Cấu trúc hóa học của liên kết peptide (bên dưới) và cấu trúc ba chiều của một liên kết peptide giữa alanine với một axit amin bên cạnh (bên trên)Cấu trúc mesome của liên kết peptide kết nối từng axit amin để tạo thành polyme protein.

Hầu hết protein chứa polyme mạch thẳng cấu thành từ tập hợp 20 L-α-axit amin khác nhau. Mọi axit amin cấu tạo nên protein có những đặc điểm cấu trúc giống nhau, bao gồm α-cacbon mà tại đó một nhóm amin, một nhóm cacboxyl, và nhiều nhóm bên (side chain) khác nhau được liên kết vào. Chỉ có proline khác với cấu trúc cơ bản này khi nó chứa một vòng tại điểm N-kết thúc của nhóm amin, buộc nửa nhóm CO–NH có hình dáng cố định là một mặt phẳng.[1] Nhóm bên của các axit amin cơ sở, có tính chất và cấu trúc hóa học đa dạng; các hiệu ứng kết hợp tổng thể của mọi nhóm bên axit amin trong protein xác định lên cấu trúc 3 chiều và đặc tính phản ứng hóa học của protein.[2]Axit amin trong một chuỗi polypeptide được liên kết với nhau bằng liên kết peptide. Khi được liên kết trong chuỗi protein, từng axit amin được gọi là phần thừa (hay phần dư, residue), và cấu trúc liên kết một loạt các nguyên tử cacbon, nitơ, và ôxy được gọi là mạch chính hay bộ khung protein.[3]

Liên kết peptide có hai dạng cộng hưởng (resonance, hay cấu trúc mesome) đóng góp bởi đặc trưng liên kết đôi và sự ngăn cấm quay xung quanh trục của nó, do vậy cacbon alpha là những nguyên tử đồng phẳng. Hai góc nhị diện khác trong liên kết peptide xác định hình dạng cục bộ đảm nhiệm bởi khung xương protein.[4] Điểm kết thúc của protein với một nhóm cacboxyl tự do được gọi là C-kết thúc hoặc kết thúc cacboxy, trong khi điểm kết thúc với một nhóm amin tự do được gọi là N-kết thúc hoặc kết thúc amin.Giữa các từ protein, polypeptide, và peptide có một chút khó hiểu và có thể mang ý nghĩa chồng lặp. Protein nói chung được sử dụng để nhắc đến những phân tử sinh học hoàn thiện trong cấu hình ổn định, trong khi peptide thường chỉ một oligome axit amin ngắn mà không có cấu trúc ba chiều ổn định. Tuy vậy, biên giới giữa hai định nghĩa này thường không xác định rõ ràng và thường nằm giữa khoảng 20–30 phần dư.[5] Polypeptide nhắc tới bất kỳ một mạch thẳng nào của axit amin, bất kể chiều dài, và thường hàm ý sự vắng mặt của một cấu hình xác định.

Sự xuất hiện trong tế bào

Các nhà sinh học ước tính một vi khuẩn kích thước trung bình chứa khoảng 2 triệu protein trong một tế bào của nó (ví dụ E. coli và Staphylococcus aureus). Vi khuẩn nhỏ hơn, như Mycoplasma hay spirochetes chứa ít phân tử hơn, vào cỡ 50.000 đến 1 triệu phân tử protein. Ngược lại, các tế bào nhân thực có kích thước lớn hơn và do vậy chứa nhiều protein hơn. Ví dụ, tế bào nấm men ước tính có khoảng 50 triệu protein và tế bào người có từ 1 đến 3 tỷ protein. Bộ gen của vi khuẩn mã hóa ít hơn 10 lần so với của người cho các protein (ví dụ vi khuẩn nhỏ ~1.000, E. coli: ~4.000, nấm men: ~6.000, loài người: ~20.000).[6]

Mức độ tập trung của từng protein có từ một vài phân tử trong một tế bào đến hàng trăm nghìn, và khoảng một phần ba tổng số protein không được sản sinh ra trong tế bào hay chỉ sinh ra trong những điều kiện nhất định. Ví dụ, trong số 20.000 protein được mã hóa bởi bộ gen ở loài người chỉ có 6.000 được phát hiện trong nguyên bào lympho.[7] Hơn nữa, số lượng protein mà bộ gen mã hóa có mối tương quan với cấu trúc phức tạp của cơ thể vật chủ. Sinh vật nhân thật, vi khuẩn, vi khuẩn cổ và vi rút tương ứng có trung bình 15145, 3200, 2358 và 42 protein được mã hóa trong bộ gen của chúng.[8]