生命体の大きな特徴は、外部環境と内部空間を分離する能力です。そのために、細胞は生体分子の通過を制御する半透過性の膜を進化させてきた。さらに、細胞膜は、細胞の形状や外部環境との相互作用を規定しています。真核生物の細胞膜は、核、小胞体、ゴルジ体などの細胞内膜構造を含む器官に内部空間を区分けする役割も果たしています。

膜は、親水性の頭部と疎水性の2つの尾部からなるリン脂質を主成分とし、尾部は膜の中心に、頭部は外側に向かって自己組織化して二重膜を形成します。この配置により、極性分子は膜の内外でリン脂質の頭部と相互作用できますが、膜の疎水性コアを通過することはできません。

タンパク質と糖質は、細胞膜のユニークな特性に貢献しています。内在性タンパク質は膜に埋め込まれており、表在性タンパク質は膜の内側または外側に付着しています。膜貫通タンパク質は、細胞膜全体にわたる内在性タンパク質です。膜貫通型の受容体タンパク質は、細胞外から細胞内へのメッセージの伝達に重要な役割を果たします。細胞外のシグナル分子と結合すると、膜貫通型受容体の構造が変化し、細胞内のシグナルとして機能します。また、イオンチャネルのように、大きな分子や極性分子が疎水性の膜コアを通過するのを制御するタンパク質もあります。

糖質は細胞膜の外側で脂質やタンパク質と結合しています。細胞の外側に存在する糖タンパク質や糖脂質のユニークなパターンによって、細胞の認識が行われます。ヒトの免疫細胞は、細胞表面の糖鎖修飾を認識することで、自己と非自己を区別できます。膜上に存在するタンパク質、糖質、脂質が一体となって、機能的で柔軟な細胞の境界を作り出しているのです。