β－轉角的特定構象在一定程度上取決於構成它的氨基酸，某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸經常存在於其中，由於甘氨酸缺少側鏈（隻有一個Ｈ），在β－轉角中能很好的調整其他殘基的空間阻礙，因此是最合適的氨基酸；而脯氨酸具有換裝結構和固定的角，因此在一定程度上迫使β－轉角形成，促使多肽自身回折，而且這些回折有助於反平行β－折疊片的形成。
超二級結構是指在多肽鏈內順序上相互鄰近的二級結構常常在空間折疊中靠近，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－螺旋組合、β－折疊組合和α－螺旋β－折疊組合，其中以後者最為常見。它們可直接作為三級結構的“建築塊”或結構域的組成單位，它們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。
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疊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。蛋白質三級結構的穩定主要靠次級鍵，包括氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及範德華力等。這些次級鍵可存在於一級結構序號相隔很遠的氨基酸殘基的Ｒ基團之間，因此蛋白質的三級結構主要指氨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值、溫度、離子強度等影響，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兩個肽段聯係在一起，這對於蛋白質三級結構的穩定上起著重要作用。
具有兩條或兩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。其中，每個具有獨立三級結構的多肽鏈單位稱為亞基。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。
在一種蛋白質中，亞基結構可相同，也可不同。正常人血紅蛋白是兩個α－亞基與兩個β－亞基形成的四聚體；天冬氨酸氨甲酰基轉移酶由六個調節亞基與六個催化亞基組成。某些蛋白質分子可進一步聚合成聚合體。聚合體中的重複單位稱為單體，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……寡聚體和多聚體而存在，如胰島素在體內可形成二聚體及六聚體。
血紅蛋白的四級結構對其運氧功能有重要意義。它能從肺攜帶氧經由動脈血運送給組織，又能攜帶組織代謝所產生的二氧化碳經靜脈血運送到肺再排出體外。現已知它的這種功能與其亞基結構的兩種狀態有關，在缺氧的地方（如靜脈血中）亞基處於緊張狀態，使氧不能與血紅素結合，所以在需氧組織裏可以快速地脫下氧；在含氧豐富的肺裏，亞基結構呈鬆弛狀態，使氧極易與血紅素結合，從而迅速地將氧運走。亞基結構所具有的轉換功能使我們的呼吸可以高效能的進行。
蛋白質分子有非常特定的複雜空間結構。每一種蛋白質分子都有自己特有的氨基酸組成和排列順序，由這種氨基酸排列順序來決定它的特定的空間結構，這就是著名的Ａｎｆｉｎｓｅｎ原理。然而蛋白質分子隻有處於它自己特定的三維空間結構情況下，才能獲得它特定的生物活性，三維空間結構稍有變化，就很可能會導致蛋白質生物活性的改變。外界環境的變化可以導致蛋白質空間結構的破壞和生物活性的喪失，但卻並不破壞它的一級結構（氨基酸序列），這稱為蛋白質的變性。變性的蛋白質往往成為一條伸展的肽鏈，在一定的條件下可以重新折疊成原有的空間結構並恢複原有的活性。對蛋白質變性的認識是我國科學家吳憲在２０世紀３０年代首先提出的。
人們對由於基因突變造成蛋白質分子中僅有一個氨基酸殘基的變化就引起疾病的情況已有所了解，即所謂“分子病”，如地中海鐮刀狀紅細胞貧血症就是因為血紅蛋白分子中第六位的穀氨酸突變成了纈氨酸。現在則發現，蛋白質分子的氨基酸序列沒有改變，隻是其結構或者說構象有所改變也能引起疾病，這就是所謂的“構象病”或現在被稱為的“蛋白質折疊病”，如瘋牛病、老年癡呆症、囊性纖維病變、家族性高膽固醇症、家族性澱粉樣蛋白症，某些腫瘤、白內障等等都是“折疊病”，因此研究蛋白質的折疊已成為當今生物醫學的“熱門”課題。
蛋白質是長鏈結構的大分子，長鏈纏繞成特殊的形狀以發揮其功能。在正常狀況下，蛋白質的親水基在外部，而疏水基在內部，蛋白質就易溶於水。如果長鏈的折疊方式錯誤，使疏水基在外麵，蛋白質就不能溶解，而在細胞或組織裏形成團塊，幹擾正常生理功能，因此錯誤折疊的蛋白質對生命體是有害的。如阿爾茨海默病患者（老年癡呆症）腦部有大塊的錯誤折疊的β－澱粉樣蛋白質聚集，這些稱為寡聚物的團塊黏在神經之間相互通信的節點——神經突觸上，影響神經的功能，從而影響大腦的記憶。
蛋白質折疊碼被認為是繼發現遺傳密碼之後的第二生物密碼，這一密碼存在於什麼物質中呢？有可能在蛋白質上，也有可能在ｔＲＮＡ上，目前都沒有定論。驅動蛋白質氨基酸序列折疊形成特定三維空間結構的作用力，主要來自於氨基酸側鏈分子和水分子間的表麵張力及其電偶極間電磁力的相互作用和氨基酸側鏈分子間電偶極的電磁相互作用。