Proteinlerin kimyasal sindirimi midede başlar ve ince bağırsakta tamamlanır. Sindirim süreci, amino asitleri bir arada tutan peptid bağlarının hidrolitik yoldan parçalanarak serbest amino asitlere dönüştürülmesini hedefler. Besinlerin ağızda mekanik olarak ufalanması ve yutulmasının ardından, proteinlerin mideye ulaşması gastrik mukozadan gastrin hormonu salgılanmasını uyarır. Gastrin hormonu ise parietal hücrelerden hidroklorik asit (HCl) ve seröz hücrelerden pepsinojen salınımını tetikler.
Mide sıvısının yüksek asiditesi (pH 1.5 - 3.0), besinsel proteinlerin üç boyutlu karmaşık yapılarını bozarak denatüre olmalarını sağlar. Bu denatürasyon süreci, polipeptit zincirlerini açığa çıkararak peptit bağlarını enzimatik parçalanmaya karşı daha duyarlı hale getirir. Midede inaktif pepsinojen formunda salgılanan pepsin enzimi, HCl veya aktif pepsin moleküllerinin etkisiyle aktif pepsine dönüşür. Pepsin, optimum pH 2.0 civarında çalışan bir endopeptidazdır ve özellikle aromatik amino asitler (fenilalanin, tirozin) arasındaki peptit bağlarını kopararak proteinleri daha kısa polipeptit zincirlerine ve büyük peptitlere dönüştürür.
Asidik mide içeriği (kimus) ince bağırsağa (duodenuma) geçtiğinde, kolesistokinin (CCK) ve sekretin hormonlarının salınımı uyarılır. Sekretin hormonu, pankreastan bikarbonat iyonlarının salınmasını sağlayarak bağırsak içeriğinin pH'ını 7.0 civarına yükseltir ve asidik ortamı nötralize eder. Kolesistokinin ise pankreastan inaktif zimojen formundaki proteolitik enzimlerin (tripsinojen, kimotripsinojen, proelastaz, prokarboksipeptidaz A ve B) salgılanmasını ve safra kesesinin kasılmasını sağlar.
İnce bağırsak lümeninde, duodenal epitel hücreleri tarafından salgılanan enteropeptidaz (enterokinaz) enzimi, tripsinojeni aktif tripsin formuna dönüştürür. Aktifleşen tripsin, hem kendi öncülünü hem de kimotripsin, elastaz ve karboksipeptidazların proenzimlerini aktive ederek zincirleme bir reaksiyon başlatır. Bu pankreatik enzimlerin ortak çalışmasıyla polipeptitler, oligopeptitlere ve serbest amino asitlere parçalanır. İnce bağırsak epitel hücrelerinin yüzeyinde bulunan aminopeptidazlar ve dipeptidazlar ise oligopeptitleri uç kısımlarından hidroliz ederek serbest amino asitleri, dipeptitleri ve tripeptitleri açığa çıkarır.
Sindirilen küçük peptitler ve tekil amino asitler, ince bağırsağın enterositleri tarafından ATP gerektiren aktif taşıma sistemleri aracılığıyla emilir. Enterositlerin sitozolüne giren dipeptit ve tripeptitlerin tamamı, hücre içi peptidazlar tarafından tekil amino asitlere parçalanır. Bağırsak hücrelerinden kana geçen serbest amino asitler, portal dolaşım yoluyla karaciğere taşınır ve burada vücudun dinamik amino asit havuzuna katılır.
Amino asitler, yapılarında azot barındıran amino grupları içermeleri nedeniyle karbonhidrat ve lipitlerden ayrılırlar. Vücutta amino asitlerin depolanabileceği özel bir rezerv organ veya doku bulunmaz. Bu nedenle, hücrelerin anabolik gereksinimlerinden fazla olan amino asitler hızla yıkıma uğratılır. Amino asit metabolizmasının ilk ve en kritik basamağı, amino grubunun karbondan ayrılmasıdır. Açığa çıkan amino grubu, amonyak (NH3) formuna dönüştürülür ve üre döngüsüyle vücuttan uzaklaştırılırken, geriye kalan karbon iskeleti enerji üretimi, glukoneogenez veya lipit sentezi yollarında kullanılır.
Vücuttaki proteinler sürekli bir yapım ve yıkım (protein turnover) döngüsü içerisindedir. Sağlıklı bir erginde her gün yaklaşık 250 gramdan fazla protein parçalanır ve aynı miktarda yeni protein sentezlenir. Proteinlerin yarı ömürleri işlevlerine göre değişir; düzenleyici proteinler ve enzimler dakikalar içinde yıkılırken, kollajen gibi yapısal proteinler yıllarca stabil kalabilir. Protein sentezinin yıkımı aştığı durumlar pozitif protein dengesi (büyüme, gebelik) olarak adlandırılırken, yıkımın sentezi aştığı durumlar negatif protein dengesi (açlık, travma, kanser) olarak tanımlanır.
Amino asitlerin azot grubu metabolizmasında transaminasyon ve deaminasyon reaksiyonları kilit rol oynar. Transaminasyon reaksiyonlarında, bir amino asidin amino grubu, alfa-ketoglutarat gibi bir keto asit alıcısına aktarılarak yeni bir amino asit (genellikle glutamat) ve yeni bir keto asit oluşturulur. Bu reaksiyonlar, kofaktör olarak piridoksal fosfat (PLP / Vitamin B6 türevi) kullanan aminotransferaz (transaminaz) enzimleri tarafından katalize edilir. En yaygın transaminazlar, klinik tanı değeri yüksek olan Alanin Aminotransferaz (ALT) ve Aspartat Aminotransferaz (AST) enzimleridir. Lizin, histidin ve treonin amino asitleri transaminasyon reaksiyonlarına katılamazlar.
Deaminasyon reaksiyonları ise amino grubunun doğrudan amonyak olarak serbest bırakılmasını sağlar. Karaciğer ve birçok dokuda yaygın olarak bulunan Glutamat Dehidrojenaz (GDH) enzimi, glutamatın oksidatif deaminasyonunu gerçekleştirerek alfa-ketoglutarat ve serbest amonyak oluşturur. Bu reaksiyon çift yönlüdür ve hücrenin enerji durumuna (NAD+/NADP+ seviyelerine) göre yön değiştirir. Deaminasyon süreci, transaminasyon reaksiyonları için gerekli olan alfa-ketoglutarat omurgasının yeniden kazanılmasını da sağlar.
Amonyak (NH3), amino asitlerin, nükleotitlerin (pürin ve pirimidinler), aminlerin ve bağırsak bakterilerinin üreaz aktivitesinin metabolik süreçleri sonucunda sürekli olarak üretilir. Serbest amonyak, fizyolojik pH'da amonyum iyonuna (NH4+) dönüşür; ancak sadece yüksüz olan amonyak (NH3) hücre zarlarını kolayca geçebilir. Amonyak, çok düşük konsantrasyonlarda bile merkezi sinir sistemi için son derece toksiktir ve hiperammonemi tablosuna yol açabilir. Bu nedenle, periferik dokularda üretilen amonyak, karaciğere toksik olmayan formlarda taşınmalıdır.
Amonyağın periferik dokulardan karaciğere güvenli bir şekilde taşınmasında iki ana mekanizma işler. Birincisi, iskelet kaslarında kullanılan alanin-glikoz döngüsüdür; burada amonyak transaminasyonla piruvata aktarılarak alanin oluşturulur ve alanin kanla karaciğere taşınır. İkincisi ise glutamin sentezidir; glutamat ve amonyak, ATP tüketen Glutamin Sentetaz enzimi aracılığıyla birleştirilerek toksik olmayan glutamine dönüştürülür. Glutamin, kan yoluyla karaciğere ulaştığında Glutaminaz enzimi tarafından parçalanarak glutamat ve serbest amonyak açığa çıkarır.
Karaciğere ulaşan serbest amonyak, detoksifikasyon amacıyla üre döngüsüne (ornitin döngüsü) dahil edilir. Üre döngüsü, karaciğer hücrelerinin hem mitokondri hem de sitozol bölümlerinde gerçekleşen, ATP tüketen anabolik bir yoldur. Döngünün ilk ve hız kısıtlayıcı basamağı, mitokondride amonyak ve bikarbonatın (CO2) birleştirilerek karbamoil fosfat oluşturulmasıdır. Bu reaksiyon, allosterik bir aktivatör olan N-asetilglutamat (NAG) varlığında çalışan Karbamoil Fosfat Sentetaz 1 (CPS-1) enzimi tarafından katalize edilir.
Karbamoil fosfat, ornitin ile birleşerek sitrülin oluşturur; sitrülin mitokondriden sitozole taşınır. Sitozolde, aspartatın amino grubunun katılımıyla argininosüksinat sentezlenir. Argininosüksinat, fumarat ve arginine parçalanır. Son basamakta arginin, Arginaz enzimi tarafından hidroliz edilerek üre ve ornitine dönüştürülür. Ornitin döngüyü sürdürmek üzere tekrar mitokondriye girerken, sentezlenen üre kan yoluyla böbreklere taşınır ve idrarla vücuttan atılır.
Protein sentezi (translasyon), genetik bilginin mRNA kodonları aracılığıyla okunup, amino asitlerin belirli bir sıra ile birbirine bağlanarak polipeptit zincirlerinin oluşturulması sürecidir. Bu süreç, hücrenin toplam enerji tüketiminin yaklaşık %20'sini kullanan, enerjetik açıdan oldukça yoğun bir faaliyettir; tek bir peptit bağının kurulması için yaklaşık 5 ATP/GTP eşdeğeri enerji harcanır. Protein sentezi sitozolde serbest halde bulunan veya kaba endoplazmik retikuluma bağlı olan ribozomlarda gerçekleşir.
Translasyon süreci başlatma (inisiyasyon), uzama (elongasyon) ve sonlandırma (terminasyon) olmak üzere üç ana aşamadan oluşur. Süreç, ribozomun mRNA üzerindeki başlangıç kodonunu (AUG) tanımasıyla başlar. Her tRNA molekülü, taşıdığı spesifik amino aside karşılık gelen ve mRNA kodonuyla eşleşen bir antikodon bölgesi içerir. Ribozomun büyük alt biriminde bulunan Peptidil Transferaz enzimi (bir ribozim olan rRNA), tRNA'lar tarafından taşınan bitişik amino asitler arasında kovalent peptit bağlarının kurulmasını katalize eder.
Ökaryotik ve prokaryotik canlıların protein sentez mekanizmaları arasında belirgin farklılıklar bulunur. Ökaryotlarda mRNA monosistroniktir (tek bir polipeptit kodlar), ribozomlar 80S (40S ve 60S alt birimleri) büyüklüğündedir ve sentezlenen ilk amino asit metiyonindir. Prokaryotlarda ise mRNA polisistroniktir (birden fazla polipeptit kodlar), ribozomlar 70S (30S ve 50S alt birimleri) büyüklüğündedir ve sentezlenen ilk amino asit N-formilmetiyonindir. Ayrıca ökaryotlarda transkripsiyon çekirdekte, translasyon sitoplazmada gerçekleştiği için bu iki süreç zamansal ve mekansal olarak birbirinden ayrıdır; prokaryotlarda ise eş zamanlı olarak çakışabilir.