机体中的每一种蛋白质都各自担负着特殊的生物学功能。蛋白质的生物学功能与蛋白质特殊的空间结构密切联系，而空间结构的基础是蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序。

蛋白质一级结构的氨基酸顺序是形成空间结构的基础。20世纪60年代，Christian B. Anfinsen对含124个氨基酸残基和4对二硫键的牛核糖核酸酶进行变性和复性研究（图1-17）发现，用蛋白质变性剂尿素和二硫键还原剂β-巯基乙醇处理该酶时，分别使其次级键及二硫键断裂，导致其二级、三级结构被破坏、松解，但一级结构不受影响，此时该酶失去了催化活性。但用透析法除去尿素和β-巯基乙醇后，松散的多肽链自动折叠盘曲形成天然三级结构，4对二硫键也正确配对，这时酶活性完全恢复。这个实验充分说明一级结构的氨基酸排列顺序包含着建立正确空间结构的全部信息。

一级结构相似的蛋白质具有相似的空间结构与功能。例如，不同哺乳类动物的胰岛素分子都由A和B两条链组成，一级结构仅有个别氨基酸差异，二硫键的配对位置极其相似，因而它们的空间构象相似并都执行相同的调节糖代谢等生理功能。蛋白质一级结构的比较常被用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性。

蛋白质中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，会严重影响空间结构和功能。例如，正常人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸残基是谷氨酸，而镰状细胞贫血患者的血红蛋白中，谷氨酸变成了缬氨酸，仅此1个氨基酸之差，就使血红蛋白因水溶性降低，而相互聚集，导致红细胞变形成为镰刀状且极易破碎，造成贫血。但并非一级结构中的每个氨基酸都很重要，如细胞色素c的某些位点即使置换数十个氨基酸残基，其功能依然不变。

需要注意的是，体内大多数蛋白质的天然空间结构的形成，除要有正确的一级结构外，还需要其他多种蛋白质（如分子伴侣）协助装配，才能使多肽链形成有生物学功能的空间结构。也就是说，大多数蛋白质的空间结构被破坏后，一般不能依靠其一级结构自动恢复原有的构象和功能。

蛋白质空间结构是其生物活性的基础，即蛋白质的特定空间结构决定其生物学功能，最突出的表现是一旦蛋白质空间结构被破坏，其生物学功能也随之丧失，即蛋白质变性作用（详见蛋白质理化性质）。此外，在生物体中普遍存在通过改变蛋白质的空间结构而调节其生物学功能的现象。具体而言，一些小分子的配体与蛋白质活性中心以外的部位结合后，引起蛋白质空间结构改变，进而导致功能改变的现象称为变构效应（allosteric effect）或别构效应。下面以血红蛋白的变构效应为例，说明蛋白质空间结构和功能的关系。

血红蛋白（hemoglobin，Hb）是由两条α链和两条β链共4个亚基组成的四级结构，4个亚基通过8对离子键紧密结合，每个亚基结合1个血红素辅基。血红素（heme）是铁卟啉化合物，Fe ²⁺位于卟啉环中央，分别与4个吡咯环的氮原子形成4个配位键，与血红蛋白多肽链的F8组氨酸咪唑基的氮原子形成第五个配位，第六个配位键与氧分子相连。每个血红素的Fe ²⁺能可逆地结合1分子氧，因此Hb总共可携带4分子氧。Hb的主要功能是在血液循环中运送氧。

未结合O ₂时，Hb构象较为紧密，称为紧张态（tense state，T态）。T态Hb与O ₂的亲和力小。在肺部，由于氧分压较高，促使T态Hb中第一亚基（α ₁）与O ₂结合，氧分子进入Fe ²⁺的第六个配位键，使Fe ²⁺的半径变小，并进入卟啉环中间的小孔，进而引起该亚基的F肽段发生位移，影响附近肽段的构象；导致亚基之间的盐键断裂，使亚基间结合松弛，从而促进第二个亚基（α ₂）及第三个亚基（β ₁）与O ₂结合，当前三个亚基与O ₂结合后，又可大大促进第四个亚基（β ₂）与O ₂结合。此时，Hb的构象变得相对松弛，与氧的亲和力非常高，称为松弛态（relaxed state，R态）。而在氧分压低的组织中，它又迅速释放出转运的O ₂。此时，Hb由R态转变回T态（图1-18）。这种由效应剂（O ₂）与亚基结合后引起亚基乃至整个蛋白质分子的构象变化和功能的改变，称为变构效应。一些酶和受体也存在变构效应，所以变构效应具有普遍的生物学意义。

一个亚基与其配体（Hb中的配体为O ₂）结合后，能促进此蛋白质中另一亚基与配体的结合能力，称为正协同效应；反之则为负协同效应。

血红蛋白的变构效应表明，一级结构完整的多肽链不能直接表现蛋白质的功能，只有形成恰当的构象才能表现其功能。蛋白质构象改变，严重时还可引起疾病。