Ключевой характеристикой жизни является способность отделять внешнюю среду от внутреннего пространства. Для этого в клетках появились полупроницаемые мембраны, которые регулируют прохождение биологических молекул. Кроме того, клеточная мембрана определяет форму клетки и взаимодействие с внешней средой. Мембраны эукариотических клеток также служат для разделения внутреннего пространства на органеллы, включая эндомембранные структуры ядра, эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи.

Мембраны в основном состоят из фосфолипидов, состоящих из гидрофильных головок и двух гидрофобных хвостов. Эти фосфолипиды самоорганизуются в бислои, хвосты которых ориентированы к центру мембраны, а головки - наружу. Такое расположение позволяет полярным молекулам взаимодействовать с головками фосфолипидов как внутри, так и снаружи мембраны, но предотвращает их перемещение через гидрофобное ядро ​​мембраны.

Белки и углеводы определяют уникальные свойства клеточной мембраны. Интегральные белки встроены в мембрану, а периферические белки прикреплены к внутренней или внешней поверхности мембраны. Трансмембранные белки - это интегральные белки, охватывающие всю клеточную мембрану. Белки трансмембранного рецептора важны для передачи сообщений извне внутрь клетки. При связывании с внеклеточной сигнальной молекулой трансмембранные рецепторы претерпевают конформационные изменения, которые служат внутриклеточным сигналом. Другие белки, такие как ионные каналы, служат для регулирования прохождения больших или полярных молекул через ядро ​​гидрофобной мембраны.

Углеводы связаны либо с липидами, либо с белками на внешней поверхности клеточной мембраны. Уникальные паттерны гликопротеинов и гликолипидов, присутствующие на внешней поверхности клетки, позволяют клеткам распознавать друг друга. Иммунные клетки человека способны отличать "своих" от чужих, распознавая углеводные модификации на поверхности клеток. Вместе белки, углеводы и липиды, присутствующие на мембране, создают функциональную и гибкую границу для клеток.