Protein tersusun atas asam amino yang memiliki atom karbon alfa, gugus amino, gugus karboksil, atom hidrogen, dan rantai samping atau gugus R. Gugus R menentukan sifat kimia, kelarutan, serta peran tiap asam amino dalam protein. Selain asam amino penyusun protein, terdapat pula asam amino nonprotein yang berperan dalam jalur metabolisme tertentu.
Asam amino dapat dikelompokkan menurut rantai sampingnya menjadi nonpolar, polar, asam, basa, aromatik, atau mengandung sulfur. Asam amino dengan gugus hidroksil mencakup serin, treonin, dan tirosin, sedangkan sistein serta metionin mengandung sulfur. Aspartat dan glutamat bersifat asam, sementara arginin, lisin, dan histidin bersifat basa.
Asam amino dihubungkan oleh ikatan peptida untuk membentuk dipeptida, tripeptida, dan polipeptida. Struktur primer protein adalah urutan asam amino, sedangkan struktur sekunder terbentuk dari pelipatan lokal rantai polipeptida. Struktur tersier membentuk susunan tiga dimensi yang fungsional, sementara struktur kuartener menggambarkan susunan beberapa subunit polipeptida.
Kolagen merupakan contoh protein struktural yang memiliki susunan heliks tripel dengan pola asam amino khas. Struktur ini membantu kolagen menjalankan fungsi penunjang pada jaringan ikat. Ubiquitin merupakan protein kecil yang dapat menandai protein lain untuk dihancurkan melalui sistem proteasom.
Asam amino nonesensial dapat dibentuk dari zat antara metabolisme. Glutamat terbentuk dari alfa-ketoglutarat, sedangkan glutamin dibentuk dari glutamat melalui penambahan nitrogen. Alanin dan aspartat dibentuk melalui reaksi transaminasi yang menghubungkan metabolisme asam amino dengan piruvat atau oksaloasetat.
Serin dibentuk dari 3-fosfogliserat, salah satu zat antara glikolisis. Glisin dapat dibentuk dari serin dan berperan dalam berbagai reaksi transfer satu karbon. Prolin, sistein, dan tirosin juga dibentuk melalui jalur yang berhubungan dengan glutamat, serin, homosistein, atau fenilalanin.
Katabolisme protein dimulai dari pemecahan protein menjadi asam amino, termasuk melalui proteasom pada protein yang telah ditandai ubiquitin. Gugus amino terutama dipindahkan melalui transaminasi untuk membentuk glutamat. Siklus glukosa-alanin membantu membawa nitrogen dari otot ke hati sekaligus mendukung pembentukan glukosa selama aktivitas atau puasa.
Nitrogen hasil katabolisme asam amino bersifat toksik jika menumpuk sebagai amonia. Di hati, nitrogen diubah menjadi urea melalui siklus urea dan kemudian dikeluarkan melalui ginjal. Kerangka karbon asam amino dapat masuk ke glikolisis, siklus asam sitrat, pembentukan glukosa, atau pembentukan badan keton sesuai jenis asam aminonya.