肽鍵為 α-胺基酸之間的醯胺鍵（amide bond），是蛋白質一級結構的共價骨架。其化學性質和幾何約束直接影響蛋白質的構象空間和折疊路徑。
化學與熱力學
肽鍵形成為縮合反應：R₁-COOH + H₂N-R₂ → R₁-CO-NH-R₂ + H₂O。標準自由能變化 ΔG°' ≈ +10 kJ/mol，因此需要活化機制。核糖體以胺醯-tRNA 為活化底物，利用 GTP 水解（EF-Tu 和轉位步驟各消耗一個 GTP）驅動肽醯轉移反應（peptidyl transfer），催化核心為 23S rRNA 的肽醯轉移酶中心（peptidyl transferase center, PTC），屬於核酶（ribozyme）活性（Nissen et al., 2000）。
電子結構與幾何約束
肽鍵中 C-N 的部分雙鍵性質來自氮孤對電子與羰基 π 系統的共振離域（C(=O)−N ↔ C(−O⁻)=N⁺），使 C-N 鍵長為 1.33 Å（介於 C-N 1.49 Å 和 C=N 1.27 Å 之間），旋轉能障約 80 kJ/mol。肽平面（peptide plane）上的六個原子（Cᵢα、Cᵢ、Oᵢ、Nᵢ₊₁、Hᵢ₊₁、Cᵢ₊₁α）共平面，ω 角在 trans 構型為 ~180°、cis 構型為 ~0°。
Trans vs. Cis 肽鍵
反式構型因連續 Cα 側鏈間立體排斥最小而為絕對優勢（> 99.5%）。X-Pro 肽鍵中，Proline 的五元環消除了 trans 和 cis 的能量差異，使 cis-Pro 比例升至 ~6%（Weiss et al., 1998）。Peptidyl-prolyl cis-trans isomerase（PPIase，如 cyclophilin、FK506-binding protein）催化此異構化，為蛋白質折疊的速率限制步驟之一，也是免疫抑制藥物 cyclosporin A 和 FK506 的靶點。
Ramachandran 圖與構象分析
Ramachandran & Sasisekharan（1968）以硬球模型計算允許的 φ/ψ 角組合，劃定α-螺旋（φ ≈ −57°, ψ ≈ −47°）、β-摺板（φ ≈ −120°, ψ ≈ +130°）和左手螺旋（φ ≈ +60°, ψ ≈ +60°）等特徵區域。Glycine 因無側鏈而構象空間最大，Proline 因環狀約束而最受限。現代結構驗證工具（MolProbity, Chen et al., 2010）以高解析度實驗結構為基準繪製經驗 Ramachandran 圖，outlier 殘基常提示建模錯誤或特殊功能性構象。
蛋白質水解
肽鍵雖在動力學上穩定（非催化水解半衰期約 350–600 年，Radzicka & Wolfenden, 1996），蛋白酶透過多種催化策略（絲胺酸蛋白酶的催化三聯體、金屬蛋白酶的 Zn²⁺ 活化水分子、天冬胺酸蛋白酶的雙酸催化）使水解速率提升 10⁹–10¹² 倍。泛素-蛋白酶體系統（ubiquitin-proteasome system）是真核細胞中選擇性蛋白質降解的主要途徑。