Buněčné membrány – včetně plazmatických membrán a vnitřních membrán – jsou až na výjimky tvořeny glycerofosfolipidy, molekulami složenými z glycerolu, fosfátové skupiny a dvou řetězců mastných kyselin. Glycerol je tříuhlíková molekula, která funguje jako páteř těchto membránových lipidů. V jednotlivých glycerofosfolipidech jsou mastné kyseliny navázány na první a druhý uhlík a fosfátová skupina je navázána na třetí uhlík glycerolové páteře. K fosfátu jsou připojeny proměnlivé hlavové skupiny. Prostorové modely těchto molekul odhalují jejich válcovitý tvar, což je geometrie, která umožňuje glycerofosfolipidům řadit se vedle sebe a vytvářet široké listy (obrázek 1).
Glycerofosfolipidy jsou zdaleka nejrozšířenějšími lipidy v buněčných membránách. Stejně jako všechny lipidy jsou nerozpustné ve vodě, ale jejich jedinečná geometrie způsobuje, že se agregují do dvojvrstev bez jakéhokoli energetického vstupu. Je to proto, že se jedná o dvoustranné molekuly s hydrofilními (vodu milujícími) fosfátovými hlavami a hydrofobními (vody se bojícími) uhlovodíkovými ocasy mastných kyselin. Ve vodě se tyto molekuly spontánně vyrovnávají – jejich hlavy směřují ven a jejich ocasy se řadí do vnitřku dvojvrstvy. Hydrofilní hlavy glycerofosfolipidů v plazmatické membráně buňky tak směřují jak do cytoplazmy s vodou, tak do vnější části buňky.
Lipidy dohromady tvoří přibližně polovinu hmotnosti buněčných membrán. Molekuly cholesterolu, ačkoli jsou méně hojné než glycerofosfolipidy, tvoří asi 20 % lipidů v plazmatických membránách živočišných buněk. Cholesterol však není přítomen v bakteriálních membránách ani v mitochondriálních membránách. Také cholesterol pomáhá regulovat tuhost membrán, zatímco jiné méně významné lipidy hrají roli v buněčné signalizaci a rozpoznávání buněk. Each phospholipid molecule is shown as a round phospholipid head with two squiggly fatty acid tails extending from it. A sheet-like layer of phospholipid molecules is positioned opposite and above a second sheet-like layer of phospholipid molecules. Fatty acid tails from the top and bottom layers extend into the center space so that the tails from the top layer meet the tails from the bottom layer; their phospholipid heads form the top and bottom surface of the bilayer. Six proteins of various shapes and sizes span the width of the membrane. Some form channels within the phospholipid bilayer.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. Mnohé z těchto bílkovin jsou zapuštěny do membrány a vyčnívají na obou stranách; tyto bílkoviny se nazývají transmembránové. Části těchto proteinů, které jsou vnořené mezi uhlovodíkové ocásky, mají hydrofobní povrchové vlastnosti a části, které vyčnívají, jsou hydrofilní (obrázek 2).
Při fyziologických teplotách jsou buněčné membrány tekuté, při nižších teplotách se stávají gelovými. Vědci, kteří modelují strukturu a dynamiku membrán, popisují membránu jako tekutou mozaiku, v níž se transmembránové proteiny mohou pohybovat laterálně v lipidové dvojvrstvě. Soubor lipidů a proteinů, který tvoří buněčnou membránu, tedy závisí na přirozených biofyzikálních vlastnostech, aby se mohl formovat a fungovat. V živých buňkách se však mnoho proteinů nemůže volně pohybovat. Často jsou v membráně ukotveny na svém místě pomocí vazeb k proteinům vně buňky, cytoskeletálním prvkům uvnitř buňky nebo k obojímu.