细胞膜（质膜）是所有活细胞的界定边界，提供选择性渗透性，维持细胞生命所需的独特化学环境。其结构和运输功能是细胞生物学的基础，可实现营养吸收、废物消除和信号接收。

膜成分和流体马赛克模型

该膜是磷脂双层，亲水性磷酸盐头朝外，疏水性脂肪酸尾部朝内。辛格和尼科尔森提出的流体镶嵌模型将膜描述为动态二维流体，脂质和蛋白质在其中横向扩散。存在于动物细胞膜中的胆固醇插入磷脂之间以调节流动性——它在较高温度下降低膜的渗透性并在较低温度下防止结晶。脂质在双层上的不对称分布由翻转酶和扰乱酶维持，这种不对称性对于信号传导具有重要的功能，例如外叶上的磷脂酰丝氨酸暴露标记凋亡细胞的吞噬作用。

膜蛋白

整合膜蛋白跨越具有跨膜结构域的脂质双层，通常是α螺旋或β桶，并且包括转运蛋白、通道、受体和粘附分子。例子包括离子通道，例如允许特定离子快速被动扩散的电压门控Na⁺和K⁺通道、促进水运动的水通道蛋白以及介导信号检测的G蛋白偶联受体。外周膜蛋白通过静电相互作用或与整合蛋白结合与膜表面结合，例如将膜连接到肌动蛋白细胞骨架的细胞骨架连接蛋白，例如血影蛋白和锚蛋白。糖萼是细胞外表面的一层富含碳水化合物的外壳，由糖蛋白和糖脂形成，介导细胞间识别、粘附和保护。

简单的扩散和渗透

小非极性分子（例如 O2、CO2 和 N2）直接沿着浓度梯度扩散穿过脂质双层，而无需消耗能量。渗透是由水的化学势驱动的水穿过半透膜从低溶质浓度区域到高溶质浓度区域的净运动。张力描述了细胞外溶质浓度对细胞体积的影响：在等渗溶液中，细胞保持正常形状；在等渗溶液中，细胞保持正常形状；在等渗溶液中，细胞保持正常形状。在低渗溶液中，水进入细胞膨胀；在高渗溶液中，水离开并且细胞收缩。

促进扩散

不能穿过脂质双层的极性分子和离子直接利用膜转运蛋白沿着电化学梯度被动移动。载体蛋白（转运蛋白或渗透酶）结合特定的溶质并发生构象变化以将其转运穿过膜，表现出具有反映转运蛋白数量和亲和力的特征 Vmax 和 Km 值的 Michaelis-Menten 动力学。例子包括葡萄糖转运蛋白 GLUT1（它可以平衡红细胞膜上的葡萄糖）和氨基酸转运蛋白。通道蛋白形成水孔，允许离子沿着电化学梯度快速通过——离子通道具有高度选择性，由电压、配体结合或机械刺激门控，每秒最多可传导 10⁸ 离子。

主动传输

主动运输通过 ATP 水解或钠梯度输入的能量逆着电化学梯度移动溶质。初级主动转运蛋白直接使用 ATP，以 Na⁺/K⁺-ATP 酶（钠钾泵）为代表，每个 ATP 水解后将三个细胞内 Na⁺ 交换为两个细胞外 K⁺，建立驱动众多次级转运过程的电化学梯度。肌浆/内质网 Ca²⁺-ATP 酶 (SERCA) 将 Ca²⁺ 泵入内质网腔，胃壁细胞中的 H⁺/K⁺-ATP 酶酸化胃腔。二次主动运输利用一种溶质（通常是 Na⁺）的电化学梯度来驱动另一种溶质的上坡运输。同向转运蛋白以相同方向移动两种溶质，例如肠上皮细胞中的 Na⁺/葡萄糖同向转运蛋白 SGLT1，而反向转运蛋白以相反方向移动溶质，例如心肌中的 Na⁺/Ca2⁺ 交换器。

胞吞作用和胞吐作用

内吞作用通过膜内陷和囊泡形成将细胞外物质内在化。吞噬作用吞噬大颗粒，如细菌和凋亡碎片，由受体与调理素相互作用介导，需要肌动蛋白聚合，主要由巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞执行。胞饮作用是通过小囊泡非选择性摄取细胞外液和溶解的溶质。受体介导的内吞作用涉及配体与网格蛋白包被的小凹中的特定受体结合，这些受体向内出芽形成网格蛋白包被的囊泡——该途径通过 LDL 受体介导胆固醇摄取，并通过转铁蛋白受体介导铁摄取。脱壳后，早期内体将货物分类到溶酶体进行降解，再循环内体以返回膜，或穿过细胞进行转胞吞作用。胞吐作用通过分泌囊泡与质膜的融合从细胞中释放分子：组成型胞吐作用持续输送膜蛋白和分泌蛋白，而由Ca²⁺信号触发的受调节的胞吐作用则从储存囊泡中释放激素、神经递质和消化酶。