Wie die Zellmembran enthalten Membranen einiger Organellen Transportproteine oder Permeasen, die eine chemische Kommunikation zwischen Organellen ermöglichen. Permeasen in der lysosomalen Membran ermöglichen beispielsweise Aminosäuren, die im Lysosom erzeugt werden, in das Zytoplasma zu gelangen, wo sie für die Synthese neuer Proteine verwendet werden können. Die Kommunikation zwischen Organellen wird auch durch die Membranknospungsprozesse der Endozytose und Exozytose erreicht, die im Wesentlichen die gleichen sind wie in der Zellmembran (siehe oben Transport über die Membran). Andererseits können die Biosynthese- und Abbauprozesse, die in verschiedenen Organellen stattfinden, Bedingungen erfordern, die sich stark von denen anderer Organellen oder des Cytosols (des flüssigen Teils der Zelle, der die Organellen umgibt) unterscheiden. Interne Membranen halten diese unterschiedlichen Bedingungen aufrecht, indem sie sie voneinander isolieren. Zum Beispiel ist der Innenraum von Lysosomen viel saurer als der des Cytosols — pH 5 im Gegensatz zu pH 7 — und wird durch spezifische protonenpumpende Transportproteine in der Lysosomenmembran aufrechterhalten.
Eine weitere Funktion von Organellen besteht darin, konkurrierende enzymatische Reaktionen daran zu hindern, sich gegenseitig zu stören. So werden essentielle Proteine am rauen endoplasmatischen Retikulum und im Cytosol synthetisiert, während unerwünschte Proteine in den Lysosomen und teilweise auch im Cytosol abgebaut werden. In ähnlicher Weise werden Fettsäuren im Cytosol hergestellt und dann entweder in den Mitochondrien zur Synthese von ATP abgebaut oder in den Peroxisomen unter gleichzeitiger Wärmeentwicklung abgebaut. Diese Prozesse müssen isoliert gehalten werden. Organellenmembranen verhindern auch, dass potenziell tödliche Nebenprodukte oder Enzyme empfindliche Moleküle in anderen Regionen der Zelle angreifen, indem sie solche Abbauaktivitäten in ihren jeweiligen membrangebundenen Kompartimenten sequestrieren.
Die inneren Membranen eukaryotischer Zellen unterscheiden sich sowohl strukturell als auch chemisch von der äußeren Zellmembran. Wie die äußere Membran bestehen sie aus einer Phospholipid-Doppelschicht, in die spezifische Membranproteine eingebettet oder gebunden sind (siehe oben Chemische Zusammensetzung und Struktur der Membran). Die drei Hauptlipide, die die äußere Membran bilden — Phospholipide, Cholesterin und Glycolipide — befinden sich ebenfalls in den inneren Membranen, jedoch in unterschiedlichen Konzentrationen. Phospholipid ist das primäre Lipid, das alle Zellmembranen bildet. Cholesterin, das zur Fließfähigkeit und Stabilität aller Membranen beiträgt, wird in inneren Membranen bei etwa 25 Prozent der Konzentration in der äußeren Membran gefunden. Glykolipide kommen nur als Spurenbestandteile innerer Membranen vor, während sie etwa 5 Prozent des äußeren Membranlipids ausmachen.
