生物膜所含的蛋白叫膜蛋白，是生物膜功能的主要承担者。 根据蛋白分离的难易及在膜中分布的位置，膜蛋白基本可分为三大类：外在膜蛋白或称外周膜蛋白、内在膜蛋白或称整合膜蛋白和脂锚定蛋白。膜蛋白包括糖蛋白，载体蛋白和酶等。通常在膜蛋白外会连接着一些糖类，这些糖会通过糖本身分子结构变化将信号传到细胞内。

外在膜蛋白分布在膜的内外表面，约占膜蛋白的20%～30%，主要在内表面，为水溶性蛋白，它通过离子键、氢键与膜脂分子的极性头部相结合，或通过与内在蛋白的相互作用，间接与膜结合。

内在蛋白约占膜蛋白的70%～80%，是双亲媒性分子，可不同程度的嵌入脂双层分子中。有的贯穿整个脂双层，两端暴露于膜的内外表面，这种类型的膜蛋白又称跨膜蛋白。内在膜蛋白露出膜外的部分含较多的极性氨基酸，属亲水性，与磷脂分子的亲水头部邻近；嵌入脂双层内部的膜蛋白由一些非极性的氨基酸组成，与脂质分子的疏水尾部相互结合，因此与膜结合非常紧密。 据估计人类基因中，1/4~1/3基因编码的蛋白质为内在膜蛋白。

脂锚定膜蛋白是通过与之共价相连的脂分子插入膜的脂双分子中，从而锚定在细胞质膜上。

研究膜蛋白结构的技术包括 X 射线衍射、核磁共振波谱、电子显微镜、原子力显微镜、红外光谱和圆二色谱等。其中 X 射线衍射和核磁共振波谱技术是对膜蛋白三维结构进行研究的主要方法。尤其利用固体核磁共振技术可在接近膜蛋白的天然环境的磷脂双分子层中研究膜蛋白的三维结构信息和动力学特征。

常用于重组膜蛋白的表达系统有真核表达系统、原核表达系统和近些年来发展的无细胞表达系统。其中以大肠杆菌（E.coli）为代表的原核表达系统因为操作简单、成本相对低廉、遗传背景清楚、方便同位素标记，以及有大量可利用的表达载体和宿主菌株等原因，是当下获取重组膜蛋白的最主要途径。对于一些膜蛋白而言，采用增加蛋白可溶性或者促使蛋白形成包涵体的标签进行融合表达，是很好的增加蛋白产量的办法，但是暂时还没有普遍有效的融合标签可用于所有膜蛋白的超量表达。

膜蛋白的功能是多方面的。膜蛋白在生物体的许多生命活动中起着非常重要的作用，如细胞的增殖和分化、能量转换、信号转导及物质运输等。据估计有大约60%的药物作用靶点是膜蛋白。

膜蛋白可作为载体而将物质转运进出细胞。有些膜蛋白是激素或其他化学物质的专一受体，如甲状腺细胞上有接受来自脑垂体的促甲状腺素的受体。膜表面还有各种酶，使专一的化学反应能在膜上进行，如内质网膜上的能催化磷脂的合成等。细胞的识别功能也决定于膜表面的蛋白质。这些蛋白常常是表面抗原。表面抗原能和特异的抗体结合，如人细胞表面有一种蛋白质抗原HLA，是一种变化极多的二聚体。不同的人有不同的HLA分子，器官移植时，被植入的器官常常被排斥，这是因为植入细胞的HLA分子不为受体所接受之故。

很多膜蛋白在脂双层中能够自由移动，这可通过人、鼠两种细胞的融合后，再用其中一种细胞的抗体，比如小鼠细胞的抗体，以荧光染料染色，而后将这种带有荧光的抗体放入融合细胞的外面介质中，抗体就会和小鼠细胞的表面抗原结合。结果小鼠细胞表面也有了荧光，而人细胞由于不合小鼠抗体结合，就没有荧光。这样就可以在荧光显微镜下分清两种细胞的表面抗原了。实验结果表明，细胞开始融合时，人、鼠细胞的表面抗原“泾渭分明”，各自只分布于各自的细胞表面；但在融合之后，两种抗原就逐渐平均分布在融合细胞的表面了。这一实验说明膜蛋白是可移动的，也证明了膜的流动性。不过，有些膜蛋白是不能移动或不能自由移动的。