蛋白质的分子量大，结构十分复杂。尽管如此，其结构总的来看，仍有一定规律。蛋白质分子的基本结构是由氨基酸彼此连接成线状的一级结构，在此基础上旋转、折叠、盘曲，依次形成二级和三级结构，由两条或两条以上的多肽链形成的蛋白质还可形成四级结构。二级、三级和四级结构统称为空间结构或空间构象（conformation）。

蛋白质多肽链上从N端至C端的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构（primary structure）。一级结构中主要的化学键是肽键。蛋白质中氨基酸的排列顺序是由其基因携带的遗传信息决定的，而各种蛋白质因其一级结构不同而形成不同的空间构象，不同的空间构象决定了不同蛋白质的生物学功能。

1953年英国生化学家F. Sanger完成了牛胰岛素全部氨基酸排列顺序的测定，这是第一个被测定的蛋白质一级结构。牛胰岛素是由51个氨基酸残基组成，包括A、B两条多肽链，A链含21个氨基酸残基，B链含30个氨基酸残基。牛胰岛素分子中有3个二硫键，一个位于A链内，另两个二硫键位于A、B两链间（图1-7）。

在蛋白质一级结构的基础上，天然蛋白质会形成立体的二级结构。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。肽链主链骨架原子包括α-碳原子（Cα）及其相连的氨基氮（N）和羰基碳（C），N-Cα-C三原子重复排列。蛋白质二级结构的主要构象形式有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。一个蛋白质分子可含有不同形式的二级结构或多个同种形式的二级结构。

肽键的性质是形成二级结构的基础。多肽链中的肽键键长为0.132nm，短于C—N单键的0.147nm，长于C=N双键的0.123nm，故肽键具有部分双键的性质，因此不能自由旋转。参与肽键的6个原子Cα ₁、C、O、N、H和Cα ₂处在同一个平面上，称为肽单元（peptide unit），又称肽平面（图1-8）。每个Cα与两侧肽平面中的N和羰基C原子间以单键连接，可以自由旋转。这种肽平面围绕α-碳原子的单键旋转，是形成多肽链各种空间构象的基础，所以肽平面是蛋白质构象的基本单位。

是指多肽链中肽平面通过α-碳原子的相对旋转、盘绕形成的一种紧密螺旋构象（图1-9），其结构特点如下：①多肽链的主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升，为右手螺旋；②每3.6个氨基酸残基螺旋上升1圈，螺距为0.54nm；③每个肽键的亚氨基氢（H）与相邻第四个肽键的羰基氧（O）形成氢键，氢键是维持α-螺旋结构稳定的主要化学键；④氨基酸残基侧链伸向螺旋外侧，其形状、大小及电荷量的多少均影响α-螺旋的形成。若基团较大的侧链集中或相同电荷的基团集中时，由于空间位阻或同性电荷相斥作用，会妨碍螺旋的形成。

α-螺旋在蛋白质中广泛存在，第一个被阐明空间结构的肌红蛋白大部分是α-螺旋。毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白和血凝块中纤维蛋白多肽链都含有大量α-螺旋。

是指两条以上肽链平行排列呈折纸状片层结构（图1-10），其结构特点如下：①多肽链充分伸展，各个肽平面以α-碳原子为旋转点，依次折叠成锯齿状结构。所涉及的肽段一般比较短，只含5～8个氨基酸残基。②两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段可平行排列，形成折纸状的片层结构。相邻肽链的走向可相同，也可相反。③肽链间的肽键羰基氧（O）和亚氨基氢（H）形成链间氢键，从而稳定β-折叠结构。④氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上、下方。

β-折叠也是蛋白质中常见的结构。蚕丝蛋白几乎全部为反向平行的β-折叠片层结构。

多肽链出现180°回折的转角部位称为β-转角。β-转角通常由4个氨基酸残基组成。第一个残基的羰基氧（O）与第四个残基的氨基氢（H）形成氢键，以维持转折结构的稳定（图1-11）。脯氨酸因其亚氨基形成的环状结构而常出现在β-转角的第二个氨基酸残基上，但很难出现在α-螺旋和β-折叠中。

除上述结构外，肽链其余部分形成相对没有规律性的构象，习惯上称为“无规卷曲”。但对同一种蛋白质的相应肽段而言，其卷曲是相同的。

在许多蛋白质分子中，由两个或两个以上二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，并具有特定的功能，被称为模体（motif）。锌指结构（zinc finger）是常见的模体，它由一个α-螺旋和β-折叠组成（图1-12），形似手指，模体N端的两个半胱氨酸残基侧链和C端的两个组氨酸残基侧链分别与锌离子形成4个配位键。锌指结构能与DNA或RNA结合，含锌指结构的蛋白质一般具有调控基因转录的功能。

蛋白质多肽链在二级结构基础上进一步盘曲、折叠形成蛋白质三级结构。蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指整条多肽链中所有原子在三维空间的排布，包括主链、侧链构象。蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键，包括疏水作用、离子键（盐键）、氢键、范德华力（Van der Waals force）。另外，以共价结合的二硫键也参与三级结构的形成（图1-13）。其中，疏水作用是维持蛋白质三级结构最主要的稳定力，疏水基团因疏水作用聚向分子的内部，而亲水基团则多分布在分子表面。天然蛋白质一般至少要形成三级结构才具备生物学活性。

世界上第一个被阐明三级结构的蛋白质是抹香鲸肌红蛋白，这是1960年英国分子生物学家Kendrew用X线衍射法揭示的。抹香鲸肌红蛋白由一条含153个氨基酸残基的多肽链和1个血红素辅基组成，有8 个α-螺旋区（A～H），每2个螺旋区之间有一段无规卷曲，脯氨酸位于转角处，呈球状（图1-14）。

一些具备三级结构的蛋白质或亚基，可含一个或数个折叠较紧密的特定三维结构区域，并各自具有特定的生物学活性，称为结构域（domain）。大多数结构域含有序列上连续的100～200个氨基酸残基，也可由不连续的肽段相互接近构成。例如，3-磷酸甘油醛脱氢酶由两个亚基构成，每个亚基含两个结构域，其中一个结构域（第1～146位氨基酸残基）能与NAD ⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）结合，另一个结构域（第147～333位氨基酸残基）能与底物3-磷酸甘油醛结合（图1-15）。

部分蛋白质由两条或两条以上多肽链组成，其中每条多肽链都有其独立的三级结构，称为亚基（subunit）。亚基之间以非共价键相连，这种亚基及其之间的空间排布，称为蛋白质的四级结构（quaternary structure）。维持四级结构的作用力主要是氢键、离子键以及疏水作用、范德华力等。在四级结构蛋白质分子中各亚基的结构可以相同，也可以不同。单独的亚基通常没有生物学功能，只有各亚基共同构成完整的四级结构蛋白质时才具有生物活性。例如，血红蛋白为α ₂β ₂四聚体，即含两个α亚基和两个β亚基（图1-16）。血红蛋白通过亚基之间的变构效应能更迅速实现与氧的结合和解离。

有些蛋白质也有两条或两条以上肽链，但肽链间通过共价键（如二硫键）相连，这种结构不属于四级结构，如胰岛素。