חלבונים הם פולימרים של חומצות אמינו המקושרות יחד על ידי קשרים פפטידיים. חלבונים ופוליפפטידים משמשים לסירוגין כדי להתייחס לשרשראות ארוכות של חומצות אמינו. עם זאת, לפוליפפטידים יש משקל מולקולרי של פחות מ-10,000 דלטון, בעוד שלחלבונים יש משקל מולקולרי גדול יותר. פוליפפטידים עם פחות מ-20 חומצות אמינו נקראים אוליגופפטידים או פשוט פפטידים. אינטראקציות בין שרשראות הצד של חומצות האמינו המרכיבות את החלבונים מסייעות להן להתקפל למבנה תלת-ממדי יציב הנקרא המבנה הטבעי. המבנה הטבעי של חלבון הוא צורתו הפעילה מבחינה תפקודית.

שאריות חומצות אמינו הן אבני הבניין של חלבונים

חומצת אמינו היא מולקולה המכילה קבוצת קרבוקסיל (-COOH), קבוצת אמינו (-NH₂), שרשרת צדדית, הנקראת קבוצת R, ואטום מימן המחובר לאותו אטום פחמן או α-פחמן. התכונות הכימיות של קבוצת R קובעות את המבנה הסופי של החלבון כאשר הם מתקשרים זה עם זה ועם מולקולות מים קוטביות. לדוגמה, לחומצת האמינו הפשוטה ביותר, גליצין, יש אטום מימן יחיד כקבוצת R. חומצות אמינו אחרות נושאות קבוצות R מורכבות יותר, כך שהן עשויות למשוך או לדחות מים (הידרופיליים או הידרופוביים), לשאת מטען שלילי (חומצי) או חיובי (בסיסי), וליצור קשרי מימן (קוטביים).

הזהות של כל חומצת אמינו נקבעת גם על ידי קבוצת R הספציפית שלה. הקוד הגנטי האיקריוטי מציין רק 20 חומצות אמינו המשמשות בסינתזת חלבונים של כל חומצות האמינו הידועות. כל אחת מ-20 חומצות האמינו הללו מיוצגת באופן ייחודי על ידי קיצורים באמצעות קוד בן שלוש אותיות (למשל, Gly, Val, Pro) או קוד בן אות אחת (למשל, G, V, P).

סינתזת חלבונים היא תגובת התייבשות.

במהלך סינתזת הפוליפפטידים, נוצרים קשרים פפטידים קוולנטיים בין קבוצת האמינו (קבוצת NH₂) של חומצת אמינו אחת לבין קבוצת הקרבוקסיל (-COOH) של חומצת האמינו הסמוכה על ידי סילוק מים. סינתזת חלבונים היא תגובת התייבשות. הקשר הקוולנטי שנוצר הוא קשר פפטידי. הפוליפפטיד החדש שנוצר מורכב מקבוצת אמינו חופשית בקצה אחד, הנקראת N-terminus, ומקבוצת קרבוקסיל חופשי בקצה השני, הנקראת C-terminus. רצף חומצות האמינו נקרא תמיד מה-N-terminus ל-C-terminus.

ה- pH של המדיום שמסביב קובע את הפונקציה הכימית של חומצות אמינו.

לחומצות אמינו יש גם קבוצה בסיסית וגם קבוצה חומצית. הם יכולים, אם כן, לפעול כבסיס (מקבל יון מימן) או כחומצה (תורם יון מימן). עם זאת, התכונה הכימית שלהם תלויה ב- pH של המדיום שמסביב. ב-pH נמוך (למשל, pH 2), הן קבוצת הקרבוקסיל והן קבוצת האמינו הן פרוטונים (-NH₃, -COOH), כך שחומצת האמינו פועלת כבסיס. ב-pH בסיסי (למשל, pH 13), שתי קבוצות הקרבוקסיל והאמינו עוברות דה-פרוטונציה (-NH₂, -^COO), וחומצת האמינו תפעל כחומצה. ב-pH נייטרלי (כלומר, ברוב הסביבות הפיזיולוגיות, ~pH 7.4), קבוצת האמינו היא פרוטונית (-NH₃⁺), וקבוצת הקרבוקסיל מתפרקת (-^COO-), מה שמוליד זוויטריון, מולקולה בעלת מטען חיובי ושלילי כאחד. תכונה כימית זו של חומצות אמינו ב- pH פיזיולוגי מאפשרת להן ליצור קשרי מימן עם הסביבה המימית הסובבת אותן ובכך תורמת למבני חלבון מורכבים יותר.

חלבונים מראים מגוון עצום במבנה שלהם, בהרכבם, ומכאן בתפקודם. הם מסייעים במתן תמיכה מבנית לתא (למשל, בצורה של קולגן), מסייעים בתנועה תאית (למשל, בצורה של חלבוני אקטין ומיוזין בשרירים), מסייעים בזירוז תגובות ביולוגיות (כאנזימים), מעבירים מולקולות על פני קרום התא (כתעלות), ומגנים על בעלי חוליות מפני פולשים (כנוגדנים).