神经元由含有脂质和蛋白质的膜包绕。脂质作为一种液态密封剂,虽是柔韧的,但对极化分子却是一种不可逾越的屏障。疏水性物质可溶于膜脂质,并几乎完全以液态烃相的形式从膜的一侧扩散到另一侧。蛋白质的存在使膜具有受体、载体、离子通道、泵或酶等功能活动。膜脂质是多形的,随温度、压力、离子强度和组成的不同,可以各种不同的形式存在。神经元细胞膜的脂质,同其他膜一样,大多呈层状液晶相。脂质双层构成膜的结构框架,既有侧向的不均匀性和不对称性,也有横向的不对称性。许多膜蛋白可穿通脂质双层全长,称为整合蛋白质。整合蛋白质也以不对称的方式插入膜内,与脂质双层直接作用。整合蛋白质至少含有一个α螺旋的疏水氨基酸序列,与脂质双层的疏水核心形成疏水键,可被去垢剂溶解。另一些膜蛋白称为外周蛋白质,以静电结合和疏水性非共价键相互作用的形式,结合在膜的表面,可以通过改变pH、离子浓度或螯合二价阳离子等方式,将其从膜逐出。
膜表面的受体蛋白质介导神经元与其周围环境之间的相互作用,既可决定细胞的粘连特性,更可参与信号-反应系统(signal-response system)。大多数受体属于一个结构相似但功能各异的蛋白质大家族。与细胞外配体结合的受体通过不同方式引起细胞反应。有些受体本身即是蛋白激酶,另一些是离子通道。还有一些受体与G蛋白结合并使之激活,进而影响其他细胞过程,如磷脂酰肌醇磷脂分解。包括Ca 2+ 通道在内的Na + 、K + 等3种电压门控的离子通道均遵循共同的结构原理。快K + 通道是由616个氨基酸组成的一种多肽,有6或7个跨膜区。Na + 和Ca 2+ 通道的蛋白质均比快K + 通道大3倍,均有约1 800个氨基酸,均具有4个功能区,每一功能区均与快K + 通道的单一功能区相当类似。如同快K + 通道一样,每一功能区均有6个跨膜节段,而且也如快K + 通道一样,在S 4 节段高度极化,可作为电压传感器。除电压门控性离子通道外,还存在配体门控性离子通道以及作为G蛋白效应器的离子通道。Na + -K + 泵、Ca 2+ 泵、质子泵等均是ATP依赖性,具有相似的分子结构,在进化上具有密切关系,是维持细胞内离子浓度和pH的重要转运系统。