Alors que les lipides membranaires forment la structure de base de la bicouche lipidique, les fonctions actives de la membrane dépendent des protéines. L’adhésion cellulaire, la transduction d’énergie, la signalisation, la reconnaissance cellulaire et le transport ne sont que quelques-uns des processus biologiques importants réalisés par les protéines membranaires.
Il existe trois façons pour les protéines de s’associer à la membrane plasmique : les protéines membranaires intrinsèques/intégrales qui sont incorporées dans la région hydrophobe de la bicouche lipidique, les protéines transmembranaires qui s’étendent à travers la membrane, qui peuvent traverser la membrane une fois (passage unique), ou plusieurs fois (passage multiple), et les protéines membranaires extrinsèques ou périphériques qui s’associent faiblement aux surfaces hydrophiles de la bicouche lipidique ou aux protéines membranaires intrinsèques
Les protéines peuvent s’associer à la membrane de l’une des trois façons suivantes. Les protéines membranaires intrinsèques ou intégrales s’incrustent dans la région hydrophobe de la bicouche lipidique. Expérimentalement, ces protéines ne peuvent être isolées qu’en perturbant physiquement la membrane avec un détergent ou un autre solvant non polaire. Les protéines mono-membranaires s’insèrent dans un seul feuillet mais ne traversent pas la membrane. Les protéines transmembranaires sont les exemples classiques de protéines membranaires intrinsèques. Elles enjambent la membrane, généralement dans une conformation α-hélice et peuvent enjamber la membrane plusieurs fois. Certaines protéines membranaires intergrales utilisent des β-barreaux pour traverser la membrane. Ces structures sont généralement de grande taille et forment des canaux remplis d’eau. Les protéines membranaires extrinsèques ou périphériques s’associent de manière lâche aux surfaces hydrophiles de la bicouche lipidique ou aux protéines membranaires intrinsèques. Elles forment de faibles liaisons hydrophobes, électrostatiques ou non covalentes, mais ne s’intègrent pas au noyau hydrophobe de la membrane. Ces protéines peuvent être dissociées de la membrane sans la perturber par l’application de réactifs polaires ou de solutions à pH élevé. Les protéines membranaires extrinsèques peuvent interagir avec le feuillet interne ou externe.