Transmembrānas proteīns ir proteīns, kas aptver visu šūnas membrānas garumu. Tas ir iestrādāts starp fosfolipīdiem, nodrošinot kanālu, caur kuru molekulas un joni var nokļūt šūnā. Transmembrānas proteīni arī atvieglo saziņu starp šūnām, mijiedarbojoties ar ķīmiskajiem kurjeriem. Daudzi bioloģiskie procesi, piemēram, glikozes metabolisms un taukskābju ražošana, tiek aktivizēti pēc noteikta transmembrānas proteīna aktivizēšanas.
Insulīna receptors ir transmembrānas proteīna piemērs, kas mijiedarbojas ar ķīmisko vēstnesi, proti, insulīnu. Receptors darbojas kā insulīna molekulas mērķis uz šūnas virsmas. Pēc tam, kad molekula ir savienota ar receptoru, receptors parasti izdala ķīmiskas vielas, kas izraisa glikozes transportētāja kustību uz šūnas virsmu. Tas ļauj šūnai absorbēt lielu daudzumu glikozes no ārējās vides, izraisot glikozes metabolismu un galu galā enerģijas ražošanu.
Vēl viens transmembrānas proteīna uzdevums ir pārvietot jonus, piemēram, nātriju un kāliju, pa šūnu membrānu, lai uzturētu ķīmisko vidi. Dažas šūnas nevar veikt konkrētus uzdevumus, ja jonu kanāli nedarbojas pareizi. Svarīgs piemērs tam ir nervu šūnu jonu kanāli, kas saistīti ar spriegumu. Atpūtas stāvoklī jonu kanāls parasti ir aizvērts, neļaujot joniem šķērsot membrānu. Tiklīdz tiek konstatēts stimuls, piemēram, griezums vai apdegums, nervu impulss tiek nosūtīts no viena nervu šūnas gala uz otru galu. Tas var notikt tikai tad, ja jonu kanāli atveras un ļauj joniem plūst cauri šūnas membrānai.
Lai pareizi organizētos, šūnām ir nepieciešami arī transmembrānas proteīni, lai pārbaudītu vidi, kurā atrodas šūna. Piemēram, muskuļu šūnas parasti organizējas ap citām muskuļu šūnām, savukārt ādas šūnas organizējas ap citām ādas šūnām. Integrīni ir plaša transmembrānu proteīnu kategorija, kas veic šo organizēšanas funkciju. Integrīni arī noenkuro šūnas pie substrātiem, atvieglojot šūnu migrāciju un brūču dzīšanu. Šūnu augšana, dalīšanās un nāve parasti ir atkarīga no signāliem, ko saņem integrīni.
Transmembrānu proteīnu var klasificēt kā alfa spirālveida vai beta mucu atkarībā no tā, kā tiek organizēta olbaltumvielu ķēde. Alfa spirālveida proteīni sastāv no vienas ķēdes, savukārt beta mucas proteīniem ir vairākas proteīnu ķēdes, kas sakārtotas blakus. Alfa spirālveida proteīns parasti ir satīts, un beta mucas proteīns ir savīti slēgtā struktūrā, kas atgādina mucu.