מולקולה המורכבת משרשרת אחת או יותר של חומצות אמינו. סדר חומצות האמינו בחלבון מסוים נקבע על פי רצף הנוקלאוטידים בגן שמקודד לאותו חלבון והוא שקובע את קיפולו של החלבון במרחב ואת פעילותו הייחודית. לכל חלבון תפקיד ייחודי שתורם למבנה, תפקוד או בקרת פעילות התא, הרקמה והגוף.
חלבון בנוי בדרך כלל ממאות עד אלפי חומצות אמינו. בטבע מוכרות חומצות אמינו רבות, אולם בכל האורגניזמים המוכרים, החלבונים מורכבים מעשרים חומצות אמיניות בלבד, שלהן מבנה משותף. חומצות אמיניות יוצרות ביניהן קשר פפטידי. כך נוצרות שרשראות ארוכות של חומצות אמינו המכונות פוליפפטידים (Polypeptide). שרשרת פוליפפטיד אחת או יותר יוצרת חלבון.
חלבונים הם מרכיבים חיוניים בתא החי. רוב החלבונים משתייכים לשתי קבוצות עיקריות:
1. חלבונים מבניים – החלבונים המרכיבים את התא, אברוניו, וחלק ממבני הגוף, דוגמת קולגן.
2. חלבונים תפקודיים – לדוגמא נוגדנים במערכת החיסון, הורמונים המעבירים אותות בין תאים, אנזימים המשמשים לזרוז ראקציות כימיות או נשאים כמו המוגלובין (העברת חמצן בדם).
ביטוי של גן מסוים, מתוך הגנים הרבים המצויים ב-DNA, מביא ליצירת חלבון. ביטוי גן הוא תהליך מרכזי בביולוגיה המתרחש בכל תאי היצורים החיים. תהליך זה מורכב משני שלבים המכונים שלב התעתוק (Transcription) ושלב התרגום (Translation). בשלב התעתוק, המתרחש על גבי ה-DNA בתא, מול כל נוקלאוטיד של DNA מוצמד נוקלאוטיד משלים של חומצת גרעין RNA בעזרת אנזים בשם RNA פולימרז (RNA polymerase) ואנזימים נוספים. כך נוצרת בהדרגה מולקולת RNA כהעתק של קטע מהגן. בשלב התרגום, המתרחש על גבי ריבוזומים בתא, נוצרת מולקולת חלבון על סמך הקוד הגנטי שבמולקולת ה-RNA. הקוד הגנטי בנוי כך שצירוף של כל שלושה נוקלאוטידים מהווה מילה או “קודון” המייצג חומצה אמינית מסוימת. בעת התרגום מולקולה בשם tRNA עוזרת בקשירת חומצת האמינו המתאימה אל כל קודון. כך מתקבלות שרשראות של חומצות אמינו אשר מרכיבות את החלבון. לאחר שנוצר החלבון בריבוזום הוא מתקפל למבנה תלת-מימדי ייחודי והכרחי לביצוע פעולתו. הרס המבנה המרחבי הטבעי של החלבון נקרא דנטורציה, והוא פוגע בפעילות החלבון.