Proteiinit eli valkuaisaineet ovat solun toiminnan kannalta keskeisiä rakennusosia. Monet proteiinit ovat entsyymejä, jotka mahdollistavat nopeat biologiset reaktiot. Lisäksi monet proteiinit toimivat rakenteen ja liikkumisen kannalta tärkeissä tehtävissä. Ihmisen elinaikana elimistössä valmistetaan satojatuhansia erilaisia proteiineja.

Proteiinit koostuvat aminohapoista. Ihmisellä proteiineissa aminohappoja on 20 erilaista, ja ne koostuvat pääasiassa hiilestä, vedystä, hapesta ja typestä. Proteiineissa aminohapot ovat kiinnittyneet toisiinsa peptidisidoksella. Tällaista aminohapoista muodostunutta ketjua kutsutaan polypeptidiksi. Proteiinissa voi olla useita tällaisia polypeptidiketjuja, jotka ovat laskostuneet niille tyypilliseen kolmiulotteiseen muotoon. Pienimmissä proteiineissa on muutamia kymmeniä aminohappoja ja suurimmissa jopa kymmeniä tuhansia. Proteiinissa olevaa aminohappoa kutsutaan aminohappotähteeksi, sillä peptidisidoksen muodostuessa aminohappojen välistä lohkeaa pois yksi vesimolekyyli.

Proteiinin rakenne voidaan luokitella neljään luokkaan. Primäärirakenteella tarkoitetaan aminohapoista muodostuvaa polypeptidiketjua. Se kuvaa, millaisia aminohappotähteitä proteiinissa on ja missä järjestyksessä. Koska aminohappoja on 20 erilaista, on erilaisia primäärirakenteita äärettömän monia. Esimerkiksi viiden aminohapon mittaisia peptidejä voi olla 20⁵=3 200 000 erilaista. Pienehkö proteiini, jossa on 100 aminohappoa voi siis koostua jopa 20¹⁰⁰ eri tavalla. (Tässä luvussa on 130 numeroa.) Proteiinin primäärirakenne on siis ainutlaatuinen ja se määrittää myös muut proteiinirakenteen tasot.

Proteiinit aminohappoketju alkaa heti muodostuessaan laskostumaan eli muodostamaan kolmiulotteista rakennetta, sillä aminohappotähteet sitoutuvat toisiinsa ja ympäröiviin molekyyleihin heikoilla sidoksilla. Sekundäärirakenteella tarkoitetaan paikallisia kolmiulotteisia rakenteita proteiinissa. Aminohappoketju muodostaa usein kierteitä (α-kierre) tai levymäisiä rakenteita (β-levy). Tämä johtuu siitä, että aminohapot muodostavat välilleen heikkoja sidoksia ja aminohappoketjut laskostuvat helpoimmin näihin rakenteisiin.

Tertiäärirakenteella tarkoitetaan lopullista proteiinin ottamaa kolmiulotteista rakennetta. Se koostuu sekundäärirakenteista, jotka ovat liittyneet toisiinsa. Kolmiulotteiseen rakenteeseen vaikuttavat esimerkiksi lukuiset heikot sidokset ja niin sanotut rikkisillat. Proteiinin primäärirakenne määrää, millaiseen rakenteeseen proteiini laskostuu. Useimmiten kaikki solun valmistamat polypeptidiketjut laskostuvat siis samankaltaiseen kolmiulotteiseen muotoon.

Monet proteiinit koostuvat useammasta kuin yhdestä polypeptidiketjusta. Tällaista usean polypeptidin muodostamaa rakennetta kutsutaan kvaternäärirakenteeksi.

Laskostumisen aikana tai sen jälkeen proteiinia voidaan muokata. Siihen voidaan liittää esimerkiksi lipidi- ja sokeriosia sekä muun muassa fosfaattia. Lipidiosia sisältäviä proteiineja kutsutaan lipoproteiineiksi. Esimerkiksi veressä kolesterolia kuljettavat HDL- ja LDL-proteiinit ovat lipoproteiineja. Sokeriosia sisältäviä proteiineja eli glykoproteiineja tavataan etenkin solukalvolla ja solun ulkopuolella.

Proteiineilla on ääretön määrä erilaisia tehtäviä. Monet proteiinit toimivat entsyymeinä eli kemiallisia reaktioita nopeuttavina biologisina katalyytteinä. Toiset proteiinit, kuten soluväliaineen kollageeni ja elastiini, ovat tärkeitä solun ja eliön rakenteen kannalta. Proteiini voi olla kiinnittynyt solukalvoon, jolloin sitä kutsutaan kalvoproteiiniksi. Kalvoproteiinit toimivat esimerkiksi viestinvälittäjinä, tunnistavat toisia soluja ja rakenteita sekä kuljettavat ravintoa. Käytännössä proteiinit osallistuvat lähes kaikkiin solun tehtäviin.