Die biologische Membran ist eine Doppelschicht aus fettlöslichen Stoffen, den Lipiden. Sogenannte Phospholipide machen die Hauptmasse einer Membran aus. Diese Moleküle strecken ihre wasserlöslichen Köpfchen zu den beiden Seiten einer Membran in das wässrige Medium. Ihre fettliebenden Schwänze richten sie hingegen ins Innere der Membran, wo eine ölige Schicht entsteht. In diese ölige Schicht ist Cholesterin eingelagert, ein weiteres Lipid. Eine Biomembran ist sehr flexibel und mechanisch schwer zu zerstören. Wasser und andere wasserlösliche Moleküle (zum Beispiel Ionen) können sie nicht passieren, sie werden von der öligen Phase abgestoßen. Proteine hingegen, die ihre fettlöslichen Aminosäurereste nach außen kehren, können sich in diese Schicht einlagern und darin verankert werden. Solche Proteine werden als Membranproteine bezeichnet und haben für die Zelle mannigfaltige Funktionen. Je nachdem, ob sie die Membran ganz durchqueren oder nur an einer ihrer Seiten verankert sind, werden sie entweder Transmembranproteine oder assoziierte Membranproteine genannt.

Weil biologische Membranen so essenzielle Funktionen erfüllen, haben Defekte in ihrer Zusammensetzung schwerwiegende Folgen. Ein ganz konkretes Beispiel ist das Antiphospholipid-Syndrom (APS). Bei dieser Autoimmunerkrankung bildet das Immunsystem Antikörper gegen Phospholipide in der Membran von Blutzellen und gegen Proteine, die an diese Phospholipide assoziiert sind. Das hat eine vermehrte Gerinnbarkeit des Blutes zur Folge und führt zu Thrombosen. Die Erkrankung kommt vorrangig bei Frauen vor und verursacht gehäufte Fehlgeburten, Lungenembolien, Herzinfarkte, Schlaganfälle und Niereninfarkte.

Die gestörte Kommunikation bei Membrandefekten hat ebenfalls schwerwiegende Folgen. Ein Beispiel sind Störungen rund um die sogenannten Todesrezeptoren in der Zellmembran. Diese Transmembranproteine übermitteln normalerweise Signale aus der Nachbarschaft einer Zelle, die ihren Selbstmord einleiten sollen. Das kann sinnvoll sein, wenn die Zelle sich unkontrolliert teilt und dadurch das Gewebe gefährdet, wie im Falle einer Krebszelle. Sind die Todesrezeptoren oder nachgeschaltete Signalwege geschädigt, kann der Befehl zum Suizid nicht mehr ins Zellinnere übertragen werden. Die Krebszelle entzieht sich der Kontrolle durch ihre Umgebung, was zu einem ungehinderten Wachstum des Tumors führen kann.

Zahlreiche Erkrankungen stehen mit Defekten rund um eine Biomembran in Verbindung. Das beschränkt sich nicht nur auf die Zellmembran. In den Mitochondrien zum Beispiel können Defekte in verschiedenen Membranproteinen Störungen des Energiehaushalts auslösen und damit zu kombinierten Erkrankungen der energieabhängigen Gewebe der Skelettmuskulatur, des Herzens oder des Zentralen Nervensystems führen.