La struttura tipo della membrana cellulare è costituita da un doppio strato fosfolipidico compreso fra due strati proteici situati a livello delle superfici di separazione tra le fasi interna ed esterna della cellula. Lo strato lipidico è bimolecolare, con i gruppi polari rivolti verso lo strato proteico, mentre i gruppi apolari sono affacciati con funzione di isolamento.
Le membrane cellulari, con il loro spessore di soli 90 A, non sono visibili al microscopio a luce trasmessa. Prima dell'avvento della microscopia elettronica, i citologi presumevano che la cellula fosse circondata da una pellicola invisibile, poiché se questa ipotetica pellicola veniva rotta, si poteva veder fuoriuscire il contenuto cellulare. Oggi con il microscopio elettronico, la membrana può essere visualizzata come una sottile doppia linea continua. Secondo le ipotesi correnti, la membrana consiste essenzialmente di molecole di fosfolipidi e colesterolo disposte in maniera tale che le loro code idrofobe siano rivolte verso l'interno.
Le catene polipeptidiche delle molecole proteiche della membrana sono perpendicolari alle molecole lipidiche e si ritiene mantengano la coesione fra le diverse parti della membrana plasmatica.
La struttura membranosa assolve al compito di dover separare l'ambiente cellulare da quello extracellulare, il nucleo dal citoplasma, ed anche il materiale interno ai vari organuli dalla matrice citoplasmatica.
In ogni cellula, animale o vegetale che sia, lo strato periferico del protoplasma ha le caratteristiche morfologiche e funzionali di una membrana posta a separare due ambienti diversi, che possono essere identificati con soluzioni che posseggono caratteristiche e composizioni chimico-fisiche diverse. La funzione di tale diaframma è di permettere il passaggio di acqua ed altri piccoli soluti all'interno della cellula, mentre esso si oppone ai soluti di alto peso molecolare. In generale il verso del flusso è determinato dalla concentrazione della composizione della soluzione ai lati della membrana, il flusso avviene sempre nel verso dalla soluzione più diluita alla più concentrata: esso tende cioè ad equilibrare le due concentrazioni e cessa quando si è raggiunta l'uguaglianza. La pressione necessaria per fermare completamente questo movimento è detta pressione osmotica. Essa è tanto maggiore quanto piú è concentrata la soluzione.

La membrana cellulare non è una membrana semipermeabile ideale, in quanto essa risulta impermeabile ad alcuni, ma non a tutti, i soluti presenti. La permeabilità o meno della membrana ai soluti non dipende esclusivamente dalle sue caratteristiche chimico fisiche strutturali, ma in gran parte da fenomeni intimamente legati al metabolismo cellulare.

Le cellule, in relazione al loro comportamento relativo alla pressione osmotica e alla pressione ambientale, si distinguono in: poichilosmotiche e omiosmotiche. Le prime presentano una pressione osmotica uguale o quasi a quella del loro ambiente, le seconde sono in grado di mantenere una pressione osmotica compresa entro una vasta latitudine di valori, molto diversi da quelli ambientali. Tenendo conto di queste caratteristiche del comportamento delle cellule animali e vegetali, J. Traube realizzò uno speciale apparecchio, costituito appunto da membrana semipermeabile, che doveva riprodurre artificialmente il comportamento delle cellule viventi di fronte a date soluzioni. Inizialmente venne utilizzata quale membrana, una pellicola di ferrocianuro di rame; successivamente vennero introdotte membrane semipermeabili con cui fosse possibile accertare l'entità di pressioni osmotiche notevoli.
Infine, si può affermare che, il passaggio delle varie sostanze attraverso la membrana plasmatica può avvenire per diffusione semplice, facilitata, o per trasporto attivo.

Diffusione semplice: trasporto passivo attraverso il doppio strato lipidico. La diffusione è il movimento di molecole da una zona ad un’altra in seguito alla loro agitazione termica casuale. Nella diffusione semplice, la permeabilità della membrana è determinata dai seguenti fattori: (a) la liposolubilità della sostanza che diffonde, (b) la dimensione e la forma delle molecole che diffondono, (c) la temperatura e (d) lo spessore della membrana.

 

Diffusione facilitata: trasporto passivo attraverso proteine di membrana. La diffusione facilitata è operata da due tipi di proteine di trasporto: (a) trasportatori, che legano le molecole da una parte della membrana e le trasportano dall'altra grazie a una modificazione conformazionale e (b) canali, che formano pori che si estendono da un lato all'altro della membrana. Nella diffusione facilitata, la permeabilità della membrana è determinata da due fattori: (a) la velocità di trasporto dei singoli trasportatori o canali e (b) il numero di trasportatori o canali presenti nella membrana.

 

Trasporto attivo. Esistono due tipi principali di trasporto attivo: il trasporto attivo primario, che utilizza ATP o altre forme di energia chimica e il trasporto attivo secondario, che utilizza il gradiente elettrochimico di una sostanza come fonte di energia per indurre il trasporto attivo di una alta sostanza.