蛋白质的结构是相当复杂的，各种蛋白质的特殊功能与活性不仅取决于氨基酸的组成、数目和排列顺序，而且与其特定的空间结构密切相关。为了表示蛋白质不同层次的结构，常将其分为一、二、三、四级结构，其中蛋白质的一级结构又叫做蛋白质的初级结构或基本结构，二、三、四级结构又叫做蛋白质的空间结构或高级结构。
（一）蛋白质的一级结构
蛋白质的一级结构是指蛋白质分子多肽链上氨基酸残基的排列顺序。不同的蛋白质含有的氨基酸种类和数目也不相同，少的有几十个氨基酸，多的可以到几万个，而且测定工作十分艰巨，目前仅掌握了一些结构比较简单的蛋白质分子的一级结构。人胰岛素的一级结构，见图13-1。
人胰岛素是由两条肽链构成，一条是由21个氨基酸残基组成的A链，另一条是由30个氨基酸残基组成的B链。A链中一共有11种氨基酸残基；在这条肽链的右边是天冬酰胺，由于保留了自由的α-羧基，习惯上称为羧基末端，也称为C-端；左边是甘氨酸，由于其保留有自由α-氨基，因此称为氨基末端，也称为N-端。B链上一共有16种氨基酸残基，它的羧基末端是苏氨酸，氨基末端是苯丙氨酸。A链内有一条链内二硫键，A链和B链通过2条二硫键连接起来。
哺乳动物的胰岛素结构很相似，不同种属间仅有小的差异，人、牛、猪胰岛素间的差异，见表13-2。这些胰岛素在降低糖的活性方面是一致的，因此临床上治疗人类糖尿病等疾病所用的胰岛素大都是从猪、牛胰岛中提取的。
图13-1 人胰岛素分子的一级结构
表13-2 人与猪、牛胰岛素一级结构中氨基酸残基的差异
（二）肽键平面
肽键是蛋白质一级结构中的主要化学键，也是维系蛋白质分子结构的主要化学键。
现代物理学已经证实，肽键（
）中碳氮键的键长为132pm，介于碳氮单键键长（147pm）和碳氮双键键长（127pm）之间。这表明肽键中的碳氮键已经具有部分双键的性质，因此不能像其他单键那样可以自由旋转，且肽键中的C和N原子周围3个键的键角均约为120°。因此说明肽键及其相连的2个C原子均在同一个平面上，形成一个平面结构，称为肽键平面。在肽键平面上O原子与H原子呈反式排布关系。但另一方面肽键与两端的C原子所形成的C—C和C—N键，都还保留纯粹单键的性质，可以自由旋转，这样肽键平面和肽键平面之间就会形成一定的角度，从而导致蛋白质分子呈现各种不同的构象。
（三）蛋白质的空间结构
蛋白质的空间结构是指蛋白质分子中各原子围绕某些共价键的旋转而形成的空间排布相互间的关系，也称为蛋白质的构象。维系蛋白质构象稳定的主要因素是分子中多肽链上各原子间的相互作用，主要有氢键、离子键（习惯上称为盐键）、疏水键（也叫疏水作用力）、二硫键等，见图13-2。
具有一级结构的多肽链，通过Cα原子旋转使一个肽键平面中的羰基与另外一个肽键平面中亚氨基形成氢键，从而呈现不同的卷曲和折叠形状，这就构成了蛋白质的二级结构。具有二级结构的多肽链进一步在空间卷曲、折叠形成了完整的蛋白质结构。
图13-2 蛋白质空间结构中常见的一些作用力
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