Transições alostéricas cooperativas podem ocorrer em proteínas multiméricas, onde cada subunidade da proteína tem o seu próprio local de ligação a ligandos. Quando um ligando se liga a qualquer uma dessas subunidades, ele desencadeia uma mudança conformacional que afecta os locais de ligação nas outras subunidades; isso pode alterar a afinidade dos outros locais para os seus respectivos ligandos. A capacidade da proteína de mudar a forma do seu local de ligação é atribuída à presença de uma mistura de segmentos flexíveis e estáveis na estrutura. Uma molécula que desencadeia esta alteração é conhecida como modulador.

Dois modelos são frequentemente utilizados para explicar a cooperatividade em proteínas multiméricas: o modelo concertado e o modelo sequencial. O modelo concertado, também conhecido como modelo de simetria, levanta a hipótese de que todas as subunidades de uma proteína multimérica alternam simultaneamente entre as conformações “ligada” e “desligada”. Na forma “ligada”, os locais de ligação têm uma elevada afinidade pelos seus respectivos ligandos e, na forma “desligada”, os locais de ligação têm uma baixa afinidade. Quando um ligando se liga a qualquer uma das subunidades, promove a conversão para a forma de alta afinidade, alterando simultaneamente a conformação de todos os outros locais de ligação da proteína. Embora um ligando se possa ligar a qualquer uma das formas, é mais fácil ligar-se quando na forma de alta afinidade.

O modelo sequencial pressupõe que cada subunidade de uma proteína multimérica pode existir independentemente em uma conformação “ligada” ou “desligada”, ou seja, na forma de baixa ou alta afinidade, independentemente do estado das outras subunidades. A ligação de um ligando a uma subunidade altera o equilíbrio entre as formas de baixa e alta afinidade de maneira que seja mais provável que a subunidade esteja em forma de alta afinidade. Além disso, a ligação de um ligando a uma subunidade muda o equilíbrio para as outras subunidades da proteína. Isto aumenta a probabilidade de que uma vez que um ligando é ligado, outro ligando se ligue a uma subunidade diferente. Esta cooperatividade aumenta a sensibilidade da proteína à concentração de ligandos. A ligação de um ligando a um único local pode alterar a afinidade em toda a molécula de proteína, permitindo assim uma resposta rápida a baixas concentrações.