7）。其分子结构中α-螺旋占75%，有A至H共8个螺旋区，两个螺旋区间有一段无规卷曲，脯氨酸位于转角处。由于侧链R基团的相互作用，多肽链相互缠绕形成一个球状分子（4.5nm×3.5nm×2.5nm），球表面有亲水侧链，疏水侧链位于分子内部。蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键如疏水键、氢键、离子键、范德华力等。

蛋白质的四级结构（quarternarystructure）是指两个或两个以上具有独立三级结构的多肽链借助次级键（氢键、疏水键、离子键）结合而形成的寡聚体，四级结构中的每条具有独立三级结构的多肽链称为亚基（subunit）。对于2个以上亚基构成的蛋白质，单一的亚基通常没有生物学功能，只有四级结构完整时才具有生物功能。血红蛋白是由2个α-亚基和2个β亚基组成的四聚体（图1-8），两种亚基的三级结构相似，且每个亚基都可结合1个血红素辅基，具有运输氧和二氧化碳的功能。但每个亚基单独存在时，虽可结合氧且与氧亲和力增强，但在体内组织中难于释放氧。