蛋白质是细胞的重要组成成分之一，它不仅充当细胞的结构成分，还参与几乎所有的细胞功能，例如酶在细胞内提供复杂的分子表面，以促进细胞的许多化学反应。嵌在质膜中的蛋白质形成通道和泵，控制小分子进出细胞。一些蛋白质在细胞间传递信息，而另一些则起信息整合器作用，将一组信号从细胞膜传递给细胞核。还有一些则参与运动功能，如驱动蛋白可推动细胞器在胞质中运动，拓扑异构酶可解开扭结的DNA分子。另一些特异蛋白质则形成抗体、毒素、激素、抗冻分子、弹性纤维、丝状结构或荧光源物质等。蛋白质功能多样性是由其结构多样性引起的。

蛋白质结构是指蛋白质分子的空间结构。作为一类重要的生物大分子，蛋白质主要由碳、氢、氧、氮、硫等化学元素组成。蛋白质的基本组成单位是氨基酸。氨基酸既含有氨基又含有羧基。组成蛋白质的氨基酸只有20种，它们均为L型α-氨基酸，中间的碳原子为α-碳原子。组成蛋白质的氨基酸的α-碳原子连接1个氨基、1个羧基、1个氢原子和1个侧链R基团，具有不同的化学性能。蛋白质分子式由这些氨基酸的一条长链组成，相邻氨基酸之间通过共价肽键相连。肽键是一个氨基酸的α-氨基与相邻另一个氨基酸的α-羧基间脱水，以酰胺键的形式相互形成的共价键。肽键长0.132nm，比一般的C-N单键（0.147nm）短，而接近C=O双键0.124nm的长度，因此肽键具有双键部分刚性的性质，不易自由旋转，而在蛋白质分子中形成一个平面称“肽键平面”。在蛋白质分子中，相邻氨基酸残基的侧链R分别在肽键平面的两边，形成类似反式的分子结构，热力学上比较稳定。蛋白质分子是由氨基酸首尾相连缩合而成的共价多肽链，但是天然蛋白质分子并不是走向随机的松散多肽链。每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构或称三维结构，这种三维结构通常被称为蛋白质的构象，即蛋白质的结构。为了从分子水平上了解蛋白质的作用机制，常常需要测定蛋白质的三维结构。

蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序，若蛋白质分子中有二硫键存在，一级结构也包括二硫键在蛋白质分子中的数目与定位。自然界20种氨基酸的排列组合，可形成亿万种不同的一级结构，决定着不同蛋白质各自特定的空间结构和功能。不同蛋白质不同的一级结构，又都是由DNA分子上相应基因的碱基排列顺序决定的，故一级结构是蛋白质的基本结构，也是分子生物学研究的重要内容。

蛋白质分子中氨基酸以肽键相连，肽键因具有类似双键的性质，不能自由旋转，故形成了肽平面与二面角。蛋白质的二级结构是指多肽中主链原子的局部空间排布，是肽链上相邻氨基酸残基间主要靠氢键连结形成的局部有规律、重复的有序空间结构。蛋白质的二级结构有5种基本的构象单元，它们是蛋白质更复杂空间结构的基础。

α-螺旋主要因来自毛发中的α-角蛋白而得名，是人们首先肯定的蛋白质二级结构单元。α-螺旋中肽链骨架呈右手螺旋，自上向下顺时针方向盘成类似圆柱状体，每3.6个氨基酸残基转一圈，螺距0.54nm，两个氨基酸之间相距0.15nm，氨基酸侧链R在螺旋的外侧，相邻的螺旋圈之间形成氢键，氢键的方向与螺旋中心轴平行，氢键所封闭的环包括13个原子，故简称为3.613螺旋。α-螺旋内氢键是α-螺旋稳定的主要因素。α-螺旋是多肽链中最稳定的构象，其形成取决于多肽链的一级结构，富含丙氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、谷氨酸等残基的肽段易形成α-螺旋。若相邻酸性氨基酸或碱性氨基酸集中，因同性电荷相斥，以及脯氨酸残基因生成肽键后已无多余的氢原子形成氢键，则不利于α-螺旋的形成与稳定，人们正试图从肽键的一级结构来推断其二级结构。同时因α-螺旋中氨基酸残基侧链性质的不同，可使之形成亲水侧面与疏水侧面，即形成α-螺旋的“两亲性”。α-螺旋稳定了蛋白质分子的总构象。不同蛋白质分子中α-螺旋占的比例各不相同，例如肌红蛋白中α-螺旋占全部肽链的75%，而糜蛋白酶中α-螺旋仅占5%。由于酶蛋白与底物、受体蛋白与配体等的诱导契合，因而蛋白质分子“活性中心”往往不在其α-螺旋区而在其附近部位，α-角蛋白的肽链几乎全部由α-螺旋组成，故其空间结构十分稳定。

β-折叠因其发现是仅次于α-螺旋的蛋白质有序二级空间结构，肽链又较伸展，折叠成锯齿状而得名。此时相邻两个氨基酸残基之间的距离为0.35nm，侧链R在β-折叠的上方与下方，靠与其肽链长轴垂直的氢键连结，使单股β-折叠回折成3～5股反平行的β-折叠。在球状蛋白质分子中，β-折叠多形成一个分子的壁层结构。免疫蛋白轻链几乎全由β-折叠结构组成。纤维状的丝心蛋白为多层平直的β-折叠空间结构。

β-转角因多出现在β-折叠之后而得名，也可看成是β-折叠的特例。β-转角多出现在球状蛋白质分子的表面，肽链经180°回折形成U形结构，肽链上一个肽键的C=O隔2个氨基酸残基与第四个肽键上的NH形成氢键，维持着β-转角结构的稳定。β-转角主要有Ⅰ、Ⅱ两型，结构略有差别，氢键间可跨10～11个原子。肽段中富含脯氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺等氨基酸残基者易形成β-转角。

无规则卷曲是指各种蛋白质分子中没有共同点或无确定规律性的那部分肽段的二级结构。在蛋白质分子中，并不是所有的肽段都形成α-螺旋、β-折叠或β-转角等有序空间结构。事实上蛋白质分子中有相当一部分肽段形成疏散的任意卷曲，是各种蛋白质各自特有又不相同的二级结构，但它们仍然是蛋白质分子完成生理功能十分重要的肽段，也是蛋白质分子中一种基本的二级结构单元，更确切地说应称之为特定卷曲。它虽无共同的规律性，但也是稳定的空间结构。

π-螺旋又称胶原螺旋，主要出现在胶原蛋白分子中，是一种大而松散的4.416螺旋，因肽段中富含脯氨酸、羟脯氨酸，不易形成氢键，故成为一种稳定的左手螺旋，又因富含甘氨酸，其侧链R小，无空间位阻，故单股螺旋又易由3股进一步盘成稳定的右手超螺旋。其中3股左手π-螺旋间靠氢键及赖氨酸残基间形成的共价键交联，从而形成不溶性的胶原蛋白分子。胶原蛋白分子再进一步彼此错开1/4分子长度，平行成束排列组成胶原纤维，故在电镜下可有重复交替的横纹结构特征出现。

Ω环分别由6～16个氨基酸残基组成，肽链卷曲成希腊字母Ω样，如细胞色素C的40～54位氨基酸残基即组成Ω环。它是近年来开始引起人们注意的一种蛋白质二级结构，多在蛋白质分子表面，且与蛋白质生物识别功能有关。此外，在部分蛋白质分子中还存在310和2.27等螺旋，如在溶菌酶蛋白中。但3.613α-螺旋在蛋白质分子中仍占绝大多数。

在大多数的球状蛋白质中，相邻的二级结构相互连接折叠成规则的二级结构簇构象，成为在空间上能辨别的又一个构象级别，它是介于二级结构和结构域间的一个构象层次，即超二级结构。常见的超二级结构单元有αα、ββ、βαβ等，有时甚至可由多达7个α-螺旋或15个β-折叠形成超二级结构。超二级结构的形成，主要是组成它们的氨基酸残基侧链基团间相互作用的结果。

结构域是位于超级结构和三级结构间的一个结构层次，是球蛋白中的折叠结构。在超二级结构的基础上，较长的多肽链往往进一步折叠形成几个相对独立的致密的三维实体，即结构域。构成结构域的常常是序列中连续的100～200个氨基酸残基。短的多肽链如果仅有1个结构域，则此蛋白质的结构域和三级结构即为同一个结构层次。较大的蛋白质往往含有2个、3个或多个结构域。结构域可能是相似的，也可能是完全不同的。结构域之间的连接比较松散，往往只有一段肽链相连，称为铰链区。这种结构域间柔软的结构，使它们之间容易发生相对运动。

结构域是多肽链中相对独立的结构，有些蛋白多肽链被酶水解后，各结构域还可以保持本身的稳定结构，有的甚至还具有生物学活性。这种相对独立的结构有利于多肽链的进一步有效组装。结构域不仅仅是折叠单位和有一定功能的结构单位，还是遗传单位，因为某些蛋白质中的结构域恰与编码它的基因中的外显子精确对应。根据组成结构域的二级结构类型和组合，结构域一般可以分为反平行α、平行α/β、反平行β、不规则的小蛋白结构等。

三级结构是一条多肽链的完整的构象，包括全部的主链和侧链的专一性的空间排布，是在结构域的基础上进一步折叠而形成的结构，但不包括亚基间的相互作用，如球形肌红蛋白、伸展状的磷酸甘油酸激酶亚基。有的多肽链中60%以上的结构为α-螺旋，螺旋相互缠绕在一起。而有的多肽链主要为β-折叠结构，它包括两种β-折叠，其中主要为反平行β-折叠，仅含少量α-螺旋，形成双层结构。还有一些多肽链有单层β-折叠，通常是反平行的，α-螺旋常在β-折叠的一端或两端聚积。此外，有的多肽链有1个平行β-折叠，α-螺旋通常连接每个β链，且螺旋结构位于β片层的两侧，形成3层结构。有时β片层绕成桶状，这时α-螺旋围绕在桶的外侧。单层结构的蛋白质分子是不稳定的，因为分子中残基的疏水侧链需要埋藏在疏水核内，它至少有双层结构才稳定。

只有两条或两条以上的具有独立三级结构的多肽链组成的蛋白质分子才具有四级结构。肽链间以次级键缔合在一起，形成一个非常稳定的构象，称为蛋白质分子的四级结构。组成四级结构的多肽链称为蛋白质的亚基，多个亚基组成的蛋白质为寡聚蛋白质。一般来讲，这些亚基单独存在时没有生物活性，只有缔合成完整的四级结构才具有生物学活性。因此寡聚蛋白质的四级结构对其生物学功能具有重要的作用。在寡聚蛋白中，亚基是独立的结构单位，但不是独立的功能单位。

有些蛋白质分子没有四级结构，只有三级结构就具有生物活性。通常这样的蛋白质为单链构成，但也不一定，如胰岛素分子由两条多肽链A、B链组成，A、B链间以二硫键共价连接，构成胰岛素分子。A、B链不是胰岛素的亚基，亚基间的缔合是非共价连接的。判断一条肽链是亚基还是分子的另一关键是它是否是一个完整的功能单位。

根据亚基的空间排列方式，可分为两种基本类型。第一种类型分子由各不相同的亚基缔合，如促甲状腺素和神经生长因子等。不同亚基间有着不同的相互作用和缔合方式，其四级结构具有高度不规则的几何形状。第二种类型的分子是1种亚基的多拷贝，或几种不同亚基的多拷贝的缔合。由于相同亚基结构的重复出现，或不同亚基间构成的特殊结构的重复出现，这些寡聚蛋白质分子具有某种规则的几何学排列，如线性排列、螺旋状排列、点群对称排列等。

生物大分子结构和功能的关系的研究是分子生物学的核心。一级结构是蛋白质的基本结构，一般来说，关键部位氨基酸残基的改变可影响其功能，如血红蛋白分子病及肿瘤点突变引起的蛋白质功能变异，甚至在多肽如催产素和加压素中，仅有两个氨基酸残基差异，两者生理功能就不同。但蛋白质分子中非关键部位氨基酸残基的不同，并不影响其生理功能，如不同生物的胰岛素有一级结构的微小差异，但都有降低血糖的生物功能。蛋白质的生物活性依赖其整个完整的分子，虽然只有分子中局部的活性中心直接发挥生理功能，如酶和底物、抗原抗体的结合等，但分子中其余肽段的存在，对形成具有功能的整个分子的空间结构也是重要的。

蛋白质的二级结构与蛋白质的功能有着密切的关系，如含α-螺旋多的蛋白质分子紧密，较稳定，而在多肽中就没有α-螺旋。在毛发、细菌鞭毛、精子尾部中，多股α-螺旋再由3～7股平行拧成紧密的缆绳状结构，故更坚实又富有弹性。富含β-折叠的蛋白质如丝心蛋白，柔软又有一定的强度，但缺乏延伸性，胶原纤维中π-螺旋再由3股形成超螺旋，已处于接近伸展的状态，故有强大的抗张力而又不具延伸性。

各种蛋白质在自然状态下肽链都折叠、盘曲成特定且相对稳定的三级结构，这是其功能的基础。例如能抑制蛋白水解的小分子牛胰蛋白酶抑制蛋白，亦称抗胰蛋白酶，只有折叠成三维结构才有抑制功能。若蛋白质严密、有序的空间结构遭到破坏，则其生理功能也就丧失，这是普遍的规律。球状蛋白质三级结构远比纤维状蛋白质复杂，因为其肽链不是简单地沿着一个共同的轴有规则重复地排列，而是千变万化地盘曲成多姿多态的分子构象，分子表面还有不同的凸出、凹槽裂隙等。

不同酶的底物特异性即其活性中心与底物的选择性结合，包括酶蛋白与辅酶的识别结合，不同激素与相应受体的识别结合，一切生物分子的相互识别结合，除结合部位的化学基团外，必有构象微区的镶嵌互补。

天然严密的空间结构是蛋白质功能的基础。具有四级结构的蛋白质，通过变构作用调节着它在体内的活性。蛋白质处在体内复杂多变的内环境中，各种代谢物浓度改变往往可以使一些具有四级结构的蛋白质，包括酶蛋白构象发生轻微变化，从而引起其生物活性改变，使其更有效地完成其生理功能。这种通过蛋白质构象变化而实现其调节功能的过程称为变构调节，这是蛋白质进化到四级结构后出现的一个重要性质。