Med några få undantag består cellmembran – inklusive plasmamembran och inre membran – av glycerofosfolipider, molekyler som består av glycerol, en fosfatgrupp och två fettsyrekedjor. Glycerol är en molekyl med tre kolväten som fungerar som ryggrad i dessa membranlipider. I en enskild glycerofosfolipid är fettsyrorna knutna till det första och andra kolet, och fosfatgruppen är knuten till det tredje kolet i glycerolstommen. Variabla huvudgrupper är knutna till fosfatet. Rymdfyllande modeller av dessa molekyler visar deras cylindriska form, en geometri som gör det möjligt för glycerofosfolipiderna att ligga sida vid sida och bilda breda skikt (figur 1).
Glycerofosfolipiderna är de överlägset vanligaste lipiderna i cellmembranen. Liksom alla lipider är de olösliga i vatten, men deras unika geometri gör att de aggregeras till bilager utan någon energitillförsel. Detta beror på att de är molekyler med två ansikten, med hydrofila (vattenälskande) fosfathuvuden och hydrofoba (vattenrädda) kolväteändar av fettsyror. I vatten ställer sig dessa molekyler spontant i linje med varandra – med huvudena vända utåt och svansarna i linje med bilagerets inre. De hydrofila huvudena på glycerofosfolipiderna i en cells plasmamembran är således vända mot både den vattenbaserade cytoplasman och cellens utsida.
Tillsammans utgör lipiderna ungefär hälften av cellmembranens massa. Kolesterolmolekyler, även om de är mindre vanliga än glycerofosfolipiderna, utgör cirka 20 procent av lipiderna i djurcellers plasmamembran. Kolesterol förekommer dock inte i bakteriemembran eller mitokondrialmembran. Kolesterol bidrar också till att reglera membranens styvhet, medan andra mindre framträdande lipider spelar roller vid cellsignalering och celligenkänning.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. Många av dessa proteiner är inbäddade i membranet och sticker ut på båda sidor; dessa kallas transmembranproteiner. De delar av dessa proteiner som är inbäddade bland kolvätehalarna har hydrofoba ytegenskaper, och de delar som sticker ut är hydrofila (figur 2).
Vid fysiologiska temperaturer är cellmembranen flytande; vid kallare temperaturer blir de gelliknande. Forskare som modellerar membranens struktur och dynamik beskriver membranet som en flytande mosaik där transmembranproteiner kan röra sig i sidled i lipiddubbelskiktet. Den samling lipider och proteiner som utgör ett cellmembran är därför beroende av naturliga biofysikaliska egenskaper för att kunna bildas och fungera. I levande celler kan dock många proteiner inte röra sig fritt. De är ofta förankrade på plats i membranet med hjälp av kopplingar till proteiner utanför cellen, cytoskelettelement i cellen eller båda.