La membrane cellulaire, ou membrane plasmique, est un paysage en constante évolution. Elle est décrite comme une mosaïque fluide parce que diverses macromolécules sont incorporées dans la bicouche de phospholipides. Parmi les macromolécules, figurent les protéines. La teneur en protéines varie d’un genre de cellule à un autre. Par exemple, les membranes internes mitochondriales ont une teneur en protéines d’environ 76 %, tandis que la myéline en contient environ 18 %. Les cellules individuelles contiennent de nombreuses sortes de protéines membranaires — les cellules sanguines en contiennent plus de 50 — et les différentes sortes de cellules abritent des ensembles distincts de protéines membranaires.

Les protéines membranaires ont des fonctions variées. Par exemple, il peut s’agir de canaux ou de porteuses qui transportent des substances, d’enzymes ayant des rôles métaboliques ou de récepteurs qui se lient aux messagers chimiques.

Comme les lipides membranaires, la plupart des protéines membranaires contiennent des régions hydrophiles (qui aiment l’eau) et hydrophobes (qui craignent l’eau). Les régions hydrophiles sont exposées à une solution contenant de l’eau à l’intérieur de la cellule, à l’extérieur de la cellule, ou les deux. Les régions hydrophobes font face aux queues hydrophobes des phospholipides dans la bicouche membranaire.

Les protéines membranaires peuvent être classées selon qu’elles sont incorporées (intégrales) ou associées à la membrane cellulaire (périphériques).

La plupart des protéines intégrales sont des protéines transmembranaires qui traversent les deux couches de phospholipides, couvrant toute la membrane. Leurs régions hydrophiles s’étendent des deux côtés de la membrane, faisant face au cytosol d’un côté et au liquide extracellulaire de l’autre. Leurs régions hydrophobes sont constituées de groupes d’acides aminés enroulés (des hélices α ou des tonneaux β). Les protéines monotopiques intégrales ne sont fixées qu’à un seul côté de la membrane.

Les protéines périphériques ne sont pas incorporées dans la bicouche de phospholipides et ne s’étendent pas dans son cœur hydrophobe. Au lieu de cela, elles adhèrent temporairement aux surfaces externes ou internes de la membrane, fixées à des protéines intégrales ou aux phospholipides.

Les protéines membranaires qui s’étendent à partir de la surface externe d’une cellule comportent souvent des chaînes de glucides, formant des glycoprotéines. Certaines glycoprotéines facilitent la reconnaissance cellule-cellule en fonctionnant comme des “ étiquettes d’identification ” qui peuvent être reconnues par les protéines membranaires d’autres cellules.