Đồng hóa protein hay tổng hợp protein là quá trình protein được hình thành từ các axit amin. Nó bao gồm năm quá trình: tổng hợp axit amin, phiên mã, dịch mã, sửa đổi sau dịch mã và cuộn protein. Protein được tạo ra từ các axit amin. Ở người, một số axit amin có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng các chất trung gian đã có sẵn. Các axit amin này được gọi là axit amin không thiết yếu. Các axit amin thiết yếu muốn tổng hợp cần các chất trung gian không có trong cơ thể con người. Các chất trung gian này phải được bổ sung từ các loại thực phẩm. Như vậy, muốn tổng hợp được protein, cơ thể phải trải qua lần lượt các bước tổng hợp axit amin và tổng hợp polypeptide sau đó.
Trong phiên mã, RNA polymerase “đọc” một sợi DNA và tạo ra một sợi mRNA có thể được dịch mã thêm. Để bắt đầu phiên mã, đoạn DNA được phiên mã phải có thể tiếp cận được (tức là không ở trạng thái cuộn chặt). Khi có thể tiếp cận được đoạn DNA, RNA polymerase có thể bắt đầu phiên mã sợi DNA mã hóa bằng cách ghép nối các nucleotide RNA với sợi DNA khuôn mẫu. Trong giai đoạn phiên mã ban đầu, RNA polymerase tìm kiếm vùng promoter trên sợi khuôn DNA. Khi RNA polymerase liên kết với vùng này, nó bắt đầu “đọc” sợi DNA khuôn mẫu theo hướng 3 ’đến 5’. RNA polymerase gắn các gốc RNA bổ sung vào sợi DNA khuôn mẫu (Uracil sẽ được sử dụng thay cho Thymine). Các nucleotide mới được liên kết cộng hóa trị với nhau. Sợi mRNA này được tổng hợp theo chiều 5 ’đến 3’. Khi RNA đạt đến trình tự kết thúc, nó sẽ tách ra khỏi chuỗi khuôn mẫu DNA và kết thúc chuỗi mRNA. Phiên mã được điều hòa trong tế bào thông qua các nhân tố phiên mã. Yếu tố phiên mã là các protein liên kết với các trình tự điều hòa trong sợi DNA như vùng promoter hoặc vùng điều hành. Các protein liên kết với các vùng này có thể trực tiếp dừng lại hoặc cho phép RNA polymerase đọc sợi DNA hoặc có thể báo hiệu cho các protein khác dừng lại hoặc cho phép đọc RNA polymerase.
Trong quá trình dịch mã, ribosome chuyển đổi trình tự mRNA (RNA thông tin) thành trình tự axit amin. Sau khi bắt đầu dịch mã, ribosome bước vào giai đoạn kéo dài theo chu kỳ lặp đi lặp lại.
Khi quá trình dịch mã kết thúc, cơ thể sẽ có bước tự sửa chữa hay điều chỉnh. Một khi chuỗi peptit được tổng hợp, nó vẫn phải được sửa đổi. Các biến đổi sau dịch mã có thể xảy ra trước hoặc sau khi gấp protein. Các phản ứng sinh học phổ biến để điều chỉnh chuỗi peptit sau khi dịch mã bao gồm quá trình methyl hóa, phosphoryl hóa và hình thành liên kết disulfide. Quá trình methyl hóa thường xảy ra đối với arginin hoặc lysin và liên quan đến việc thêm nhóm metyl vào nitơ (thay thế hydro). Các nhóm R trên các axit amin này có thể được methyl hóa nhiều lần miễn là liên kết với nitơ không vượt quá 4. Sự methyl hóa làm giảm khả năng tạo liên kết hydro của các axit amin này nên arginin và lysin bị metyl hóa có các đặc tính khác với các chất chuẩn của chúng. . Quá trình phosphoryl hóa thường xảy ra đối với serine, threonine và tyrosine và liên quan đến việc thay thế hydro trên nhóm rượu ở đầu cuối của nhóm R bằng một nhóm phosphate. Điều này làm tăng thêm điện tích âm trên các nhóm R và do đó sẽ thay đổi cách các axit amin hoạt động. Sự hình thành liên kết disulfide là việc tạo ra các cầu nối disulfide (liên kết cộng hóa trị) giữa hai axit amin cysteine trong một chuỗi làm tăng thêm độ ổn định cho cấu trúc gấp khúc.
Chuỗi polipeptit trong tế bào không nhất thiết phải tuyến tính; nó có thể trở nên phân nhánh hoặc tự cuộn lại. Các chuỗi polipeptit cuộn theo một cách cụ thể tùy thuộc vào dung dịch chứa chúng. Thực tế là tất cả các axit amin chứa các nhóm R với các đặc tính khác nhau là lý do chính khiến protein gấp lại. Trong môi trường ưa nước như cytosol, các axit amin kỵ nước sẽ tập trung ở lõi của protein, trong khi các axit amin ưa nước sẽ ở bên ngoài. Điều này là thuận lợi về mặt entropi vì các phân tử nước có thể di chuyển tự do xung quanh các axit amin ưa nước hơn nhiều so với các axit amin kỵ nước. Trong môi trường kỵ nước, các axit amin ưa nước sẽ tập trung ở lõi của protein, còn các axit amin kỵ nước sẽ ở bên ngoài. Vì tương tác mới giữa các axit amin ưa nước mạnh hơn tương tác kỵ nước-ưa nước, điều này là thuận lợi về mặt entanpi.
Khi một chuỗi polipeptit được cuộn lại hoàn toàn, protein cuối cùng được tổng hợp. Thường thì nhiều tiểu đơn vị sẽ kết hợp để tạo ra một protein đầy đủ chức năng, mặc dù các protein sinh lý thực sự tồn tại chỉ chứa một chuỗi polypeptide. Protein cũng có thể kết hợp với các phân tử khác như nhóm heme trong hemoglobin, một loại protein chịu trách nhiệm vận chuyển oxy trong máu.
