Las transiciones alostéricas cooperativas pueden ocurrir en proteínas multiméricas, donde cada subunidad de la proteína tiene su propio sitio de unión al ligando. Cuando un ligando se une a cualquiera de estas subunidades, desencadena un cambio conformacional que afecta a los sitios de unión en las otras subunidades; Esto puede cambiar la afinidad de los otros sitios para sus respectivos ligandos. La capacidad de la proteína para cambiar la forma de su sitio de unión se atribuye a la presencia de una mezcla de segmentos flexibles y estables en la estructura, una molécula que desencadena este cambio se conoce como modulador.

A menudo se utilizan dos modelos para explicar la cooperatividad en proteínas multiméricas: el modelo concertado y el modelo secuencial. El modelo concertado, también conocido como el modelo de todo o nada, plantea la hipótesis de que todas las subunidades de una proteína multimérica cambian simultáneamente entre las conformaciones de "encendido" y "apagado". En la forma "on", los sitios de unión tienen una alta afinidad por sus respectivos ligandos, y en la forma "off", los sitios de unión tienen una baja afinidad. Cuando un ligando se une a cualquiera de las subunidades, promueve la conversión a la forma de alta afinidad, cambiando simultáneamente la conformación de todos los demás sitios de unión de la proteína. Aunque un ligando puede unirse a cualquiera de las dos formas, es más fácil que se una cuando está en la forma de alta afinidad.

El modelo secuencial asume que cada subunidad de una proteína multimérica puede existir independientemente en una conformación "on" o "off", es decir, en la forma de baja o alta afinidad, independientemente del estado de las otras subunidades. La unión de un ligando a una subunidad cambia el equilibrio entre las formas de baja y alta afinidad, de modo que es más probable que la subunidad esté en forma de alta afinidad. Además, La unión de un ligando a una subunidad cambia el equilibrio de las otras subunidades de la proteína. Esto aumenta la probabilidad de que una vez que un ligando se une, otro ligando se una a una subunidad diferente. Esta cooperatividad aumenta la sensibilidad de la proteína a la concentración del ligando. La unión de un ligando en un solo sitio puede cambiar la afinidad en toda la molécula de proteína, lo que permite una respuesta rápida a bajas concentraciones.