Protein menjalankan fungsi struktural, protektif, katalitik, hormonal, transportasi, penyimpanan, dan kontraksi. Kolagen memperkuat tulang, otot, serta tendon, sedangkan keratin membentuk rambut, kuku, dan lapisan luar kulit. Antibodi dan protein pembekuan melindungi tubuh, sementara enzim mempercepat reaksi seluler. Hemoglobin mengangkut oksigen dan protein kontraktil memungkinkan pergerakan otot.
Asam amino adalah unit dasar protein yang memiliki karbon alfa, gugus amino, gugus karboksil, atom hidrogen, dan rantai samping. Rantai samping menentukan muatan, kelarutan, reaktivitas, serta posisi asam amino dalam protein. Asam amino dapat dikelompokkan menjadi alifatik, mengandung hidroksil, mengandung sulfur, asam atau amida, basa, aromatik, dan imino. Berdasarkan interaksinya dengan air, arginin, aspartat, glutamat, lisin, dan serin bersifat hidrofilik, sedangkan alanin, leusin, fenilalanin, serta valin lebih hidrofobik. Sifat tersebut memengaruhi pelipatan dan kestabilan protein.
Asam amino esensial harus diperoleh dari makanan karena tubuh tidak dapat mensintesisnya dalam jumlah memadai. Asam amino nonesensial dapat dibentuk dari zat antara metabolisme, meskipun sebagian menjadi esensial kondisional pada pertumbuhan atau penyakit. Tubuh juga memiliki asam amino nonprotein seperti ornitin, sitrulin, homosistein, dan homoserin yang berfungsi sebagai zat antara metabolik. Beberapa asam amino nonprotein bersifat toksik dan dapat mengganggu sistem saraf, tulang, atau siklus urea. Contohnya mencakup β-ODAP yang bersifat neurotoksik dan 2,4-diaminobutirat yang menghambat ornitin transkarbamilase.
Struktur primer protein adalah urutan asam amino dalam rantai polipeptida. Struktur sekunder terbentuk melalui pelipatan lokal, sedangkan struktur tersier merupakan susunan tiga dimensi keseluruhan rantai dan domainnya. Struktur kuartener menggambarkan jumlah, jenis, serta susunan beberapa subunit polipeptida. Asam amino saling terhubung melalui ikatan peptida yang terbentuk dengan pelepasan air. Jembatan disulfida antara residu sistein menambah kestabilan struktur, seperti pada kolagen dan perubahan bentuk keratin rambut.
Sintesis asam amino nonesensial memanfaatkan zat antara dari glikolisis dan siklus asam sitrat. Glutamat terbentuk dari α-ketoglutarat, sedangkan glutamin dibentuk dari glutamat melalui glutamin sintetase dengan penggunaan ATP dan amonia. Alanin dihasilkan melalui transaminasi piruvat, sementara aspartat dibentuk dari oksaloasetat. Asparagin kemudian disintesis dari aspartat dengan nitrogen yang disumbangkan oleh glutamin.
Serin disintesis dari 3-fosfogliserat melalui reaksi oksidasi, transaminasi, dan pelepasan fosfat. Glisin dapat dibentuk dari serin dengan bantuan tetrahidrofolat atau melalui metabolisme kolin, betain, sarkosin, dan dimetilglisin. Prolin berasal dari glutamat melalui glutamat semialdehida dan pirolin-5-karboksilat. Sistein dibentuk dari serin dan homosistein melalui perantara sistationin. Tirosin dihasilkan dari fenilalanin melalui reaksi hidroksilasi yang memerlukan tetrahidrobiopterin.
Asam amino dari otot, usus, otak, dan jaringan lain dipertukarkan melalui darah dalam bentuk alanin, glutamin, serta asam amino bercabang. Glutamin membawa nitrogen dengan relatif aman menuju ginjal dan usus, sedangkan alanin mengangkut nitrogen dari otot ke hati. Dalam siklus glukosa–alanin, otot mengubah piruvat menjadi alanin untuk dikirim ke hati. Hati melepaskan gugus aminonya untuk pembentukan urea dan menggunakan rangka karbonnya untuk menghasilkan glukosa. Glukosa kemudian kembali ke otot sebagai sumber energi.
Katabolisme asam amino menghasilkan amonia dan rangka karbon yang dapat memasuki siklus asam sitrat. Nitrogen toksik diubah menjadi urea melalui pembentukan karbamoil fosfat, sitrulin, argininosuksinat, arginin, dan akhirnya urea serta ornitin. Rangka karbon masuk sebagai piruvat, asetil-KoA, asetoasetil-KoA, α-ketoglutarat, suksinil-KoA, fumarat, atau oksaloasetat. Asam amino glukogenik dapat mendukung pembentukan glukosa, sedangkan asam amino ketogenik menghasilkan asetil-KoA atau badan keton. Integrasi ini memungkinkan protein menyumbang energi sekaligus mempertahankan keseimbangan nitrogen tubuh.