La membrana cellulare - o membrana plasmatica - è un paesaggio in continua evoluzione. È descritto come un mosaico fluido con varie macromolecole incorporate nel bistrato fosfolipidico. Tra le macromolecole ci sono le proteine. Il contenuto proteico varia a seconda dei tipi di cellule. Ad esempio, le membrane interne mitocondriali contengono il 76%, mentre la mielina contiene un contenuto proteico del 18%. Le singole cellule contengono molti tipi di proteine della membrana, le cellule rosse del sangue contengono oltre il 50 %, e diversi tipi di cellule ospitano insiemi distinti di proteine della membrana.

Le proteine della membrana hanno funzioni ad ampio raggio. Per esempio, possono essere canali o portatori che trasportano sostanze, enzimi con ruoli metabolici, o recettori che si legano amessaggeri chimici.

Come i lipidi della membrana, la maggior parte delle proteine della membrana contiene regioni idrofile (amanti dall'acqua) e idrofobiche (fobiche dell'acqua). Le aree idrofile sono esposte a soluzioni contenenti acqua all'interno della cellula, all'esterno della cellula o entrambe. Le regioni idrofobiche si affacciano sulle code idrofobiche dei fosfolipidi all'interno del bistrato della membrana.

Le proteine della membrana possono essere classificate in base al fatto che siano incorporate (integrali) o associate alla membrana cellulare (periferiche).

La maggior parte delle proteine integrali sono proteine transmembrana, che attraversano entrambi gli strati fosfolipidici, coprendo l'intera membrana. Le loro regioni idrofile si estendono da entrambi i lati della membrana, affrontando il citosol da un lato e il fluido extracellulare dall'altro. Le loro regioni idrofobiche sono costituite da gruppi di amminoacidi "coiled" (arrotolati) (ad alpha-elica o beta-barrels). Le proteine monotopiche integrali sono attaccate a un solo lato della membrana.

Le proteine periferiche non sono incorporate nel bistrato fosfolipidico e non si estendono nel suo nucleo idrofobico. Invece, aderiscono temporaneamente alle superfici esterne o interne della membrana, attaccate a proteine integrali o fosfolipidi.

Le proteine della membrana che si estendono da una superficie esterna cellulare spesso trasportano catene di carboidrati, formando glicoproteine. Alcune glicoproteine facilitano il riconoscimento cellulare-cellulare funzionando come tag di ID che possono essere riconosciuti dalle proteine della membrana di altre cellule.