Während die Membranlipide die Grundstruktur der Lipiddoppelschicht bilden, sind die aktiven Funktionen der Membran von den Proteinen abhängig. Zelladhäsion, Energietransduktion, Signalübertragung, Zellerkennung und Transport sind nur einige der wichtigen biologischen Prozesse, die von Membranproteinen ausgeführt werden.
Es gibt drei Möglichkeiten, wie Proteine mit der Plasmamembran assoziieren können: Intrinsische/integrale Membranproteine, die in den hydrophoben Bereich der Lipiddoppelschicht eingebettet sind, Transmembranproteine, die sich über die Membran erstrecken und die Membran einmal (single-pass) oder mehrfach (multi-pass) durchqueren können, und extrinsische oder periphere Membranproteine, die nur schwach mit den hydrophilen Oberflächen der Lipiddoppelschicht oder den intrinsischen Membranproteinen assoziieren
Proteine können sich auf eine der drei Arten mit der Membran verbinden. Intrinsische oder integrale Membranproteine betten sich in den hydrophoben Bereich der Lipiddoppelschicht ein. Experimentell können diese Proteine nur isoliert werden, indem die Membran mit einem Detergens oder einem anderen unpolaren Lösungsmittel physikalisch aufgebrochen wird. Mono-Save-Thema-Proteine fügen sich in ein Blättchen ein, überspannen aber nicht die Membran. Transmembranproteine sind die klassischen Beispiele für intrinsische Membranproteine. Sie überspannen die Membran, typischerweise in einer α-Helix-Konformation, und können die Membran mehrfach überspannen. Einige intergrale Membranproteine verwenden β-Fässer, um die Membran zu überqueren. Diese Strukturen sind in der Regel groß und bilden wassergefüllte Kanäle. Extrinsische oder periphere Membranproteine assoziieren lose mit den hydrophilen Oberflächen der Lipiddoppelschicht oder intrinsischen Membranproteinen. Sie bilden schwache hydrophobe, elektrostatische oder nicht-kovalente Bindungen, sind aber nicht mit dem hydrophoben Kern der Membran verankert. Diese Proteine können durch polare Reagenzien oder Lösungen mit hohem pH-Wert von der Membran abgelöst werden, ohne sie zu zerstören. Extrinsische Membranproteine können mit dem inneren oder äußeren Fiederblatt interagieren.