肽键是连接一个氨基酸的羰基碳与另一个氨基酸的氮原子的共价键。它属于酰胺键，通常表示为 –C(=O)–NH–，但其中的氮原子也可能带有额外的碳取代基。多个肽键将氨基酸残基连接成肽和蛋白质的多肽链。肽键的化学稳定性和受限的旋转对蛋白质的结构至关重要。从形式上看，由游离氨基和羧基形成肽键的过程相当于脱去一分子水。(goldbook.iupac.org)
化学特征与肽链方向
在通常的蛋白质主链中，肽键连接一个氨基酸的 α-羧基和下一个氨基酸的 α-氨基。由此形成的主链以 N–Cα–C′ 为重复单元，其中 Cα 是连接侧链的碳原子，C′ 是羰基碳。“残基”指已结合到链中的氨基酸单元，而非单独存在的游离氨基酸。肽键本身特指 C′–N 键，而不是整个羰基与氮原子组成的基团。(goldbook.iupac.org)
未经修饰的线性链具有一个氨基末端（N 端）和一个羧基末端（C 端）。序列通常按从 N 端到 C 端的方向书写，与核糖体上肽链延伸的方向一致。含有 n 个残基的线性链具有 n − 1 个主链肽键；若将其首尾连接成环，则会再增加一个肽键。肽键也可以涉及侧链基团，而非通常的 α-官能团，异肽键就是这种情况。(goldbook.iupac.org)
电子结构与平面性
氮原子的孤对电子与相邻的羰基相互作用。用共振（化学）的概念来描述，其电子结构既包含中性酰胺结构式的贡献，也包含电荷分离结构式的贡献；后者体现出更强的 C–N 双键特征。这些结构式描述的是同一种电子状态，而不是分子反复切换的不同结构。这种电子离域使绕 C′–N 键旋转需要较高的能量，并使肽基团倾向于呈近似平面构型。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
常见的平面模型包括羰基的碳原子和氧原子、氮原子及其相连的氢原子（如果存在），以及相邻的两个 α-碳原子。这是一种近似模型，而非绝对的几何规则。原子分辨率的X射线晶体学研究发现，肽基团存在可测量的非平面偏离，在某些蛋白质环境中偏离甚至相当显著。这些形变取决于局部主链构象以及折叠结构内部的相互作用。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
主链构象
绕肽键 C′–N 的二面角称为 ω。反式构型大致对应于 ω = 180°，相邻的 α-碳原子位于两侧；顺式构型大致对应于 ω = 0°，两个 α-碳原子位于同侧。肽键以反式为主。在紧邻脯氨酸之前的位置，顺式肽键相对更常见；脯氨酸的侧链与其主链氮原子形成环，但即便如此，通常仍以反式构型为主。(cdn.rcsb.org)
主链的柔性主要来自绕 N–Cα 和 Cα–C′ 键的旋转，分别用 φ 和 ψ 描述。空间位阻限制了这两个角度可采取的组合。因此，肽基团的几何特征限制了蛋白质折叠过程中可采取的构象，但并不使整条链变得刚性。羰基氧原子可以作为氢键受体，而主链上的 N–H 基团可以作为氢键供体；这些相互作用促成了α螺旋和β折叠等结构的形成。链内的脯氨酸残基缺少通常的主链 N–H 供体。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
蛋白质合成过程中的形成
在翻译（生物学）过程中，肽键在核糖体的肽酰转移酶中心形成。氨基酸首先通过氨酰-tRNA合成酶催化的反应，利用三磷酸腺苷连接到转运RNA上。这一活化过程生成氨酰-tRNA 底物，其中氨基酸与 RNA 之间通过酯键连接。(ncbi.nlm.nih.gov)
在延伸过程中，新进入的氨酰-tRNA 的氨基进攻连接于 P 位点 tRNA 上的肽链末端酯键中的羰基。正在延伸的肽链被转移到 A 位点的 tRNA 上，其 C 端增加一个残基。这是酰基转移反应，而不是两个游离氨基酸之间的直接脱水反应：水并非延伸步骤中离去的产物。催化中心主要由核糖体RNA构成，因此核糖体是一种核酶。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
水解与稳定性
通过水解断裂肽键时，水分子的组成部分分别加到键的两端，重新生成氨基和羧基。肽键在中性水溶液中具有动力学稳定性：未经催化的断裂反应需要克服较高的反应能垒。对简单模型肽在 25 °C 下进行的实验发现，其水解半衰期约为 350—600 年。这些测量值并不代表所有蛋白质中肽键的普遍寿命，因为序列、环境和反应条件都会影响反应速率。(pubs.acs.org)
蛋白酶是加速肽键水解的酶。通过将酶催化反应的速率与极其缓慢的非催化反应速率进行比较，可以评估其催化效能。因此，主链的化学稳定性并不妨碍其在催化作用下迅速断裂，也不意味着肽键在生物体内无法断裂。(pubs.acs.org)
实验室合成
实验室中的肽合成需要对官能团进行受控活化，并使其选择性地发生反应。保护基暂时封闭氨基和具有反应活性的侧链，有助于确保偶联生成预期序列。在固相肽合成中，正在延伸的肽链固定在不溶性载体上。通过反复进行脱保护、偶联和洗涤，逐步组装出肽，随后再将其从载体上释放。偶联不完全可能产生残基缺失的序列，其他副反应则可能修饰残基；因此，合成过程需要监测，并对产物进行表征。(nobelprize.org)