Mentre i lipidi di membrana formano la struttura di base del bilayer lipidico, le funzioni attive della membrana dipendono dalle proteine. L’adesione cellulare, la trasduzione di energia, la segnalazione, il riconoscimento cellulare e il trasporto sono solo alcuni degli importanti processi biologici svolti dalle proteine di membrana.
Ci sono tre modi in cui le proteine possono associarsi alla membrana plasmatica: proteine di membrana intrinseche/integrali che sono incorporate nella regione idrofobica del doppio strato lipidico, proteine transmembrana che attraversano la membrana, che possono attraversarla una volta (passaggio singolo) o più volte (passaggio multiplo), e proteine di membrana estrinseche o periferiche che si associano debolmente alle superfici idrofile del doppio strato lipidico o alle proteine di membrana intrinseche
Le proteine possono associarsi alla membrana in uno dei tre modi. Le proteine di membrana intrinseche o integrali si incorporano nella regione idrofoba del bilayer lipidico. Sperimentalmente, queste proteine possono essere isolate solo interrompendo fisicamente la membrana con un detergente o un altro solvente non polare. Le proteine mono-salvifiche si inseriscono in un foglietto ma non attraversano la membrana. Le proteine transmembrana sono i classici esempi di proteine di membrana intrinseche. Queste si estendono sulla membrana, tipicamente in una conformazione ad α-elica e possono estendersi sulla membrana più volte. Alcune proteine di membrana intergrali usano le β-barrette per attraversare la membrana. Queste strutture sono tipicamente grandi e formano canali pieni d’acqua. Le proteine di membrana estrinseche o periferiche si associano liberamente alle superfici idrofile del doppio strato lipidico o alle proteine di membrana intrinseche. Formano deboli legami idrofobici, elettrostatici o non covalenti, ma non si incorporano con il nucleo idrofobico della membrana. Queste proteine possono essere dissociate dalla membrana senza distruggerla attraverso l’applicazione di reagenti polari o soluzioni a pH elevato. Le proteine di membrana estrinseche possono interagire con il foglietto interno o esterno.