Nach der Proteinbiosynthese liegt die Polypeptidkette im Zytoplasma vor. Bevor die Polypeptidkette jedoch als Protein funktionsbereit ist, müssen sogenannte Faltstrukturen ausgebildet werden, welche dem Protein seine dreidimensionale Struktur verleihen. Viele Proteine bilden diese Faltstrukturen von ganz alleine aus. Manche Proteine benötigen aber Hilfe. Hier unterstützen spezielle Enzyme (sogenannte Chaperone) das Falten der Proteine. Um die dreidimensionale Faltstruktur zu verstehen, müssen vier „Ebenen“ betrachtet werden:

In der Primärstruktur liegt das Protein lediglich als Polypeptidkette vor. Dabei sind die Aminosäuren über Peptidbindungen verbunden. In der Primärstruktur liegt ein Protein nur direkt nach bzw. während der Translation vor oder wenn es denaturiert ist.

Innerhalb des Polypeptids bilden sich Wasserstoff­brückenbindungen aus. Diese werden regelmäßig ausgebildet und bilden dann entweder eine α-Helix- oder eine β-Faltblatt-Struktur. Ein Protein enthält meistens mehrere dieser Sekundärstrukturelemente, die miteinander verbunden sind.

Die Tertiärstruktur wird durch die Wechselwirkung der Aminosäurereste gebildet und gibt dem Protein seine charakteristische Struktur und letztlich auch Funktion. Je nach Aminosäure-Rest können verschieden starke Wechselwirkungen auftreten (z. B. Disulfidbrücken, ionische Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Kräfte). Die stärkste Wirkung auf die Proteinstruktur haben dabei die Disulfidbrücken. Mit der Tertiärstruktur wird somit ein fertiges Protein „gefaltet“, welches entweder eigenständig funktionieren kann oder zusammen mit anderen Untereinheiten einen Proteinkomplex bildet (Quartärstruktur).

Verschiedene Proteinuntereinheiten können einen Proteinkomplex bilden. Oft wird ein Protein erst dann funktionstüchtig. Ist eine Aminosäurekette durch Mutation verändert, so wird die Funktion des Proteinkomplexes gestört (z. B. Sichelzellenanämie).