Protein là diễn viên chính bên trong tế bào, thực hiện các nhiệm vụ xác định bởi thông tin mã hóa trong gen.[5] Ngoại trừ đối với một số loại RNA nhất định, hầu hết các phân tử sinh học khác là những phân tử tương đối trơ với tác dụng của protein. Protein chiếm một nửa trọng lượng khô của tế bào vi khuẩn Escherichia coli, trong khi những đại phân tử khác như DNA và RNA chỉ chiếm tương ứng 3% và 20%.[27] Tập hợp các protein biểu hiện trong một tế bào cụ thể hoặc một loại tế bào được gọi là hệ protein (proteome) hay bộ protein hoàn chỉnh.

Enzyme hexokinase được minh họa theo mô hình phân tử thường gặp quả bóng và thanh nối. Để so tỷ lệ, ở góc bên phải là hai cơ chất của nó, ATP và glucose.

Đặc trưng chính của protein mà cũng làm lên các chức năng đa dạng đó là khả năng của chúng liên kết một cách đặc hiệu và chặt với các phân tử khác. Vùng protein có tính năng liên kết với các phân tử khác được gọi là vùng liên kết (binding site) và thường là những khe rãnh (depression) hoặc "túi" ("pocket") trên bề mặt phân từ. Khả năng liên kết này được thực hiện trung gian thông qua bởi cấu trúc bậc ba của protein, mà xác định vị trí túi liên kết, và bởi các tính chất hóa học của các chuỗi nhánh bên axit amino xung quanh. Liên kết protein có thể rất đặc hiệu và cực kỳ chặt; ví dụ, protein ức chế ribonuclease (ribonuclease inhibitor protein) liên kết với protein angiogenin ở người với hằng số phân ly cỡ dưới femto mol (<10−15 M) nhưng không liên kết với protein onconase tương đồng ở động vật lưỡng cư (>1 M). Những sự thay đổi hóa học rất nhỏ như thêm vào một nhóm methyl ở phân tử liên kết đôi khi đủ làm gần như loại bỏ liên kết với protein; ví dụ, aminoacyl tRNA synthetase đặc hiệu với axit amino valine lại rất phân biệt với isoleucine mặc dù có nhánh axit amino rất tương đồng.[28]

Protein có thể liên kết với các protein khác cũng như với các cơ chất tiểu phân tử (small-molecule substrate). Khi protein liên kết đặc hiệu với những bản sao khác của cùng phân tử, chúng có thể oligome hóa để tạo thành những sợi nhỏ; quá trình này thường xuất hiện ở những protein cấu trúc mà chứa những monome dạng cầu mà tự tổ chức thành những sợi vững chắc. Tương tác protein–protein cũng điều hòa các hoạt động do enzym, điều khiển xúc tiến toàn bộ chu kỳ tế bào, và cho phép lắp ghép những phức hợp protein lớn mà chúng thực hiện những phản ứng liên quan mật thiết với nhau với một chức năng sinh học chung. Protein cũng có thể liên kết với, hay thậm chí tích hợp vào màng tế bào. Khả năng liên kết với các đối tác để cảm ứng sự thay đổi hình dáng trong các protein cho phép xây dựng lên một mạng lưới tín hiệu tế bào rộng lớn và phức tạp.[29] Do tương tác giữa các protein là đảo ngược lại được, và phụ thuộc nhiều vào khả năng của các nhóm protein khác nhau để hình thành lên tổ hợp có khả năng thực hiện các chức năng riêng rẽ, lĩnh vực nghiên cứu tương tác giữa các protein đặc hiệu là chìa khóa nhằm hiểu biết những khía cạnh quan trọng của chức năng tế bào, và đi đến những tính chất giúp phân biệt giữa các loại tế bào đặc biệt.[30][31]

Bảng tóm tắt chức năng của protein và ví dụ[32][33]

Loại protein	Chức năng	Ví dụ
Cấu trúc	Cấu trúc, nâng đỡ	Collagen và elastin tạo nên cấu trúc sợi rất bền của mô liên kết, dây chằng, gân. Keratin tạo nên cấu trúc chắc của da, lông, móng. Protein tơ nhện, tơ tằm tạo nên độ bền vững của tơ nhện, vỏ kén.
Enzyme	Xúc tác sinh học: tăng tốc độ phản ứng, chọn lọc các phản ứng sinh hóa	Các enzyme thủy phân trong dạ dày phân giải thức ăn, enzyme amylase trong nước bọt phân giải tinh bột chín, enzyme pepsin phân giải protein, enzyme lipase phân giải lipid.
Hormone	Điều hòa các hoạt động sinh lý	Hormone insulin và glucagon do tế bào đảo tụy (beta cell) thuộc tuyến tụy tiết ra có tác dụng điều hòa hàm lượng đường glucose trong máu động vật có xương sống.
Vận chuyển	Vận chuyển các chất	Huyết sắc tố hemoglobin có chứa trong hồng cầu động vật có xương sống có vai trò vận chuyển oxy từ phổi theo máu đi nuôi các tế bào.
Vận động	Tham gia vào chức năng vận động của tế bào và cơ thể	Actinin, myosin có vai trò vận động cơ. Tubulin có vai trò vận động lông, roi của các sinh vật đơn bào.
Bảo vệ	Bảo vệ cơ thể chống bệnh tật	Interferon chống virus. Kháng thể chống vi khuẩn gây bệnh.
Thụ quan	Cảm nhận, truyền tín hiệu, đáp ứng các kích thích của môi trường	Thụ quan màng của tế bào thần kinh khác tiết ra (chất trung gian thần kinh) và truyền tín hiệu.
Dự trữ	Dự trữ chất dinh dưỡng	Albumin lòng trắng trứng là nguồn cung cấp axit amin cho phôi phát triển. Casein trong sữa mẹ là nguồn cung cấp axit amino cho thai nhi. Trong hạt cây có chứa nguồn protein dự trữ cần thiết cho hạt nảy mầm.

Enzyme

Vai trò được biết đến nhiều nhất của protein trong tế bào như là các enzyme, khi chúng là yếu tố xúc tác cho các phản ứng sinh hóa. Enzyme có tính đặc hiệu cao và chỉ tham gia vào một hoặc một vài phản ứng hóa học. Enzyme tham gia nhiều nhất vào các phản ứng trong trao đổi chất, cũng như tác động vào DNA trong những quá trình như nhân đôi DNA, sửa chữa DNA, và phiên mã. Một số enzyme tác động lên những protein khác để gắn thêm vào hoặc loại bỏ nhóm chức hóa học trong quá trình gọi sửa đổi sau dịch mã (post-translational modification). Có khoảng 4.000 phản ứng sinh hóa đã biết được xúc tác bởi enzyme.[34] Sự gia tăng tốc độ phản ứng nhờ xúc tác có enzym thường là rất lớn—tăng tới 1017 lần trong phản ứng mà không có xúc tác như trong trường hợp của orotate decarboxylase (xảy ra trong 78 triệu năm mà không có enzyme, 18 milli giây với enzyme).[35]

Các phân tử liên kết vào và bị tác động bởi enzyme được gọi là các cơ chất (substrate). Mặc dù enzyme có thể chứa hàng trăm axit amino, thường chỉ có một số nhỏ các nhóm dư (residues) trên nó là tham gia tiếp xúc với cơ chất, và thậm chí một số nhỏ hơn—trung bình từ 3 đến 4 nhóm dư—là tham gia trực tiếp vào xúc tác.[36] Vùng của enzyme liên kết với cơ chất và chứa nhóm dư xúc tác được gọi là vị trí hoạt động (active site).

Dirigent protein là những phần tử trong một lớp các protein chi phối hóa học lập thể (stereochemistry) của một hợp chất được tổng hợp bởi những enzyme khác.[37]

Tín hiệu tế bào và liên kết phối tử

Sơ đồ cấu trúc dải ruy băng (Ribbon diagram) của một kháng thể ở chuột chống lại vi khuẩn tả, kháng thể này liên kết với một kháng nguyên cacbohydrat (các nguyên tử hình cầu).

Nhiều protein tham gia vào các giai đoạn của quá trình truyền tín hiệu tế bào và tải nạp tín hiệu. Một số protein, như insulin, là những protein ngoại bào thực hiện truyền tín hiệu từ tế bào mà chúng được sinh tổng hợp đến những tế bào khác trong mô ở xa. Những protein khác là protein màng (membrane protein) hoạt động như là những thụ thể mà chức năng chính là liên kết với một phân tử tín hiệu và cảm ứng một đáp ứng hóa sinh bên trong tế bào. Nhiều thụ thể có vị trí liên kết nằm bên trên bề mặt tế bào và miền tác dụng nằm bên trong tế bào, mà hoạt động chức năng enzyme có thể trải qua một sự thay đổi hình dáng (conformational change) được phát hiện bởi những protein khác bên trong tế bào.[38]

Kháng thể là những thành phần protein của một hệ miễn dịch thu được (adaptive immune system) có chức năng chính là liên kết với các kháng nguyên, hoặc những cơ chất lạ bên trong tế bào của cơ thể, và nhận diện đánh dấu chúng để tiêu hủy. Kháng thể có thể tiết vào môi trường ngoại bào hoặc bám vào màng của những tế bào B chuyên biệt (B cell) gọi là tế bào plasma. Trong khi các enzyme bị giới hạn ở ái lực liên kết với các chất nền bởi tính cần thiết cho việc điều khiển phản ứng mà chúng tham gia, các kháng thể lại không bị giới hạn này. Ái lực liên kết của các kháng thể với mục tiêu của nó là cực kỳ cao.[39]

Nhiều phối tử (ligand) vận chuyển các protein gắn đặc hiệu cùng với các phân tử sinh học nhỏ và vận chuyển chúng đến những vị trí khác nhau trong cơ thể của một sinh vật đa bào. Những protein này phải có ái lực liên kết lớn khi các phối tử có mặt ở mức độ tập trung lớn, nhưng cũng giải phóng được phối tử khi sự có mặt của chúng ở mức độ thấp tại những mô đích đến. Ví dụ điển hình của protein liên kết phối tử là haemoglobin, mà vận chuyển ô xi từ phổi đến các mô và các cơ quan khác ở động vật có xương sống và có sự tương đồng gần gũi trong mọi giới sinh học.[40] Lectin là những protein liên kết với đường có chức năng đặc hiệu cao với phân tử đường của nó. Lectin đóng vai trò điển hình trong hiệu ứng nhận dạng phân tử ở tế bào và các protein.[41] Các thụ thể và hormone là những protein liên kết đặc hiệu cao.

Protein liên màng (transmembrane protein) cũng được coi như những protein chuyên chở phối tử mà làm thay đổi tính thấm của màng tế bào đối với những phân tử nhỏ và ion. Riêng ở màng có một lõi kị nước mà các phân tử phân cực hay mang điện không thể khuếch tán qua nó. Protein màng chứa các kênh bên trong cho phép các phân tử như vậy đi vào và thoát ra khỏi tế bào. Nhiều protein kênh ion là chuyên biệt cho phép chỉ một ion đặc biệt đi qua; ví dụ, các kênh kali và natri chỉ cho một loại ion tương ứng đi qua.[42]

Protein cấu trúc

Tropocollagen ba sợi xoắn.Bộ khung bên trong tế bào nhân thật chụp bởi kính hiển vi siêu phân giải: Sợi actin được đánh màu đỏ, các vi ống kết hợp bởi beta tubulin được đánh dấu màu lục, nhân tế bào màu lam.

Các protein cấu trúc đem lại tính vững trãi và sự đặc chắc cho các thành phần sinh học ngoài trạng thái lỏng khác. Hầu hết các protein cấu trúc là những protein dạng sợi; ví dụ, collagen và elastin là những thành phần quan trọng của mô liên kết như sụn, và keratin được tìm thấy trong các cấu trúc cứng hoặc có dạng sợi như lông, móng, lông vũ, móng guốc, và vỏ giáp ngoài.[43] Một số protein dạng cầu cũng đóng vai trò làm chức năng sinh học, ví dụ, sợi actin và tubulin có dạng cầu và hòa tan được khi là các monome, nhưng khi bị polyme hóa tạo thành dạng sợi dài, cứng giúp cấu thành lên bộ xương tế bào, cho phép tế bào duy trì hình dạng và kích thước của nó.

Những protein khác phục vụ chức năng cấu trúc là protein động cơ như myosin, kinesin, và dynein, mà chúng có khả năng sinh ra lực cơ học. Những protein này đặc biệt quan trọng cho sự di chuyển (motility) của tế bào ở những sinh vật đơn bào và của tinh trùng ở phần lớn sinh vật đa bào cho hoạt động sinh sản. Chúng cũng sinh ra lực đẩy làm cơ co lại[44] và đóng vai trò quan trọng ở quá trình vận chuyển bên trong tế bào.