После химической фиксации под электронным микроскопом мембраны выглядят как трехслойные структуры толщиной 7,5 нм.. Согласно традиционной модели Даниели—Давсона—Робертсона, средний, более светлый промежуток соответствует непрерывному липидному бислою, в котором гидрофильные группы липидов обращены наружу. Белки располагаются на полярной поверхности липидов и вступают с ними в электростатическое взаимодействие. Американский ученый Робертсон полагал, что подобная элементарная мембрана лежит в основе строения любой клеточной мембраны. Однако имеются данные, указывающие на то, что, несмотря на общее сходство в строении мембранных структур, имеются между ними существенные различия. В результате дальнейшего, более детального изучения мембранных структур в универсальную модель были введены некоторые усложнения. Кроме того, были предложены новые модели, в которых основная роль в поддержании структурной организации мембран приписывается гидрофобным связям. Согласно модели Ленарда и Зингера, полярные головки фосфолипидов вместе с ионными боковыми группами структурного белка расположены на поверхности мембраны, а неполярные цепи белка и липиды располагаются внутри мембраны и стабилизируются здесь гидрофобными взаимодействиями. Геометрическая модель Вандеркой и Грина состоит из двух слоев глобулярных белков; пространство между глобулами заполнено фосфолипидными молекулами, полярные головки которых расположены на водной поверхности мембраны. В отличие от этой модели в жидкостно-мозаичной модели Зингера и Николсона глобулярные белки и фосфолипиды не являются фиксированной структурой, они более подвижны и свободно перемещаются в мембране.
