細胞内膜系
核膜は核を取り囲み、その内容物を細胞質から分離している。核膜は2層の膜 (外膜と内膜) から構成され、どちらもタンパク質が結合した脂質二重層である。核の外膜は粗面小胞体の膜と連続しており、粗面小胞体膜と同じく表面にはリボソームが付着している。また、外膜は内膜とも連続しており、核膜孔と呼ばれる、核膜を貫通する無数の小さな穴の部分で2つの脂質二重層は融合している。核膜孔の直径は約 120 nmで、核と細胞質との間の物質の交通を調節しており、ある物質は膜を通過させるが、他のものは通さない。核と細胞質との間の物質輸送量は多く、そのため核膜孔は細胞の生理に重要な役割を果たしている。外膜と内膜の間の空間は核膜腔 (perinuclear space) と呼ばれ、粗面小胞体の内腔とつながっている。
核膜の構造は中間径フィラメントのネットワークによって決定される。このネットワークは核の内側の面に沿って核ラミナと呼ばれる網目状の裏打ち構造を組織し、クロマチン、核膜の膜貫通タンパク質や他の核の構成要素と結合している。
細胞膜はリン脂質の二重層からなる膜で、細胞を環境から分離し、細胞内外への分子やシグナルの輸送の調節を行っている。細胞膜の機能を果たしているのは、主に膜に埋め込まれたタンパク質である。細胞膜は固定されているわけでも強固な構造を持っているわけでもなく、膜を構成する分子は横方向に自由に動くことができる。この動的性質と複数の要素から構成されることとが、細胞膜が「流動モザイク」と呼ばれる理由である。二酸化炭素や水、酸素といった小さな分子は、拡散または浸透によって細胞膜を自由に通過することができる。より大きな分子は、タンパク質の補助のもと、促進拡散や能動輸送によって膜を通過する。
細胞膜は複数の機能を持っている。細胞膜は、細胞内へ栄養素を輸送し、不要物を排出し、物質の細胞内への進入を防ぎ、必要な物質が細胞から出ていくのを防ぎ、細胞質のpHと浸透圧を維持する。これらの機能のために用いられる輸送タンパク質は、いくつかの物質を通過させるのに対して、他の物質は通さない。これらのタンパク質は、濃度勾配に逆らって物質をくみ上げる場合には、ATPの加水分解のエネルギーを利用する。
これらの普遍的機能に加えて、多細胞生物の細胞膜はより特殊な機能も持つ。細胞膜上の糖タンパク質は、代謝産物の交換や組織形成のために他の細胞を認識するのを助ける。他の細胞膜のタンパク質は、細胞骨格と細胞外マトリックスを連結し、細胞の形状の維持や膜タンパク質の位置の固定を行っている。酵素の中には、細胞膜上に存在しているものもある。膜の受容体タンパク質は、その受容体がメッセンジャーとして利用している物質にマッチする形状をしており、メッセンジャーが結合することによって細胞に様々な応答を引き起こす。
核ラミナは、核内の物質の核膜孔への移動や、有糸分裂中の核膜の解体とその後の再構築を助けていると考えられている。
核膜は相当量の輸送を担っているため、核膜孔での物質の出入りの調節は極めて効率的に行われている。RNAとリボソームのサブユニットは絶えず核から細胞質へ輸送されなければならない。ヒストン、遺伝子調節タンパク質、DNAポリメラーゼとRNAポリメラーゼ、そして核の活動に必須な他の物質は細胞質から核へ輸送されなければならない。典型的な哺乳類細胞の核膜には、3000個から4000個の核膜孔複合体が存在する。細胞がDNAを合成している時、核膜孔複合体1個当たり毎分約100個のヒストン分子を細胞質から核へ輸送する必要がある。細胞が迅速に成長している時には、新しく組み立てられたリボソームの大サブユニットと小サブユニットを毎分約6個、核からタンパク質合成が行われる細胞質へ輸送する必要がある。