Cu puține excepții, membranele celulare – inclusiv membranele plasmatice și membranele interne – sunt alcătuite din glicerofosfolipide, molecule compuse din glicerol, o grupare fosfat și două lanțuri de acizi grași. Glicerolul este o moleculă cu trei atomi de carbon care funcționează ca o coloană vertebrală a acestor lipide de membrană. În cadrul unui glicerofosfolipid individual, acizii grași sunt atașați la primul și al doilea carbon, iar grupul fosfat este atașat la cel de-al treilea carbon al coloanei vertebrale a glicerolului. Grupurile de cap variabile sunt atașate la fosfat. Modelele de umplere a spațiului ale acestor molecule dezvăluie forma lor cilindrică, o geometrie care permite glicerofosfolipidelor să se alinieze una lângă alta pentru a forma foițe largi (figura 1).
Glicerofosfolipidele sunt de departe cele mai abundente lipide din membranele celulare. La fel ca toate lipidele, acestea sunt insolubile în apă, dar geometria lor unică le face să se agregheze în bistraturi fără niciun aport de energie. Acest lucru se datorează faptului că sunt molecule cu două fețe, cu capete de fosfat hidrofile (care iubesc apa) și cozi hidrofobe (care se tem de apă) de hidrocarburi de acizi grași. În apă, aceste molecule se aliniază în mod spontan – cu capetele orientate spre exterior și cozile lor aliniate în interiorul stratului bistratificat. Astfel, capetele hidrofile ale glicerofosfolipidelor din membrana plasmatică a unei celule sunt orientate atât spre citoplasma bazată pe apă, cât și spre exteriorul celulei.
În total, lipidele reprezintă aproximativ jumătate din masa membranelor celulare. Moleculele de colesterol, deși mai puțin abundente decât glicerofosfolipidele, reprezintă aproximativ 20 la sută din lipidele din membranele plasmatice ale celulelor animale. Cu toate acestea, colesterolul nu este prezent în membranele bacteriene sau în membranele mitocondriale. De asemenea, colesterolul ajută la reglarea rigidității membranelor, în timp ce alte lipide mai puțin proeminente joacă roluri în semnalizarea celulară și în recunoașterea celulară.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. Multe dintre aceste proteine sunt încorporate în membrană și ies în afară pe ambele părți; acestea se numesc proteine transmembranare. Porțiunile acestor proteine care sunt înglobate în mijlocul cozilor de hidrocarburi au caracteristici de suprafață hidrofobe, iar părțile care ies în afară sunt hidrofile (figura 2).
La temperaturi fiziologice, membranele celulare sunt fluide; la temperaturi mai scăzute, ele devin gelatinoase. Oamenii de știință care modelează structura și dinamica membranelor descriu membrana ca pe un mozaic fluid în care proteinele transmembranare se pot deplasa lateral în bistratul lipidic. Prin urmare, colecția de lipide și proteine care alcătuiesc o membrană celulară se bazează pe proprietăți biofizice naturale pentru a se forma și a funcționa. Cu toate acestea, în celulele vii, multe proteine nu sunt libere să se miște. Ele sunt adesea ancorate pe loc în interiorul membranei prin legături cu proteine din afara celulei, elemente citoscheletice din interiorul celulei sau ambele.