胺基酸為蛋白質的一級結構單元，其側鏈的化學多樣性決定了蛋白質折疊、催化活性和分子辨識的物理化學基礎。
結構與立體化學
標準胺基酸共享 α-碳骨架：H₂N-CHR-COOH。α-碳為 sp³ 雜化，除 Glycine 外均為不對稱碳中心。生物系統專一性使用 L-構型（S 構型，除 Cys 為 R 因硫的優先序），此均一手性（homochirality）的起源仍為化學演化的開放問題（Blackmond, 2010）。Proline 的側鏈與主鏈氮形成五元環，限制 φ 角至約 −60°，賦予其獨特的構象剛性和 cis-peptide bond 傾向。
酸鹼化學與滴定行為
胺基酸在生理 pH 下以兩性離子（zwitterion）存在。α-胺基 pKₐ ~9.0–9.5，α-羧基 pKₐ ~2.0–2.4。可離子化側鏈的 pKₐ 決定其在蛋白質中的質子化狀態：Asp（3.65）、Glu（4.25）、His（6.00）、Cys（8.18）、Tyr（10.07）、Lys（10.53）、Arg（12.48）。Henderson-Hasselbalch 方程式 pH = pKₐ + log([A⁻]/[HA]) 描述各離子化狀態的比例。蛋白質微環境可顯著偏移側鏈 pKₐ（如溶菌酶 Glu35 pKₐ 升至 ~6.5，使其在中性 pH 下作為質子供體參與催化，Warshel et al., 2006）。
側鏈在蛋白質功能中的角色
疏水效應（hydrophobic effect）驅動非極性側鏈（Val, Leu, Ile, Phe）埋入蛋白質核心，是折疊的主要熱力學驅力（Dill, 1990）。Cys 的硫醇基形成二硫鍵（-S-S-）穩定蛋白質三級結構，在氧化環境（如內質網）中尤為重要。Ser、Thr 和 Tyr 的羥基是蛋白質激酶的磷酸化靶點，磷酸化是訊號傳遞的核心翻譯後修飾。His 的咪唑側鏈 pKₐ 接近生理 pH，常作為酶活性位點的酸鹼催化殘基（如碳酸酐酶中的 Zn²⁺ 配位 His）。
非標準胺基酸與遺傳密碼擴展
Selenocysteine（Sec, U）和 Pyrrolysine（Pyl, O）為第 21 和第 22 種基因編碼胺基酸，分別由 UGA 和 UAG 重編碼插入。合成生物學利用正交 tRNA/胺醯-tRNA 合成酶對（orthogonal pair）將非天然胺基酸（unnatural amino acids, UAA）位點特異性地引入蛋白質（Chin, 2017），用於生物正交化學（如 click chemistry 標記）和蛋白質工程。