细胞内的膜结构同样发挥着重要的作用，其原因包括两方面内容：第一，可为化学反应的进行提供附着表面；第二，可在细胞内创造出独立的区域，以供化学反应进行，从而避免各反应间相互干扰。在细菌中，质膜的内表面决定了细胞内各种物质的位置，并为特定物质提供附着点。如果将细胞比喻成一座工厂，那么细胞内膜则为细胞生产的各个环节提供工作台、地板、天花板以及墙壁，而细胞核则作为中心区的办公室，存储着各种信息。细菌等小型细胞通常呈杆状，其质膜内侧可在细胞内部提供较大的表面区域，因此，任何需要固定的物质均可“挂”在质膜内侧上。也正因如此，细菌及其他原核生物通常只含有数量极少的细胞内膜，甚至存在内膜缺失。如前所述，真核细胞的内部体积可达到细菌的1000倍，因此需要一个更为庞大的内膜系统，其总面积约为质膜的100倍。细胞内生物化学活动的间隔分离十分必要，否则正在进行的数百种化学反应会发生严重的相互干扰。而缺乏内膜系统的原核生物则主要通过将特定酶聚集形成多蛋白复合物来解决这一问题（在某种程度上真核生物也同样需要这一途径）。多蛋白复合物可以在细胞内作为游离物质发挥功能。对于真核生物而言，它们将不同的代谢过程限制于不同的被膜区域内。真核细胞的主要内膜系统是内质网，它在细胞内构建了一个庞大的网络。在细胞膜内，除细胞核之外的所有物质统称为细胞质（如图5a、5b所示）。细胞质基质是溶解于水中的复杂混合物，如同一碗非常拥挤的“分子汤羹”，细胞内所有物质均被细胞质基质所包围。

图5 细胞内膜及其结构

a.核膜将细胞核与细胞质间隔开，细胞质中含有包括线粒体与内质网在内的其他细胞器；b.一个被附着在内质网表面的螺旋状多聚核糖体所包围的线粒体；c.核孔复合体（箭头所指位置）；d.高尔基体由大量的膜堆叠而成