一.蛋白质的三级结构
具有二级结构、超二级结构或结构域的一条多肽链，由于其序列上相隔较远的氨基酸残基侧链的相互作用，而进行范围广泛的盘曲和折叠，形成包括主、侧链在内的空间排列，这种在一条多肽链中所有原子三维空间的整体排布称为三级结构(teriary structure)。以肌红蛋白为例，该蛋白是由153个氨基酸残基构成的单链蛋白质，含有一个血红素辅基，能够进行可逆的氧合和脱氧。X射线衍射法测定了它的空间构象：a-螺旋占75%,形成A至H 8个螺旋区，两个螺旋之间有一段无规卷曲。由于侧链R基团的相互作用;多肽链盘绕、折叠成紧密的球状结构。亲水R基团大部分分布在球状分子的表面;疏水R基团位于分子内部，形成一个疏水"口袋"。血红素位于“口袋"中，它的Fe原子配位与F8组氨酸相连。
二.蛋白质的四级结构
许多有生物活性的蛋白质是由两条或多条肽链构成，具有一、二和三级结构的肽链称为亚基(subunit)。亚基与亚基之间呈特定的空间结构排布，并以非共价键连接，这种蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构(quaternary structure)。在蛋白质的四级结构中，各亚基之间靠次级键来维系。单独的亚基一般没有生物学功能，只有具有完整四级结构的蛋白质才具有生物学功能。
以血红蛋白为例，血红蛋白是由2个a亚基和2个b亚基组成的四聚体，两种亚基的三级结构颇为相似，且每个亚基都结合有1个血红素辅基。4个亚基通过8个离子键相连，形成血红蛋白的四聚体，具有运输氧和CO2的功能。每个亚基单独存在时，虽也可结合氧并与氧亲和力增强，但在体内组织中难于释放氧。