Ogni cellula è delimitata dalla membrana cellulare (o plasmatica) che svolge due funzioni fondamentali:
isola fisicamente la cellula;
permette lo scambio di sostanze, energia e informazioni con l'esterno.
La membrana è costituita principalmente da un doppio strato di fosfolipidi (bilayer). Ciascun fosfolipide presenta una testa idrofila (gruppo fosfato) e due code idrofobe (catene di acidi grassi). Nella struttura della membrana le teste sono rivolte verso l'esterno del bilayer, mentre le code sono rivolte all'interno.
Oltre ai fosfolipidi nella membrana sono presenti anche colesterolo e diverse proteine.
Il colesterolo ha una funzione strutturale: aumenta la flessibilità e la stabilità del doppio strato e ne mantiene la fluidità, anche a basse temperature.
Le proteine di membrana, oltre ad avere un ruolo strutturale, svolgono diverse funzioni. Possono agire infatti come:
recettori per il riconoscimento tra cellule;
Le proteine di membrana si distinguono tra integrali, se attraversano completamente il doppio strato, e periferiche se lo penetrano solo parzialmente o vi sono poggiate sopra.
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La fluidità della membrana permette ai suoi componenti di spostarsi nel bilayer formando configurazioni diverse, dette mosaici dotati di pori tappezzate da proteine idrofile e cariche. Si parla, così, di modello a mosaico fluido. Grazie a questa struttura la membrana è semipermeabile e svolge un'importante funzione selettiva, che impedisce alle sostanze dannose di penetrare all'interno della cellula, assicurando così l'integrità biochimica del citoplasma. Infatti le sostanze idrofobe (come lipidi e ormoni) e molecole molto piccole (come acqua e anidride carbonica) riescono ad attraversare la membrana liberamente. Ioni e molecole polari, invece, possono attraversare la membrana solo grazie a meccanismi specifici.