簡介
蛋白質結構一定數量的殘基對於發揮某一生物化學功能是必要的；40-50個殘基通常是一個功能性結構域大小的下限。蛋白質大小的範圍可以從這樣一個下限一直到數千個殘基。目前估計的蛋白質的平均長度在不同的物種中有所區別，一般約為200-380個殘基，而真核生物的蛋白質平均長度比原核生物長約55%。更大的蛋白質聚合體可以通過許多蛋白質亞基形成；如由數千個肌動蛋白分子聚合形成蛋白纖維。
歷史
1959年佩魯茨和肯德魯對血紅蛋白和肌血蛋白進行結構分析，解決了三維空間結構，獲1962年化學獎。
1962年，鮑林發現了蛋白質的基本結構，克里克、沃森在X射線衍射資料的基礎上，提出了DNA三維結構的模型。獲1962年生理或醫學獎。50年代後豪普特曼和卡爾勒建立了套用X射線分析的以直接法測定晶體結構的純數學理論，在晶體研究中具有劃時代的意義，特別在研究大分子生物物質如激素、抗生素、蛋白質及新型藥物分子結構方面趣了重要作用。他們因此獲1985年化學獎。
結構種類
蛋白質分子是由胺基酸首尾相連縮合而成的共價多肽鏈，但是天然蛋白質分子並不是走向隨機的鬆散多肽鏈。每一種天然蛋白質都有自己特有的空間結構或稱三維結構，這種三維結構通常被稱為蛋白質的構象，即蛋白質的結構。
蛋白質的分子結構可劃分為四級，以描述其不同的方面：
一級結構：組成蛋白質多肽鏈的線性胺基酸序列。
二級結構：依靠不同胺基酸之間的C=O和N-H基團間的氫鍵形成的穩定結構，主要為α螺鏇和β摺疊。
三級結構：通過多個二級結構元素在三維空間的排列所形成的一個蛋白質分子的三維結構。
四級結構：用於描述由不同多肽鏈（亞基）間相互作用形成具有功能的蛋白質複合物分子。
除了這些結構層次，蛋白質可以在多個類似結構中轉換，以行使其生物學功能。對於功能性的結構變化，這些三級或四級結構通常用化學構象進行描述，而相應的結構轉換就被稱為構象變化。
一級結構蛋白質的一級結構（primary structure）就是蛋白質多肽鏈中胺基酸殘基的排列順序（sequence），也是蛋白質最基本的結構。它是由基因上遺傳密碼的排列順序所決定的。各種胺基酸按遺傳密碼的順序，通過肽鍵連線起來，成為多肽鏈，故肽鍵是蛋白質結構中的主鍵。
迄今已有約一千種左右蛋白質的一級結構被研究確定，如胰島素，胰核糖核酸酶、胰蛋白酶等。
蛋白質的一級結構決定了蛋白質的二級、三級等高級結構，成百億的天然蛋白質各有其特殊的生物學活性，決定每一種蛋白質的生物學活性的結構特點，首先在於其肽鏈的胺基酸序列，由於組成蛋白質的20種胺基酸各具特殊的側鏈，側鏈基團的理化性質和空間排布各不相同，當它們按照不同的序列關係組合時，就可形成多種多樣的空間結構和不同生物學活性的蛋白質分子。
蛋白質分子的多肽鏈並非呈線形伸展，而是摺疊和盤曲構成特有的比較穩定的空間結構。蛋白質的生物學活性和理化性質主要決定於空間結構的完整，因此僅僅測定蛋白質分子的胺基酸組成和它們的排列順序並不能完全了解蛋白質分子的生物學活性和理化性質。例如球狀蛋白質（多見於血漿中的白蛋白、球蛋白、血紅蛋白和酶等）和纖維狀蛋白質（角蛋白、膠原蛋白、肌凝蛋白、纖維蛋白等），前者溶於水，後者不溶於水，顯而易見，此種性質不能僅用蛋白質的一級結構的胺基酸排列順序來解釋。
蛋白質的空間結構就是指蛋白質的二級、三級和四級結構。
二級結構蛋白質的二級結構（secondary structure）是指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構象，不涉及側鏈部分的構象。
1.肽鍵平面（或稱醯胺平面，amide plane）。
Pauling等人對一些簡單的肽及胺基酸的醯胺等進行了X線衍射分析，從一個肽鍵的周圍來看，得知：
（1）肽鏈中的C-N鍵長0.132nm，比相鄰的N-C單鍵（0.147nm）短，而較一般C=N雙鍵（0.128nm）長，可見，肽鍵中-C-N-鍵的性質介於單、雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質，因而不能鏇轉，這就將固定在一個平面之內。
（2） 肽鍵的C及N周圍三個鍵角之和均為360°，說明都處於一個平面上，也就是說六個原子基本上同處於一個平面，這就是肽鍵平面。肽鏈中能夠鏇轉的只有α碳原子所形成的單鍵，此單鍵的鏇轉決定兩個肽鍵平面的位置關係，於是肽鍵平面成為肽鏈盤曲摺疊的基本單位。
（3） 肽鍵中的C-N既具有雙鍵性質，就會有順反不同的立體異構，已證實處於反位。
2.蛋白質主鏈構象的結構單元
1）α－螺鏇Pauling等人對α－角蛋白（α－keratin）進行了X線衍射分析，從衍射圖中看到有0.5～0.55nm的重複單位，故推測蛋白質分子中有重複性結構，並認為這種重複性結構為α－螺鏇（α－helix）.
α－螺鏇的結構特點如下：
①多個肽鍵平面通過α－碳原子鏇轉，相互之間緊密盤曲成穩固的右手螺鏇。
②主鏈呈螺鏇上升，每3.6個胺基酸殘基上升一圈，相當於0.54nm，這與X線衍射圖符合。
③相鄰兩圈螺鏇之間借肽鍵中C=O和H桸形成許多鏈內氫健，即每一個胺基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基的C=O之間形成氫鍵，這是穩定α－螺鏇的主要鍵。
④肽鏈中胺基酸側鏈R，分布在螺鏇外側，其形狀、大小及電荷影響α－螺鏇的形成。酸性或鹼性胺基酸集中的區域，由於同電荷相斥，不利於α－螺鏇形成；較大的R（如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸）集中的區域，也妨礙α－螺鏇形成；脯氨酸因其α－碳原子位於五元環上，不易扭轉，加之它是亞胺基酸，不易形成氫鍵，故不易形成上述α－螺鏇；甘氨酸的R基為H，空間占位很小，也會影響該處螺鏇的穩定。
2）β－片層結構Astbury等人曾對β－角蛋白進行X線衍射分析，發現具有0.7nm的重複單位。如將毛髮α－角蛋白在濕熱條件下拉伸，可拉長到原長二倍，這種α－螺鏇的X線衍射圖可改變為與β－角蛋白類似的衍射圖。說明β－角蛋白中的結構和α－螺鏇拉長伸展後結構相同。兩段以上的這種摺疊成鋸齒狀的肽鏈，通過氫鍵相連而平行成片層狀的結構稱為β－片層（β－pleated sheet）結構或稱β－折迭。
β－片層結構特點是：
①是肽鏈相當伸展的結構，肽鏈平面之間摺疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110°角。胺基酸殘基的R側鏈伸出在鋸齒的上方或下方。
②依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內的兩段肽鏈間的C=O與N-H形成氫鍵，使構象穩定。
③兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的。即前者兩條鏈從“N端”到“C端”是同方向的，後者是反方向的。β－片層結構的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。
④平行的β－片層結構中，兩個殘基的間距為0.65nm；反平行的β－片層結構，則間距為0.7nm.
3）β－轉角
蛋白質分子中，肽鏈經常會出現180°的回折，在這種回折角處的構象就是β－轉角（β－turn或β－bend）。β－轉角中，第一個胺基酸殘基的C=O與第四個殘基的N-H之間形成氫鍵，從而使結構穩定。
4）無規捲曲
沒有確定規律性的部分肽鏈構象，肽鏈中肽鍵平面不規則排列，屬於鬆散的無規捲曲（random coil）。
超二級結構和結構域超二級結構（supersecondary structure）是指在多肽鏈內順序上相互鄰近的二級結構常常在空間摺疊中靠近，彼此相互作用，形成規則的二級結構聚集體。目前發現的超二級結構有三種基本形式：α螺鏇組合（αα）；β摺疊組合（βββ）和α螺鏇β摺疊組合（βαβ），其中以βαβ組合最為常見。它們可直接作為三級結構的“建築塊”或結構域的組成單位，是蛋白質構象中二級結構與三級結構之間的一個層次，故稱超二級結構。
結構域（domain）也是蛋白質構象中二級結構與三級結構之間的一個層次。在較大的蛋白質分子中，由於多肽鏈上相鄰的超二級結構緊密聯繫，形成二個或多個在空間上可以明顯區別它與蛋白質亞基結構的區別。一般每個結構域約由100-200個胺基酸殘基組成，各有獨特的空間構象，並承擔不同的生物學功能。如免疫球蛋白（IgG）由12個結構域組成，其中兩個輕鏈上各有2個，兩個重鏈上各有4個；補體結合部位與抗原結合部位處於不同的結構域。一個蛋白質分子中的幾個結構域有的相同，有的不同；而不同蛋白質分子之間肽鏈中的各結構域也可以相同。如乳酸脫氫酶、3－磷酸甘油醛脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等均屬以NAD+為輔酶的脫氫酶類，它們各自由2個不同的結構域組成，但它們與NAD+結合的結構域構象則基本相同。
三級結構蛋白質的多肽鏈在各種二級結構的基礎上再進一步盤曲或折迭形成具有一定規律的三維空間結構，稱為蛋白質的三級結構（tertiary structure）。蛋白質三級結構的穩定主要靠次級鍵，包括氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力（Van der Wasls力）等。這些次級鍵可存在於一級結構序號相隔很遠的胺基酸殘基的R基團之間，因此蛋白質的三級結構主要指胺基酸殘基的側鏈間的結合。次級鍵都是非共價鍵，易受環境中pH、溫度、離子強度等的影響，有變動的可能性。二硫鍵不屬於次級鍵，但在某些肽鏈中能使遠隔的二個肽段聯繫在一起，這對於蛋白質三級結構的穩定上起著重要作用。
現也有認為蛋白質的三級結構是指蛋白質分子主鏈摺疊盤曲形成構象的基礎上，分子中的各個側鏈所形成一定的構象。側鏈構象主要是形成微區（或稱結構域domain）。對球狀蛋白質來說，形成疏水區和親水區。親水區多在蛋白質分子表面，由很多親水側鏈組成。疏水區多在分子內部，由疏水側鏈集中構成，疏水區常形成一些“洞穴”或“口袋”，某些輔基就鑲嵌其中，成為活性部位。
具備三級結構的蛋白質從其外形上看，有的細長（長軸比短軸大10倍以上），屬於纖維狀蛋白質（fibrous protein），如絲心蛋白；有的長短軸相差不多基本上呈球形，屬於球狀蛋白質（globular protein），如血漿清蛋白、球蛋白、肌紅蛋白，球狀蛋白的疏水基多聚集在分子的內部，而親水基則多分布在分子表面，因而球狀蛋白質是親水的，更重要的是，多肽鏈經過如此盤曲後，可形成某些發揮生物學功能的特定區域，例如酶的活性中心等。
四級結構具有二條或二條以上獨立三級結構的多肽鏈組成的蛋白質，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結構稱為蛋白質的四級結構（quarternary structure）。其中，每個具有獨立三級結構的多肽鏈單位稱為亞基（subunit）。四級結構實際上是指亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局。亞基之間不含共價鍵，亞基間次級鍵的結合比二、三級結構疏鬆，因此在一定的條件下，四級結構的蛋白質可分離為其組成的亞基，而亞基本身構象仍可不變。
一種蛋白質中，亞基結構可以相同，也可不同。如菸草斑紋病毒的外殼蛋白是由2200個相同的亞基形成的多聚體；正常人血紅蛋白A是兩個α亞基與兩個β亞基形成的四聚體；天冬氨酸氨甲醯基轉移酶由六個調節亞基與六個催化亞基組成。有人將具有全套不同亞基的最小單位稱為原聚體（protomer），如一個催化亞基與一個調節亞基結合成天冬氨酸氨甲醯基轉移酶的原聚體。
某些蛋白質分子可進一步聚合成聚合體（polymer）。聚合體中的重複單位稱為單體（monomer），聚合體可按其中所含單體的數量不同而分為二聚體、三聚體……寡聚體（oligomer）和多聚體（polymer）而存在，如胰島素（insulin）在體內可形成二聚體及六聚體。
作用
構成生物體內基本物質，為生長及維持生命所必需；
部分蛋白質可作為生物催化劑，即酶和激素；
生物的免疫作用所必需的物資；
有些蛋白質會導致食物過敏。
組成
化學組成
（1）．單純蛋白質：僅含有AAs
（2）．結合蛋白質：由AAs和其他非蛋白質化合物所組成
（3）．衍生蛋白質：用化學或酶學方法得到的化合物
分子組成
基本單位：胺基酸 有不同的AAs通過肽鍵相互連線而成
蛋白質→眎→腖→多肽→二肽→多肽→胺基酸
元素組成
由碳，氫，氧，氮，硫，磷，碘，鐵，鋅等元素組成。
功能分類
（1）．結構蛋白質：角蛋白，膠原蛋白，彈性蛋白
（2）．有生物活性的蛋白質：酶，激素，免疫球蛋白
（3）．食品蛋白質：凡可供食用，易消化，無毒和可供人類利用的蛋白質
肽鍵
主條目：肽鍵兩個胺基酸通過脫水形成肽鍵 二面角φ和ψ的圖示。其中黃色部分顯示的是肽平面，而R1和R2分別表示左右兩個殘基的側鏈。
兩個胺基酸可以通過縮合反應結合在一起，並在兩個胺基酸之間形成肽鍵。而不斷地重複這一反應就可以形成一條很長的殘基鏈（即多肽鏈）。這一反應是由核糖體在翻譯進程中所催化的。肽鍵雖然是單鍵，但具有部分的雙鍵性質（由C=O雙鍵中的π電子云與N原子上的未共用電子對發生共振導致），因此C-N鍵（即肽鍵）不能鏇轉，從而連線在肽鍵兩端的基團處於一個平面上，這一平面就被稱為肽平面。而對應的肽二面角φ（肽平面繞N-Cα鍵的鏇轉角）和ψ（肽平面繞Cα-C1鍵的鏇轉角）有一定的取值範圍；一旦所有殘基的二面角確定下來，蛋白質的主鏈構象也就隨之確定。根據每個殘基的φ和ψ來做圖，就可以得到Ramachandran圖，由於形成同一類二級結構的殘基的二面角的值都限定在一定範圍內，因此在Ramachandran圖上就可以大致分辨殘基參與形成哪一類二級結構。下表列出了肽鍵與對應類型單鍵以及氫鍵鍵長的比較。
| 肽鍵 | 平均長度 | 單鍵 | 平均長度 | 氫鍵 | 平均長度（±30） |
| Cα - C | 153pm | C - C | 154 pm | O-H --- O-H | 280 pm |
| C - N | 133 pm | C - N | 148 pm | N-H --- O=C | 290 pm |
| N - Ca | 146 pm | C - O | 143 pm | O-H --- O=C | 280 pm |
三級結構
二級結構元素通常被摺疊為一個緊密形態，元素之間以各種類型的loop和轉角相連。三級結構的形成驅動力通常是疏水殘基的包埋，但其他相互作用，如氫鍵、離子鍵和二硫鍵等同樣也可以穩定三級結構。三級結構包括所有的非共價相互作用（不包括二級結構），並定義了蛋白質的整體摺疊，對於蛋白質功能來說是至關重要的。
四級結構
四級結構是由兩個或多個多肽鏈通過相互作用形成的結構。其中，單獨的一條鏈就被稱為亞基。亞基之間不一定要共價連線，但有一些亞基之間是通過二硫鍵來連線的。不是所有的蛋白質都有四級結構，許多蛋白可以以單體形式來發揮功能。四級結構的穩定性與三級結構處於同一水平。兩個或多個亞基形成的複合物統稱為多聚體（multimer），如果是兩個亞基則稱二聚體或二體（dimer），三個亞基稱三聚體或三體（trimer），以此類推。如果多聚體為相同的亞基組成，則加上“同源（homo-）”作為前綴，反之則用“異源（hetero-）”，如同源二聚體或異源三聚體。
植物中的RuBisCo（1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶）複合物（左）和細菌中的RuBisCo複合物（右）四級結構的比較。前者由12個亞基組成，後者則為2個。
側鏈構象
賴氨酸側鏈上的碳原子的命名
殘基側鏈上的原子根據希臘字母表的順序（α、β、γ、δ、ε等）來命名，如Cα指的是對應殘基上最接近羰基的碳原子，而Cβ則是次接近的。Cα通常被認為是主鏈骨架的組成原子。這些原子之間的鍵對應的二面角則相應以χ1、χ2、χ3等來命名，如賴氨酸側鏈上第一、二個碳原子（即Cα和Cβ）之間共價鍵的二面角為χ1。側鏈可以有多種不同的構象，每一種類型的殘基都有幾種比較穩定的側鏈構象。
蛋白質摺疊
蛋白質摺疊前後從一級結構到更高級結構的過程就被稱為蛋白質摺疊。一個序列特定的多肽鏈（摺疊之前的蛋白質一般都被稱為多肽鏈）一般摺疊為一種特定構象（又稱為天然構象）；但有時可以摺疊為一種以上的構象，且這些不同構象具有不同的生物學活性。在真核細胞內，許多蛋白質的正確摺疊需要分子伴侶的幫助。
結構分類
對蛋白質結構進行分類的方法有多種，有多個結構資料庫（包括SCOP、CATH和FSSP）分別採用不同的方法進行結構分類。存放蛋白質結構的PDB資料庫中就引用了SCOP的分類。對於大多數已分類的蛋白質結構來說，SCOP、CATH和FSSP的分類是相同的，但在一些結構中還有所區別。
結構預測
測定蛋白質序列比測定蛋白質結構容易得多，而蛋白質結構可以給出比序列多得多的關於其功能機制的信息。因此，許多方法被用於從序列預測結構。
二級結構預測
三級結構預測
四級結構預測：主要是預測蛋白質-蛋白質之間的相互作用方式。
