脯氨酸是一種有機酸，被歸類為蛋白質氨基酸（用于蛋白質的生物合成），盡管它不含氨基-NH2而是一種仲胺。仲胺氮在生物條件下呈質子化NH2+形式，而羧基呈去質子化-COO-形式。α碳的“側鏈”與氮相連，形成吡咯烷環，將其歸類為脂肪族氨基酸。它在人類中是非必需的，這意味著身體可以從非必需氨基酸L-谷氨酸中合成它。它由所有以CC開頭的密碼子（CCU、CCC、CCA和CCG）編碼。

脯氨酸是xxx一種作為仲胺的蛋白質仲氨基酸，因為氮原子既連接到α-碳上，也連接到一起形成五元環的三個碳鏈上。

脯氨酸是從氨基酸L-谷氨酸中生物合成的。谷氨酸-5-半醛首先由谷氨酸5-激酶（依賴于ATP）和谷氨酸-5-半醛脫氫酶（需要NADH或NADPH）形成。然后它可以自發環化形成1-吡咯啉-5-羧酸，其被吡咯啉-5-羧酸還原酶（使用NADH或NADPH）還原為脯氨酸，或通過鳥氨酸氨基轉移酶轉化為鳥氨酸，然后通過鳥氨酸環脫氨酶環化形成脯氨酸。

已發現L-脯氨酸可作為甘氨酸受體以及NMDA和非NMDA（AMPA/紅藻氨酸）離子型谷氨酸受體的弱激動劑。它被認為是一種潛在的內源性興奮毒素。在植物中，脯氨酸積累是對各種壓力的常見生理反應，但也是生殖組織（例如花粉）發育程序的一部分。

脯氨酸側鏈的獨特環狀結構使脯氨酸與其他氨基酸相比具有出色的構象剛性。它還影響脯氨酸和其他氨基酸之間的肽鍵形成速率。當脯氨酸與肽鍵中的酰胺結合時，它的氮不與任何氫結合，這意味著它不能作為氫鍵供體，但可以作為氫鍵受體。

與傳入的Pro-tRNAPro形成肽鍵的速度比任何其他tRNA慢得多，這是N-烷基氨基酸的一般特征。進入的tRNA和以脯氨酸結尾的鏈之間的肽鍵形成也很慢；脯氨酸-脯氨酸鍵的形成速度最慢。

脯氨酸的特殊構象剛性影響脯氨酸殘基附近蛋白質的二級結構，并可能解釋脯氨酸在嗜熱生物蛋白質中的較高流行率。蛋白質二級結構可以用蛋白質骨架的二面角φ、ψ和ω來描述。脯氨酸側鏈的環狀結構將角度φ鎖定在大約-65°。

脯氨酸在常規二級結構元素（如α螺旋和β折疊）中間充當結構破壞劑；然而，脯氨酸通常作為α螺旋的xxx個殘基存在，也存在于β折疊的邊緣鏈中。脯氨酸也常見于轉角（另一種二級結構）中，有助于形成β轉角。這可能解釋了脯氨酸通常暴露在溶劑中的奇怪事實，盡管它具有完全脂肪族側鏈。

連續的多個脯氨酸和/或羥脯氨酸可以產生多脯氨酸螺旋，這是膠原蛋白中的主要二級結構。通過脯氨酰羥化酶（或其他吸電子取代基如氟的添加）對脯氨酸的羥基化顯著增加了膠原蛋白的構象穩定性。因此，脯氨酸的羥基化是維持高等生物結締組織的關鍵生化過程。壞血病等嚴重疾病可能由這種羥基化的缺陷引起，例如脯氨酰羥化酶突變或缺乏必需的抗壞血酸（維生素C）輔因子。

與脯氨酸和其他N取代氨基酸（如肌氨酸）的肽鍵能夠形成順式和反式異構體。大多數肽鍵絕大多數采用反式異構體（在無應變條件下通常為99.9%），主要是因為酰胺氫（反式異構體）對前面的Cα原子的空間排斥比后面的Cα原子（順式異構體）要小。相比之下，順式和反式X-Pro肽鍵的異構體（其中X代表任何氨基酸）都經歷與相鄰取代的空間沖突，并且具有低得多的能量差。因此，在無應變條件下，順式異構體中X-Pro肽鍵的比例顯著升高，順式比例通常在3-10%的范圍內。然而，這些值取決于前面的氨基酸，Gly和芳香族殘基產生增加的順式異構體分數。已鑒定出高達40%的順式組分用于Aromatic-Pro肽鍵。

從動力學的角度來看，順-反脯氨酸異構化是一個非常緩慢的過程，它可以通過捕獲一個或多個對非天然異構體中的折疊至關重要的脯氨酸殘基來阻礙蛋白質折疊的進程，尤其是當天然蛋白質需要順式異構體時。這是因為脯氨酸殘基僅在核糖體中以反式異構體形式合成。所有生物都具有催化這種異構化的脯氨酰異構酶，一些細菌具有與核糖體相關的特殊脯氨酰異構酶。然而，并非所有脯氨酸都是折疊所必需的，盡管具有許多X-Pro肽鍵的非天然構象異構體，但蛋白質折疊可能以正常速率進行。

脯氨酸及其衍生物通常用作脯氨酸有機催化反應中的不對稱催化劑。CBS還原和脯氨酸催化的醛醇縮合是突出的例子。

在釀造過程中，富含脯氨酸的蛋白質與多酚結合產生渾濁（渾濁）。

L-脯氨酸是一種滲透保護劑，因此被用于許多制藥和生物技術應用中。

植物組織培養中使用的生長培養基可以補充脯氨酸。這可以增加生長，也許是因為它有助于植物耐受組織培養的壓力。有關脯氨酸在植物應激反應中的作用，請參閱§生物活性。

脯氨酸和甘氨酸是不符合典型拉馬錢德蘭圖的兩種氨基酸之一。由于與β碳相連的環形成，關于肽鍵的ψ角和φ角具有較少的允許旋轉度數。結果，它經常出現在蛋白質的“轉角”中，因為它的自由熵(ΔS)相對于其他氨基酸而言并不大，因此在折疊形式與未折疊形式中，熵的變化較小。此外，脯氨酸很少出現在α和β結構中，因為它會降低這種結構的穩定性，因為它的側鏈α-N只能形成一個氮鍵。

此外，脯氨酸是xxx一種在色譜中用茚三酮噴霧顯影時不會形成紅色/紫色的氨基酸。相反，脯氨酸會產生橙色/黃色。