Les protéines ont évolué pour former des structures quaternaires et des complexes multi-unités quand des molécules plus grandes sont nécessaires à la cellule plutôt que d'avoir des chaînes d'acides aminés plus longues. La plupart des protéines tombent dans l'une des deux catégories, globulaire et fibreuse. Les protéines globulaires sont compactes et leur chaîne d'acides aminés est enroulée en forme de sphéroïde.

Leurs structures secondaires sont généralement un mélange d'hélices alpha et de feuillets bêta. La plupart des protéines intracellulaires sont globulaires et hydrosolubles, comme de nombreuses enzymes et facteurs de transcription. Dans ces structures, les acides aminés hydrophobes s'entassent étroitement au milieu de la structure sphéroïde alors que les acides aminés hydrophiles se trouvent sur la surface externe.

Les protéines globulaires interagissent entre elles dans une variété de configurations, formant différents types de structures, y compris les filaments ou les complexes multimères. Beaucoup forment des structures quaternaires, une seule unité fonctionnelle composée de plus d'une chaîne d'acides aminés. Par exemple, l'hémoglobine fonctionne comme un tétramère, composé de deux sous-unités alpha et deux sous-unités bêta.

Des structures encore plus grandes peuvent être construites quand une protéine globulaire s'associe avec une ou plusieurs protéines supplémentaires. Par exemple, un filament d'actine est formé quand de nombreux monomères d'actine globulaires se rejoignent pour créer de longs brins de protéines hélicoïdales. Contrairement aux protéines globulaires compactes, les protéines fibreuses sont souvent situées dans la matrice extracellulaire fournissent une structure, et forment des formes étendues.

Les protéines fibreuses sont généralement composées soit d'hélices alpha soit de feuillets beta, mais rarement un mélange des deux. Elles ont souvent des acides aminés hydrophobes sur leurs surfaces externes qui interagissent avec d'autres monomères pour former des structures plus grandes. Par exemple, le collagène est une protéine fibreuse composée d'une hélice alpha prolongée.

Trois hélices s'enroulent les unes autour des autres pour créer une structure appelée superhélice. Les fibrilles de collagène offrent une structure et une flexibilité dans les tissus conjonctifs. La protéine fibroïne est un exemple de protéine fibreuse composée de feuillets beta et est la protéine dans la soie, qui permet aux brins de soie d'être à la fois flexibles et résistants.