Les protéines assurent les fonctions cellulaires. Elles catalysent des réactions, transportent des molécules, confèrent une structure à la cellule, transmettent des signaux et la défendent contre les infections. Ce sont de grosses molécules composées d'acides aminés liés entre eux. La séquence d'acides aminés détermine le repliement de la chaîne, et cette conformation détermine la fonction. Le génome humain contient environ 20 000 gènes codant des protéines, mais bien plus de protéines sont produites grâce à l'épissage alternatif et aux modifications post-traductionnelles.

Les protéines possèdent quatre niveaux de structure. La structure primaire correspond à la séquence d'acides aminés. La structure secondaire est constituée des repliements locaux en hélices alpha et en feuillets bêta. La structure tertiaire correspond à la forme tridimensionnelle globale d'un polypeptide. La structure quaternaire correspond à l'assemblage de plusieurs polypeptides en un complexe. La forme est stabilisée par des liaisons hydrogène, des ponts disulfure, des interactions hydrophobes et des liaisons ioniques.

Les protéines sont étudiées en protéomique, l'analyse à grande échelle de l'expression, des modifications et des interactions protéiques. Elles sont produites industriellement à des fins thérapeutiques, comme l'insuline et les anticorps monoclonaux. Elles sont modifiées génétiquement pour améliorer leur stabilité et leur activité. Elles sont la cible de médicaments qui bloquent ou potentialisent leur fonction.

Le mauvais repliement des protéines est à l'origine de maladies comme Alzheimer, Parkinson et la mucoviscidose. Comprendre comment les protéines se replient et fonctionnent représente l'un des grands défis de la biologie.