البروتينات عبارة عن سلاسل من الأحماض الأمينية. هناك عشرون حمضًا أمينيًا أساسيًا تستخدمها الخلايا لبناء البروتينات. يحتوي كل حمض أميني على ذرة كربون مركزية، تُسمى ذرة الكربون ألفا، مرتبطة بمجموعة أمينية، ومجموعة كربوكسيل، وذرة هيدروجين، وسلسلة جانبية تُسمى المجموعة R. تُعدّ المجموعة R هي ما يُميّز كل حمض أميني عن الآخر. قد تكون بسيطة كذرة هيدروجين، كما في الجليسين، أو معقدة كحلقة إندول، كما في التربتوفان.

ترتبط الأحماض الأمينية معًا بروابط ببتيدية. تتفاعل مجموعة الكربوكسيل في أحد الأحماض الأمينية مع مجموعة الأمين في حمض أميني آخر، مُطلقةً جزيء ماء ومُكَوِّنةً رابطة. السلسلة الناتجة هي عديد الببتيد. يُحدد تسلسل الأحماض الأمينية كيفية طي البروتين، ويُحدد شكل الطي وظيفته. قد يُسبب وجود حمض أميني خاطئ واحد مرضًا. ينتج فقر الدم المنجلي عن استبدال حمض الجلوتاميك بحمض الفالين في الهيموجلوبين.

تسعة من الأحماض الأمينية العشرين الأساسية ضرورية، أي أن الجسم لا يستطيع إنتاجها ويجب الحصول عليها من الطعام. أما البقية فهي غير أساسية، أي أن الجسم قادر على تصنيعها. تحتوي البروتينات الكاملة، الموجودة في اللحوم والبيض ومنتجات الألبان، على جميع الأحماض الأمينية الأساسية التسعة. غالبًا ما تفتقر البروتينات النباتية إلى واحد أو أكثر منها، ولهذا السبب يوفر الجمع بين أطعمة مثل الأرز والفاصوليا تركيبة بروتينية كاملة.

تُستخدم الأحماض الأمينية أيضًا كمكملات غذائية، ومحسنات للنكهة، ومواد أولية للناقلات العصبية. يُعد الغلوتامات ناقلًا عصبيًا مُحفزًا ومصدرًا لنكهة الأومامي. أما التربتوفان فهو مادة أولية للسيروتونين. بينما يُعد الجليسين ناقلًا عصبيًا مُهدئًا.