Damit die Zelle nicht ausläuft und ihn Form gehalten wird, ist sie von einer sogenannten Zellmembran (auch Plasmamembran genannt) umgeben. Auch einige Organellen sind von einer Plasmamembran umgeben. Die Membran schirmt das Zellinnere aber nicht nur von der äußeren Umgebung ab, sondern dient auch als Kommunikationsmedium zwischen Zelle und Extrazellularraum bzw. anderen Zellen.
Aber woraus besteht die Zellmembran?
Die Zellmembran besteht aus bestimmten Fettmolekülen (sogenannten Phospholipide), die sich jeweils gegenüberstehen. Jedes Phospholipid besteht selbst aus einer Kopfregion (Phosophoglyceringruppe) und einer Schwanzregion (Fettsäuren), wobei der Kopf hydrophil („wasserliebend“) und der Schwanz hydrophob („wasserabgeneigt“) ist. Aus energetischen Gründen lagern sich die hydrophoben Schwänze zusammen, sodass eine Membran entsteht, die im Inneren hydrophob und jeweils nach außen hin hydrophil ist. Aus diesem Grund bezeichnet man die Zellmembran auch als Lipiddoppelschicht.
Da die Zellmembran im Inneren hydrophob ist, ist sie undurchlässig (impermeabel) für hydrophile Stoffe, wie z. B. Wasser oder bestimmte Proteine (z.B. Insulin). Hydrophobe Stoffe, wie Steroidhormone (z.B. Testosteron) können aber die Zellmembran durchdringen. Um nun auch mit hydrophilen Stoffen oder anderen Zellen zu interagieren, sind in der Zellmembran Proteine, sogenannte Membranproteine, eingelagert. Diese gibt es in unterschiedlichen „Ausführungen“. Man unterscheidet grundsätzlich periphere, transmembrane und integrale Membranproteine. Rezeptoren sind solche Membranproteine. An diese können Botenstoffe, Transmitter, Hormone u. ä. binden und so eine Zellantwort auslösen. Dabei sitzen die Membranproteine nicht starr an Ort und Stelle, sondern können sich sehr dynamisch auf bzw. in der Membran hin und her bewegen. Dieses Phänomen bezeichnet man auch als „Fluid-Mosaik-Modell“, weil die Membranproteine wie kleine Mosaikbausteine in der Membran „schwimmen“. Neben Proteinen können aber auch noch weitere Stoffe in der Zellmembran eingelagert sein. So können z. B. Zuckerreste und andere Lipide in die Zellmembran eingelagert sein. Besonders Cholesterin ist oft im hydrophoben Bereich der Zellmembran eingelagert, was die Stabilität der Membran erhöht.
Periphere Membranproteine sind Proteine, die in der Zellmembran verankert sind, diese aber nicht komplett durchqueren. Die Proteine der Atmungskette der Mitochondrien sind ein Beispiel für periphere Membranproteine.
Integrale Membranproteine durchziehen die Zellmembran entweder teilweise oder komplett. Durchziehen sie die Membran komplett werden sie als Transmembranproteine bezeichnet. Typische Beispiele sind Ionen-Kanäle, die teilweise sehr selektiv Ionen durch die Zellmembran schleusen. Auch Gap junctions sind integrale Membranproteine. Diese bilden kleine Poren in der Zellmembran. Auch Zelladhäsionsproteine sind ein Beispiel. Diese können sich mit anderen Zellen oder den Matrixproteinen im Extrazellularraum (z. B. Kollagen) verankern.