Transmembranski protein je beljakovina, ki se razteza po celotni dolžini celične membrane. Vgrajen je med fosfolipide in zagotavlja kanal, skozi katerega lahko molekule in ioni prehajajo v celico. Transmembranski proteini tudi olajšajo komunikacijo med celicami z interakcijo s kemičnimi prenašalci. Po aktiviranju določene transmembranske beljakovine se sprožijo številni biološki procesi, kot sta presnova glukoze in proizvodnja maščobnih kislin.
Inzulinski receptor je primer transmembranskega proteina, ki sodeluje s kemičnim prenašalcem, in sicer insulinom. Receptor deluje kot tarča na površini celice za molekulo insulina. Ko se molekula spoji z receptorjem, receptor običajno sprošča kemikalije, ki povzročijo premik transporterja glukoze na površino celice. To omogoča celici, da absorbira velike količine glukoze iz zunanjega okolja, kar vodi do presnove glukoze in sčasoma do proizvodnje energije.
Druga naloga transmembranskega proteina je prenašanje ionov, kot sta natrij in kalij, čez celično membrano, da se ohrani kemično okolje. Nekatere celice ne morejo opravljati določenih nalog, če ionski kanali ne delujejo pravilno. Pomemben primer tega so napetostno odvisni ionski kanali živčnih celic. V stanju mirovanja je ionski kanal običajno zaprt, kar preprečuje, da bi ioni prečkali membrano. Takoj, ko se zazna dražljaj, na primer urez ali opeklina, se živčni impulz pošlje z enega konca živčne celice na drugi konec. To se lahko zgodi le, če se ionski kanali odprejo in omogočijo, da ioni tečejo skozi celično membrano.
Za pravilno organizacijo celice potrebujejo tudi transmembranske beljakovine, da preučijo okolje, v katerem celica prebiva. Na primer, mišične celice se običajno organizirajo okoli drugih mišičnih celic, medtem ko se kožne celice organizirajo okoli drugih kožnih celic. Integrini so široka kategorija transmembranskih proteinov, ki opravljajo to organizacijsko funkcijo. Integrini tudi zasidrajo celice na substrate, kar olajša migracijo celic in celjenje ran. Rast, delitev in smrt celice so na splošno odvisni od signalov, ki jih prejmejo integrini.
Transmembranski protein se lahko razvrsti kot alfa spiralni ali beta sod, odvisno od tega, kako je organizirana beljakovinska veriga. Alfa spiralni proteini so sestavljeni iz ene verige, medtem ko imajo beta sodčki proteini več beljakovinskih verig, organiziranih drug ob drugem. Alfa spiralni protein je na splošno zvit, beta sodček pa je zvit v zaprto strukturo, ki spominja na sod.