以氨基酸为基本单位所构成的大分子多聚物。蛋白质是细胞原生质的重要组成成分，在生命活动中起关键作用。它决定了细胞中化学转变的类型，并在广泛范围内调节其它功能，如物质转运、机械支持、免疫防御和兴奋性，以及控制生长与分化过程。大多数蛋白质的元素组成相似，含碳50～55%，氢6～8%，氧20～23%，氮15～18%，硫0～4%。蛋白质分子具有4个结构层次，蛋白质的生理功能与分子的结构以及由此产生的变构效应密切有关。蛋白质分子的大小属于胶体质点范围，故蛋白质溶液具胶体性质。蛋白质分子能进行两性电离，介质pH值能影响其带电状况。高温、紫外线、酸、碱等物理、化学因素能改变蛋白质分子的空间结构而使之变性。

蛋白质按其构成分为两类，即完全由氨基酸构成的简单蛋白质和尚有其他成分与之结合的结合蛋白质。简单蛋白质再以物理化学性质进一步分类，结合蛋白质则以其辅基成分进一步分类（表1，表2）。

表1 简单蛋白质的分类

表2 结合蛋白质的分类

蛋白质分子计有四个结构层次。一级结构是指蛋白质的共价连接，即氨基酸顺序和二硫键位置。按X射线衍射图，肽键是刚性的并具有平面结构。肽键具部分双键的性质，组成肽的部分形成一个平面（酰胺平面）（图1）。由于O＝C和C—N等原子所处的是刚性平面，不能沿轴自由旋转，而平面两侧的C_α2—N和C—C_α1键可自由旋转，多肽链可形成特定的构象。构象就是组成原子在此结构中的三维排列，它关系着分子的生物学功能。蛋白质的构象是由氨基酸顺序决定的，使其自由能最小，从而达到结构稳定的作用。二级结构指在线性顺序中近距离氨基酸残基的空间关系，包括α螺旋、β片状折叠和回折结构等。α螺旋为多肽链有规则的卷曲结构，侧链指向螺旋的外侧。稳定α螺旋的化学力为同一肽链主链NH和CO基团之间的氢键。每个氨基酸的CO基以氢键与其第4个氨基酸的NH基相结合，因而主链的NH和CO全部参与形成氢键。每个残基与第2个残基旋转100°，并沿螺旋轴转位1.5A。α螺旋的螺距为5.4Å，每周残基数为3.6。脯氨酸、连续两个缬氨酸和异亮氨酸以及连续两个离子化侧链的残基可阻断α螺旋。α螺旋易弯曲并富弹性。蛋白质中的α螺旋为右手螺旋。α螺旋含量因蛋白质而异；肌红蛋白、血红蛋白中含量较高（图2）。另一种二级结构是β片状折叠，β片状折叠中多肽链伸展度大。相邻氨基酸的轴距为3.5。稳定β片状折叠的化学力为不同肽链的或同一肽链不同部分之间的NH和CO基团间的氢键。β片状折叠在重复出现侧链小的氨基酸时易于形成。β折叠可弯曲而无弹性。β片状折叠中相邻链的走向相同（平行β折叠）或相反（反平行β折叠）。丝蛋白是具有β折叠层结构的典型代表（图3）。回折结构为多肽链残基n的C O基团与残基n＋3的NH以氢键相连，为球蛋白中的又一种二级结构，可使多肽链发生转折。回折结构多处于蛋白质表面，可使蛋白质呈紧凑的球形。在蛋白质中二级结构常呈现有规律的排列，如α螺旋与β折叠依次出现，这类结构称超二级结构。如αβαβαβ，称为Rossman折叠。超二级结构在多数蛋白质中存在，如乳酸脱氢酶。三级结构（图4）指线性顺序中远距离氨基酸残基通过折叠形成的空间结构。维系三级结构重要的化学力有氢键、范德华力、静电引力和疏水效应。三级结构对蛋白质生理功能至为重要，如鱼线粒体细胞色素C和细菌细胞色素C在氨基酸顺序中差别达60%，但X射线衍射结果表明二者空间结构相似，因而二者功能相似。四级结构指由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质分子内亚基间的空间关系。维系四级结构重要的化学力与三级结构相同。四级结构与蛋白质生理功能关系密切，血红蛋白四级结构研究最为详尽。血红蛋白输氧的高效性是其四级结构及由此而产生的变构效应所产生的。血红蛋白α、β接触面上氨基酸残基的变化以及干扰正常变构效应的变化会导致血红蛋白分子病。另外，结构域（domain）是指蛋白质结构的紧凑球状单位。结构域常为10×10³～20×10³，大分子蛋白质的结构域之间常由多肽链易弯曲的区域相连接。结构域之间的接触面通常为酶的活性中心。

图1 肽平面图

蛋白质是大分子聚合物，分子量为6000～1000000或更大。蛋白质为两性电解质，能与酸或碱发生作用。在蛋白质分子中，可解离基主要来自侧链的基团。蛋白质分子所带电荷的性质和数量是由蛋白质分子中可解离基的种类和数目以及溶液的pH值所决定的，蛋白质分子正负电荷相等时的pH即为该蛋白质的等电点（pI）。在pH小于pI的溶液中，蛋白质分子作为阳离子向阴极移动，反之则作为阴离子向阳极移动。蛋白质的电场中泳动的现象，称为电泳。由于各蛋白质的pI不同，在一定pH值下电泳迁移率有别。电泳分析用于测定各个蛋白质的纯度以及复杂混合物的定量分析。蛋白质分子大小在胶体质点的范围内，由于蛋白质分子表面的水化层和双电层，蛋白质溶液保持稳定。蛋白质分子周围包以水分子成为溶胶，改变条件时，水分子可被蛋白质分子包围，成为凝胶。豆腐、奶酪等就是凝胶的实例。蛋白质溶液的稳定性与质点大小、电荷和水化有关。在蛋白质溶液中加入丙酮、乙醇等脱水剂以除去其水化膜，或者改变溶液的pH达到蛋白质的pI以使质点失去相同电荷，或者加入电解质以中和质点的电荷，蛋白质分子即可聚合而产生沉淀。可用这一原理分离、提纯蛋白质。利用半透膜对胶体质点的不可透性，可将蛋白溶液内低分子杂质与蛋白质分离开，从而得到较为纯净的蛋白质，此方法称为透析法。蛋白质分子受外界物理因素（如热、紫外光照射、高压）或化学因素（如有机溶液、脲、酸、碱）的影响，分子的空间结构改变或破坏，引起物理化学性质或生物学性质的改变，被称为蛋白质的变性作用。蛋白质的变性不涉及一级结构的改变。变性的深度不一，变性的可逆程度也不相同。蛋白质变性伴随有生物活性的丧失、某些侧链基团的暴露、溶解性降低、分子结构伸展、易为蛋白酶分解。利用蛋白质分子中某些氨基酸的颜色反应，可以检测蛋白质，进行蛋白质的定性、定量分析。凡具有两个或两个以上肽键结构的化合物部有双缩脲反应，在碱性溶液中能与硫酸铜反应呈红色或紫蓝色。

图2 α螺旋结构

图3 β折叠结构

图4 血红蛋白的三级结构