Ein Transmembranprotein ist ein Protein, das sich über die gesamte Länge der Zellmembran erstreckt. Es ist zwischen den Phospholipiden eingebettet und bildet einen Kanal, durch den Moleküle und Ionen in die Zelle gelangen können. Transmembranproteine erleichtern auch die Kommunikation zwischen Zellen, indem sie mit chemischen Botenstoffen interagieren. Viele biologische Prozesse, wie der Glukosestoffwechsel und die Produktion von Fettsäuren, werden durch die Aktivierung eines bestimmten Transmembranproteins ausgelöst.
Der Insulinrezeptor ist ein Beispiel für ein Transmembranprotein, das mit einem chemischen Botenstoff, nämlich Insulin, interagiert. Der Rezeptor fungiert auf der Zelloberfläche als Ziel für das Insulinmolekül. Nachdem das Molekül an den Rezeptor andockt, setzt der Rezeptor typischerweise Chemikalien frei, die die Bewegung eines Glukosetransporters an die Zelloberfläche bewirken. Dadurch kann die Zelle große Mengen an Glukose aus der äußeren Umgebung aufnehmen, was zum Glukosestoffwechsel und schließlich zur Energieproduktion führt.
Eine weitere Aufgabe des Transmembranproteins besteht darin, Ionen wie Natrium und Kalium durch die Zellmembran zu transportieren, um die chemische Umgebung aufrechtzuerhalten. Einige Zellen können bestimmte Aufgaben nicht ausführen, wenn die Ionenkanäle nicht richtig funktionieren. Ein wichtiges Beispiel hierfür sind die spannungsgesteuerten Ionenkanäle von Nervenzellen. Im Ruhezustand ist der Ionenkanal typischerweise geschlossen, wodurch verhindert wird, dass Ionen die Membran passieren. Sobald ein Reiz erkannt wird, beispielsweise eine Schnittwunde oder Verbrennung, wird ein Nervenimpuls von einem Ende der Nervenzelle zum anderen Ende gesendet. Dies kann nur geschehen, wenn sich die Ionenkanäle öffnen und die Ionen durch die Zellmembran fließen lassen.
Um sich richtig zu organisieren, benötigen Zellen auch Transmembranproteine, um die Umgebung zu untersuchen, in der sich die Zelle befindet. Zum Beispiel organisieren sich Muskelzellen im Allgemeinen um andere Muskelzellen, während sich Hautzellen um andere Hautzellen herum organisieren. Integrine sind eine breite Kategorie von Transmembranproteinen, die diese organisierende Funktion erfüllen. Integrine verankern auch Zellen an Substraten und erleichtern so die Zellmigration und Wundheilung. Wachstum, Teilung und Tod einer Zelle hängen im Allgemeinen von den von Integrinen empfangenen Signalen ab.
Ein Transmembranprotein kann als Alpha-Helix- oder Beta-Barrel klassifiziert werden, je nachdem, wie die Proteinkette organisiert ist. Alpha-Helix-Proteine bestehen aus einer einzigen Kette, während die Beta-Barrel-Proteine mehrere Proteinketten nebeneinander haben. Das Alpha-Helix-Protein ist im Allgemeinen gewunden, und das Beta-Fass-Protein ist zu einer geschlossenen Struktur verdreht, die einem Fass ähnelt.