A membrana celular—membrana plasmática—é uma paisagem em constante mudança. É descrita como um mosaico fluido uma vez que várias macromoléculas estão embutidas na bicamada fosfolipídica. Entre as macromoléculas estão proteínas. O teor de proteínas varia entre os tipos de células. Por exemplo, as membranas internas mitocondriais contêm ~76%, enquanto que a mielina contém ~18% de teor de proteínas. Células individuais contêm muitos tipos de proteínas membranares—células sanguíneas contêm mais de 50—e diferentes tipos de células contêm conjuntos distintos de proteínas membranares.

As proteínas membranares têm funções abrangentes. Por exemplo, podem ser canais ou transportadoras que carregam substâncias, enzimas com papéis metabólicos ou receptores que se ligam a mensageiros químicos.

Como os lípidos da membrana, a maioria das proteínas membranares contêm regiões hidrofílicas (amantes da água) e hidrofóbicas (repelentes da água). As regiões hidrofílicas estão expostas à solução que contém água no interior da célula, no exterior da célula, ou ambos. As regiões hidrofóbicas estão viradas para as caudas hidrofóbicas dos fosfolípidos dentro da bicamada da membrana.

As proteínas membranares podem ser classificadas por estarem incorporadas (integrais) ou associadas à membrana celular (periféricas).

A maioria das proteínas integrais são proteínas transmembranares, que atravessam ambas as camadas de fosfolípidos, abrangendo toda a membrana. As suas regiões hidrofílicas estendem-se de ambos os lados da membrana, viradas para o citosol de um lado e para o fluido extracelular do outro. As suas regiões hidrofóbicas consistem em grupos de aminoácidos enrolados (α-hélices ou β-barris). Proteínas monotópicas integrais estão anexadas apenas a um lado da membrana.

As proteínas periféricas não estão embutidas na bicamada fosfolipídica e não se estendem ao seu núcleo hidrofóbico. Em vez disso, elas aderem temporariamente às superfícies externas ou internas da membrana, ligadas a proteínas integrais ou fosfolípidos.

Proteínas membranares que se estendem de uma superfície externa das células muitas vezes carregam cadeias de carboidratos, formando glicoproteínas. Algumas glicoproteínas facilitam o reconhecimento célula-célula, funcionando como “etiquetas de identificação” que podem ser reconhecidas por proteínas membranares de outras células.