Клетката има много изисквания, за да расте и да се размножава, а дори клетките, които не растат активно или се размножават, изискват хранителни вещества от околната среда, за да функционират. Много от изискванията на клетката са молекули, които могат да бъдат намерени извън клетката, включително вода, захари, витамини и протеини.
Клетъчната мембрана има важни защитни и структурни функции и действа, за да запази клетъчното съдържание отделно от външната среда. Липидният двуслоен на клетъчната мембрана е съставен от фосфолипиди, които имат хидрофобни (маслени разтворими, "опасяващи се от вода") опашки, които образуват бариера за много разтворители и молекули в околната среда. Тази характеристика на клетъчната мембрана позволява на вътрешната среда на клетката да се различава от външната среда, но също така действа като основна бариера за поемането на определени молекули от околната среда и изхвърлянето на отпадъци.
Липидният бислой обаче не представлява проблем за всички молекули. Хидрофобни (или разтворими в масло) неполярни молекули могат свободно да дифундират през клетъчната мембрана безпрепятствено. Този клас молекули включва газове като кислород (O2), въглероден диоксид (CO2) и азотен оксид (NO). По-големите хидрофобни органични молекули също могат да преминават през плазмената мембрана, включително някои хормони (като естроген) и витамини (като витамин D). Малките полярни молекули (включително водата) са частично затруднени от липидния двуслоен, но все още могат да преминат през него.
За молекулите, които могат свободно да преминават през мембраната на клетката, независимо дали преминават в клетката или извън нея, зависи от тяхната концентрация. Нарича се тенденцията на молекулите да се движат според градиента на концентрацията им (тоест от по-висока концентрация до по-ниска концентрация) дифузия. Това означава, че молекулите ще изтичат от клетката, ако има повече вътре в клетката, отколкото навън. По същия начин, ако има повече извън клетката, молекулите ще постъпват в клетката, докато не се постигне баланс. Например, помислете за мускулна клетка. По време на тренировка клетката преобразува О2 в CO2. Докато окислената кръв навлиза в мускула, O2 пътува от мястото, където концентрацията е по-висока (в кръвта) до мястото, където е по-ниска (в мускулните клетки). В същото време CO2 излиза от мускулните клетки (където е по-високо) към кръвта (където е по-ниска). Дифузията не изисква разход на енергия. Дифузията на водата получава специално име, осмоза.
За по-големи полярни молекули и всякакви заредени молекули влизането и излизането от клетката е по-трудно, тъй като те не могат да преминат през липидния двуслоен. Този клас молекули включва йони, захари, аминокиселини (градивни елементи на протеините) и много други неща, от които клетката се нуждае, за да оцелее и да функционира. За да разреши този проблем, клетката има транспортни протеини, които позволяват на тези молекули да се движат в и извън клетката. Тези транспортни протеини съставляват 15-30% от протеините в клетъчната мембрана.
Транспортните протеини се предлагат в няколко форми и размери, но всички се простират през липидния двуслой и всеки транспортен протеин има специфичен тип молекула, който пренася. Има протеини-носители (които са известни също като преносители или пермеази), които се свързват с разтворимо вещество или молекула от едната страна на мембраната и я транспортират до другата страна на мембраната. Втори клас транспортни протеини включва каналните протеини. Каналните протеини образуват хидрофилни („водолюбиви“) отвори в мембраната, за да позволят на полярни или заредени молекули да преминават през. Както каналните протеини, така и протеините-носители улесняват транспортирането и в клетката, и извън нея.
Молекулите могат да пътуват чрез транспортни протеини от висока концентрация до по-ниска концентрация. Този процес се нарича пасивен транспорт или улеснена дифузия. Той е подобен на дифузия на неполярни молекули или вода директно през липидния двуслоен, с изключение на това, че изисква транспортни протеини.
Понякога една клетка се нуждае от неща от околната среда, които присъстват в много ниска концентрация извън клетката. Алтернативно, една клетка може да изисква изключително ниски концентрации на определен разтворител вътре в клетката. Докато дифузията би позволила концентрациите вътре и извън клетката да се движат към равновесие, процес, наречен активен транспорт помага да се концентрира разтворено вещество или молекула вътре или извън клетката. Активният транспорт изисква разход на енергия, за да се движи молекула спрямо нейния концентрационен градиент. Има две основни форми на активен транспорт в еукариотните клетки. Първият тип се състои от помпи, задвижвани от ATP. Тези помпи използват хидролиза на АТФ, за да транспортират определен мембран от разтворено вещество или молекула през мембраната, за да го концентрират вътре или извън клетката. Вторият тип (наричан котранспортьори) сдвоява транспортирането на една молекула срещу нейния градиент на концентрация (от ниска до висока) с транспортирането на втора молекула надолу по нейния градиент на концентрация (от висока до ниска).
Клетките също използват активен транспорт за поддържане на правилната концентрация на йони. Йонната концентрация е много важна за електрическите свойства на клетката, като контролира количеството вода в клетките и други важни функции на йони. Например, магнезиевите йони (MG2 +) са много важни за много протеини, участващи в възстановяването и поддържането на ДНК. Калцият (Ca2 +) също е важен за много клетъчни процеси, а активният транспорт спомага за поддържането на калциев градиент от 1: 10 000. Транспортирането на йони през липидния двуслоен зависи не само от градиента на концентрацията, но и от електрическите свойства на мембраната, където като заряди се отблъскват. Натриево-калиевата АТФаза или Na + -K + помпа поддържа по-висока концентрация на натрий извън клетката. Почти една трета от енергийната потребност на клетката се изразходва в това начинание. Този огромен разход на енергия за активния транспорт на йони потвърждава значението на поддържането на баланс на молекулите в правилната функция на клетките.
Оsmosis е пасивната дифузия на водата през клетъчната мембрана и не се нуждае от транспортни протеини. Аctive транспорт е движението на молекулите срещу техния градиент на концентрация (от ниска до висока концентрация) или срещу техния електричен градиент (към подобен заряд) и изисква протеинови транспортери и добавената енергия, или чрез хидролиза на АТФ, или чрез свързване към по-надолу транспортирането на друго разтворено вещество.