Transmembraanne valk on valk, mis katab kogu rakumembraani pikkuse. See on põimitud fosfolipiidide vahele, pakkudes kanalit, mille kaudu molekulid ja ioonid võivad rakku siseneda. Transmembraansed valgud hõlbustavad ka rakkudevahelist suhtlust, toimides keemiliste sõnumikandjatega. Paljud bioloogilised protsessid, nagu glükoosi metabolism ja rasvhapete tootmine, käivituvad pärast teatud transmembraanse valgu aktiveerimist.
Insuliiniretseptor on näide transmembraansest valgust, mis interakteerub keemilise sõnumikandjaga, nimelt insuliiniga. Retseptor toimib insuliinimolekuli sihtmärgina raku pinnal. Pärast seda, kui molekul dokkib retseptoriga, vabastab retseptor tavaliselt kemikaale, mis põhjustavad glükoosi transporteri liikumist raku pinnale. See võimaldab rakul absorbeerida väliskeskkonnast suures koguses glükoosi, mis viib glükoosi metabolismi ja lõpuks energiatootmiseni.
Teine transmembraanse valgu ülesanne on ioonide, nagu naatriumi ja kaaliumi, transportimine läbi rakumembraani, et säilitada keemiline keskkond. Mõned rakud ei saa konkreetseid ülesandeid täita, kui ioonkanalid ei tööta korralikult. Selle oluliseks näiteks on närvirakkude pingepõhised ioonikanalid. Puhkeolekus on ioonikanal tavaliselt suletud, takistades ioonidel membraani läbimist. Niipea, kui tuvastatakse stiimul, näiteks sisselõige või põletus, saadetakse närviimpulss närviraku ühest otsast teise. See võib juhtuda ainult siis, kui ioonikanalid avanevad ja lasevad ioonidel läbi rakumembraani voolata.
Õigeks organiseerimiseks vajavad rakud ka transmembraanseid valke, et uurida keskkonda, milles rakk elab. Näiteks lihasrakud organiseeruvad üldiselt teiste lihasrakkude ümber, samas kui naharakud organiseeruvad teiste naharakkude ümber. Integriinid on lai kategooria transmembraanseid valke, mis täidavad seda organiseerimisfunktsiooni. Integriinid ankurdavad rakke ka substraatide külge, hõlbustades rakkude migratsiooni ja haavade paranemist. Rakkude kasv, jagunemine ja surm sõltuvad üldiselt integriinide poolt vastuvõetud signaalidest.
Transmembraanset valku võib liigitada alfa-spiraalseks või beetabarreliks, olenevalt valguahela organiseerimisest. Alfa-spiraalsed valgud koosnevad ühest ahelast, samas kui beetabarrelvalkudel on mitu kõrvuti korraldatud valguahelat. Alfa-spiraalne valk on tavaliselt keritud ja beetabarreli valk on keeratud suletud struktuuriks, mis meenutab tünni.