Ein Phospholipid besteht aus Glycerin, zwei Fettsäureresten und einer geladenen Phosphatgruppe mit weiterem Rest (dem Kopf). Der Kopf mischt sich mit Wasser: er ist hydrophil. Die zwei Fettsäureketten sind unpolar und meiden Wasser: sie sind hydrophob. Beides zusammen heißt amphiphil.

In Wasser lagern sich Phospholipide von selbst zu einer Doppelschicht zusammen: Die Köpfe zeigen nach außen zum Wasser, die Schwänze nach innen und berühren einander.

Der Bau der Membran wurde schrittweise aufgeklärt:

• Gorter und Grendel (1925): Die Lipide roter Blutzellen bilden ausgebreitet einen Film, der die doppelte Fläche der Zelloberfläche hat (angenommen 0,80 m² bei 0,40 m²). Sie liegen in der Zelle also in zwei Lagen: eine Doppelschicht.
• Davson und Danielli (1935): Sandwich-Modell, eine Lipid-Doppelschicht zwischen zwei Proteinschichten.
• Singer und Nicolson (1972): Fluid-Mosaik-Modell. Elektronenmikroskopische Bilder von gebrochenen, tiefgefrorenen Zellen zeigten Proteine mitten in der Membran, was das Sandwich-Modell nicht erklärte.

Im Fluid-Mosaik-Modell ist die Doppelschicht fluide: Die Lipide bewegen sich seitlich. Die Proteine sind wie Mosaiksteine eingelagert: Integrale Membranproteine durchspannen die Doppelschicht, periphere sitzen an einer Seite. Kohlenhydratketten ragen nach außen (Glykokalyx). Als Beleg für die Beweglichkeit durchmischen sich nach der Verschmelzung einer Maus- und einer Menschenzelle die verschieden markierten Membranproteine nach kurzer Zeit.

Permeabel heißt durchlässig. Eine Membran ist selektiv permeabel: Sie lässt Stoffe unterschiedlich leicht passieren.

• Kleine unpolare Moleküle ($\mathrm{O_2}$, $\mathrm{CO_2}$) und fettlösliche Stoffe durchqueren die Doppelschicht leicht.
• Wasser passiert sie in geringem Maß, schneller durch Wasserkanäle (Aquaporine).
• Ionen wie $\mathrm{Na^+}$, $\mathrm{K^+}$, $\mathrm{Cl^-}$ und große polare Moleküle wie Glucose werden vom wasserabweisenden Innern der Doppelschicht abgewiesen. Sie brauchen Transportproteine, die jeweils nur bestimmte Stoffe durchlassen.

Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen bewegen sich ständig ungeordnet. Dadurch mischen sie sich: Netto wandern mehr Teilchen vom Ort hoher zum Ort niedriger Konzentration (Konzentrationsgefälle) als umgekehrt, bis die Konzentration überall gleich ist. Diese Diffusion kostet keine Energie. Sie ist schneller bei größerer Fläche, größerem Gefälle und kürzerem Weg:

Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran, die gelöste Teilchen nicht durchlässt. Wasser strömt dorthin, wo mehr gelöste Teilchen sind. Beim Vergleich zweier Lösungen heißt die mit mehr gelösten Teilchen hypertonisch, die mit weniger hypotonisch, bei gleicher Teilchenzahl isotonisch.

Eine Tierzelle platzt in hypotonischer Umgebung (rote Blutzellen in destilliertem Wasser) und schrumpft in hypertonischer. Eine Pflanzenzelle platzt nicht: Nimmt ihre Vakuole Wasser auf, drückt der Protoplast (Zellplasma mit Membran) gegen die feste Zellwand. Das ist der Turgor.

In hypertonischer Lösung gibt die Vakuole Wasser ab, und der Protoplast löst sich von der Zellwand: Plasmolyse. Die Zellwand ist durchlässig, der Spalt füllt sich mit Außenlösung. Kommt die lebende Zelle zurück in Wasser, legt sich der Protoplast wieder an: Deplasmolyse. Sind 50 % der Zellen plasmolysiert, spricht man von Grenzplasmolyse, und die Außenlösung ist etwa isotonisch zum Zellsaft.

Der passive Transport folgt dem Gefälle und braucht keine Energie der Zelle. Der aktive Transport befördert Stoffe gegen das Gefälle, die Energie liefert meist ATP (sie wird beim Abspalten einer Phosphatgruppe frei). Kanalproteine sind Poren für bestimmte Ionen. Carrier binden den Stoff, ändern ihre Form und geben ihn auf der anderen Seite frei. Sind alle Carrier besetzt, ist die Transportrate am Maximum (Sättigung), die einfache Diffusion dagegen nimmt mit dem Gefälle immer weiter zu.

Beim sekundär aktiven Transport nutzt ein Carrier das Gefälle, das eine Pumpe aufgebaut hat: Darmzellen nehmen Glucose gemeinsam mit $\mathrm{Na^+}$ auf.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Carrierprotein, das ATP spaltet. Ein Arbeitsgang:
Schritt 1: Drei $\mathrm{Na^+}$ binden von innen an das Protein.
Schritt 2: ATP überträgt eine Phosphatgruppe, das Protein ändert seine Form, die $\mathrm{Na^+}$ gelangen nach außen.
Schritt 3: Zwei $\mathrm{K^+}$ binden von außen, die Phosphatgruppe fällt ab, das Protein klappt zurück, die $\mathrm{K^+}$ gelangen nach innen.

So bleibt die $\mathrm{Na^+}$-Konzentration innen niedrig (etwa 10 mmol/L, außen etwa 145 mmol/L) und die $\mathrm{K^+}$-Konzentration innen hoch (etwa 140 mmol/L, außen etwa 5 mmol/L). Je Arbeitsgang wird eine positive Ladung mehr hinaus als hinein befördert.

Große Teilchen und Makromoleküle passen durch kein Transportprotein. Dann transportiert die Zelle sie in Vesikeln.

• Endocytose: Die Membran stülpt sich ein und schnürt ein Vesikel nach innen ab. Bei der Phagocytose nimmt die Zelle feste Partikel auf (Fresszellen nehmen Bakterien auf), bei der Pinocytose Flüssigkeitströpfchen.
• Exocytose: Ein Vesikel, zum Beispiel vom Dictyosom, verschmilzt mit der Zellmembran und entleert seinen Inhalt nach außen, etwa Verdauungsenzyme oder Hormone.

Beide Vorgänge brauchen Energie. Endocytose verkleinert die Zellmembran, Exocytose vergrößert sie, im Mittel bleibt die Fläche gleich.

Kompartimente tauschen Stoffe auf zwei Wegen aus. Entweder durch Transportproteine: Carrier im Mitochondrium tauschen ATP gegen ADP aus. Oder durch Vesikel: Ein Protein entsteht am rauen ER, geht im Vesikel zum Dictyosom, wird dort verändert und in einem weiteren Vesikel zur Zellmembran oder zum Lysosom geschickt.
Eine Zelle ist ein offenes System: Sie tauscht Stoffe und Energie mit der Umgebung aus. Ihr Zustand bleibt dennoch gleich, wie der Wasserstand in einer Badewanne mit Zulauf und Ablauf. Das heißt Fließgleichgewicht. Es besteht nur, solange die Zelle Energie einsetzt, etwa für Pumpen. Würden sich alle Konzentrationsunterschiede ausgleichen, wäre die Zelle tot.

Viele Signalstoffe, etwa Hormone, können die Membran nicht durchqueren. Sie binden außen an einen Rezeptor, ein Membranprotein mit passender Bindestelle. Die Signaltransduktion hat drei Schritte:
Schritt 1, Signalaufnahme: Der Signalstoff (erster Botenstoff) bindet an den Rezeptor, der seine Form ändert.
Schritt 2, Signalübertragung: Im Zellinnern aktiviert der Rezeptor Proteine, oft entsteht ein zweiter Botenstoff wie cAMP, der viele Enzyme aktiviert (Verstärkung).
Schritt 3, Zellantwort: Ein Enzym wird aktiv, ein Transport läuft an oder ein Gen wird abgelesen.

Beispiel: Adrenalin bindet an Rezeptoren von Leberzellen, über cAMP wird Glucose freigesetzt. Zur Zell-Zell-Erkennung tragen Zellen Kohlenhydratketten der Glykokalyx wie einen Ausweis. Die Blutgruppen des AB0-Systems beruhen auf verschiedenen Zuckerketten der roten Blutzellen.