Proteiner er kæder af aminosyrer. Der er 20 standardaminosyrer, som celler bruger til at opbygge proteiner. Hver har et centralt kulstofatom, kaldet alfa-kulstofatomet, bundet til en aminogruppe, en carboxylgruppe, et hydrogenatom og en sidekæde kaldet R-gruppen. R-gruppen er det, der gør hver aminosyre forskellig. Den kan være så simpel som et hydrogenatom, som i glycin, eller så kompleks som en indolring, som i tryptofan.

Aminosyrer bindes sammen via peptidbindinger. Carboxylgruppen i én aminosyre reagerer med aminogruppen i en anden, frigiver vand og danner en binding. Den resulterende kæde er et polypeptid. Aminosyrernes rækkefølge bestemmer, hvordan proteinet folder, og den foldede form bestemmer dets funktion. En enkelt forkert aminosyre kan forårsage sygdom. Seglcelleanæmi skyldes en enkelt substitution af valin med glutaminsyre i hæmoglobin.

Ni af de 20 standardaminosyrer er essentielle, hvilket betyder, at mennesker ikke kan danne dem og skal få dem fra mad. De andre er ikke-essentielle, hvilket betyder, at kroppen kan syntetisere dem. Komplette proteiner, der findes i kød, æg og mejeriprodukter, indeholder alle ni essentielle aminosyrer. Planteproteiner mangler ofte en eller flere, hvilket er grunden til, at en kombination af fødevarer som ris og bønner giver en komplet proteinprofil.

Aminosyrer bruges også som kosttilskud, smagsforstærkere og forstadier til neurotransmittere. Glutamat er en excitatorisk neurotransmitter og kilden til umami-smag. Tryptofan er en forstadie til serotonin. Glycin er en beroligende neurotransmitter.