膜結構中含有蛋白質早已證實，但有興趣的問題是膜中蛋白質究以何種形式存在。70年代以前，多數人主張蛋白質是平鋪在脂質雙分子層的內外兩側，后來證明，蛋白質分子是以а-螺旋或球形結構分散鑲嵌在膜的脂質雙分子層中。

膜蛋白質主要以兩種形式同膜脂質相結合：有些蛋白質以其肽鏈中帶電的氨基酸或基團，與兩側的脂質極性基團相互吸引，使蛋白質分子像是附著在膜的表面。這稱為表面蛋白質；有些蛋白質分子的肽鏈則可以一次或反復多次貫穿整個脂質雙分子層，兩端露出在膜的兩側，這稱為結合蛋白質。在用分子生物學技術確定了一個蛋白質分子或其中亞單位的一級結構、即肽鏈中不同氨基酸的排列順序后，發(fā)現所有結合蛋白質的肽鏈中都有一個或數個主要由20-30個疏水性氨基酸組成的片段。這些氨基酸又由于所含基團之間的吸引而形成а-螺旋，即這段肽鏈沿一條軸線盤旋，形成每一圈約含3.6個氨基酸殘基的螺旋，螺旋的長度大致相當于膜的厚度，因而推測這些疏水的а螺旋可能就是肽鏈貫穿膜的部分，它的疏水性正好同膜內疏水性烴基相吸引。這樣，肽鏈中有幾個疏水性а-螺旋，就可能幾次貫穿膜結構；相鄰的а-螺旋則以位于膜外側和內側的不同長度的直肽鏈連接（參看圖2-7和8）。

膜結構中的蛋白質，具有不同的分子結構和功能。生物膜所具有的各種功能，在很大程度上決定于膜所含的蛋白質；細胞和周圍環(huán)境之間的物質、能量和信息交換，大都與細胞膜上的蛋白質分子有關。

由于脂質分子層是液態(tài)的，鑲嵌在脂質層中的蛋白質是可移動的，即蛋白質分子可以在膜脂分子間橫向漂浮移位；不同細胞膜中的不同蛋白質分子的移動和所在位置，存在著精細的調控機制。例如，骨骼肌細胞膜中與神經肌肉間信息傳遞有關的通道蛋白質分子，通常都集中在肌細胞膜與神經未梢分布相對應的那些部分；而在腎小管和消化管上皮細胞，與管腔相對的膜和其余部分的膜中所含的蛋白質種類大不相同，說明各種功能蛋白質分子并不都能在所在的細胞膜中自由移動和隨機分布，而實際存在著的有區(qū)域特性的分布，顯然同蛋白質完成其特殊功能有關。膜內側的細胞骨架可能對某種蛋白質分子局限在膜的某一特殊部分起著重要作用。