膜蛋白佔已知人類蛋白質體的約 20-30%，是細胞與環境互動的分子介面。其結構解析長期受制於疏水性導致的結晶困難，直到冷凍電子顯微術（cryo-EM）的解析度革命（Kühlbrandt, 2014, Science）才大幅加速進展。2017 年後，cryo-EM 解析的膜蛋白結構數量已超越 X 射線晶體學。
穿膜結構的生物物理學
穿膜 α-螺旋通常包含 20-25 個以疏水性胺基酸為主的殘基，恰好跨越磷脂雙層的疏水核心（~30 Å）。Wimley & White（1996, Nature Structural Biology）建立的疏水性尺度（whole-residue hydrophobicity scale）是預測穿膜拓撲結構的基礎。多次穿膜蛋白的螺旋束（helix bundle）在膜內形成功能性口袋——GPCR 的七次穿膜螺旋在膜內創造配體結合腔；離子通道的穿膜螺旋則圍成離子選擇性濾器（selectivity filter）。
β-桶結構主要見於革蘭氏陰性菌外膜和粒線體/葉綠體外膜（源於內共生起源的遺跡）。外膜蛋白如 OmpF 形成非特異性的孔蛋白（porin），而 BamA 複合體負責催化新合成 β-桶蛋白的膜嵌入。
膜蛋白的生物合成與品質管控
嵌入型膜蛋白在粗糙內質網（RER）上的核糖體合成，由信號辨識粒子（SRP）引導至 Sec61 轉位子複合體。穿膜螺旋作為「停止轉移錨定序列」（stop-transfer anchor sequence），被 Sec61 的側向閘門（lateral gate）釋放到脂質雙層中。多次穿膜蛋白的拓撲結構由交替的信號錨定序列和停止轉移序列決定，遵循 Günter Blobel 的信號假說延伸框架。
摺疊錯誤的膜蛋白由 ER 相關降解途徑（ERAD）處理——跨膜 E3 泛素連接酶（如 Hrd1）將錯誤摺疊蛋白逆轉位回細胞質，由蛋白酶體降解。CFTR ΔF508 突變體在 37°C 下約有 99% 被 ERAD 降解，但在低溫（27°C）培養或使用分子伴侶藥理學矯正劑（如 lumacaftor/VX-809）可部分挽救其膜定位。Vertex 的 elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor 三聯療法（Trikafta）是膜蛋白藥理學的里程碑，對 ΔF508 患者的 FEV1 改善達 14%。
膜蛋白動力學
FRAP（Fluorescence Recovery After Photobleaching）實驗證實膜蛋白的側向擴散係數約 10⁻²-10⁻¹ μm²/s，比自由擴散預測慢一至兩個數量級。限制因素包括：(1) 細胞骨架柵欄模型（membrane skeleton fence model, Kusumi et al., 2005, Annual Review of Biophysics）——肌動蛋白皮層骨架將膜分隔為 40-300 nm 的微區（compartments），膜蛋白在微區內快速擴散但跨區跳躍受限；(2) 蛋白質擁擠效應——膜蛋白密度高時互相阻礙；(3) 脂質筏介導的選擇性富集。
單分子追蹤（single-particle tracking, SPT）和超解析度顯微術（如 PALM/STORM）進一步揭示膜蛋白的運動模式包含自由擴散、受限擴散、定向運動和固定不動等多種狀態的動態切換，挑戰了流體鑲嵌模型的均質流體假設。
藥物靶點與結構生物學前沿
GPCR 家族約 800 個成員，是最大的藥物靶點家族（~34% 的 FDA 核准藥物）。2012 年 Brian Kobilka 因 β₂ 腎上腺素受體與 Gs 蛋白複合體的結構解析獲諾貝爾化學獎。AlphaFold2 和 RoseTTAFold 在膜蛋白結構預測上已達到實驗水準的精度，但對構象動態和配體結合態的預測仍有限。
膜蛋白的脂質環境依賴性
膜蛋白的功能高度依賴其周圍的脂質環境——「annular lipids」直接包覆穿膜域並影響構象穩定性，而特異性脂質結合位點（如 KcsA 鉀通道的 PtdGly 結合位點）對功能至關重要。Native mass spectrometry（Laganowsky et al., 2014, Nature）可在接近生理條件下測定膜蛋白-脂質複合體的化學計量比和結合親和力。SMA（styrene-maleic acid）共聚物可在不使用去污劑的情況下將膜蛋白連同其天然脂質環境一起提取為「SMALPs」（nanodiscs），保留脂質-蛋白質交互作用——這項技術正革新膜蛋白結構生物學的實驗流程。