Come la membrana cellulare, le membrane di alcuni organelli contengono proteine di trasporto, o permeasi, che consentono la comunicazione chimica tra organelli. Permeases nella membrana lisosomiale, per esempio, permettono che gli amminoacidi generati dentro il lisosoma attraversino nel citoplasma, in cui possono essere usati per la sintesi di nuove proteine. La comunicazione tra organelli si ottiene anche dai processi di germogliamento della membrana di endocitosi ed esocitosi, che sono essenzialmente gli stessi della membrana cellulare (vedi sopra Trasporto attraverso la membrana). D’altra parte, i processi biosintetici e degradativi che avvengono in diversi organelli possono richiedere condizioni molto diverse da quelle di altri organelli o del citosol (la parte fluida della cellula che circonda gli organelli). Le membrane interne mantengono queste diverse condizioni isolandole l’una dall’altra. Ad esempio, lo spazio interno dei lisosomi è molto più acido di quello del citosol—pH 5 rispetto al pH 7—ed è mantenuto da specifiche proteine di trasporto protone-pompaggio nella membrana del lisosoma.

Un’altra funzione degli organelli è quella di impedire che le reazioni enzimatiche concorrenti interferiscano l’una con l’altra. Ad esempio, le proteine essenziali sono sintetizzate sul reticolo endoplasmatico ruvido e nel citosol, mentre le proteine indesiderate sono scomposte nei lisosomi e anche, in una certa misura, nel citosol. Allo stesso modo, gli acidi grassi sono fatti nel citosol e quindi suddivisi nei mitocondri per la sintesi di ATP o degradati nei perossisomi con concomitante generazione di calore. Questi processi devono essere tenuti isolati. Le membrane degli organelli inoltre impediscono ai sottoprodotti o agli enzimi potenzialmente letali di attaccare le molecole sensibili in altre regioni della cellula sequestrando tali attività degradative nei rispettivi compartimenti delimitati dalla membrana.

Le membrane interne delle cellule eucariotiche differiscono sia strutturalmente che chimicamente dalla membrana cellulare esterna. Come la membrana esterna, sono costruiti con un doppio strato fosfolipidico in cui sono incorporate, o legate, proteine di membrana specifiche (vedi sopra Composizione chimica e struttura della membrana). I tre principali lipidi che formano la membrana esterna—fosfolipidi, colesterolo e glicolipidi-si trovano anche nelle membrane interne, ma in diverse concentrazioni. Il fosfolipide è il lipide primario che forma tutte le membrane cellulari. Il colesterolo, che contribuisce alla fluidità e alla stabilità di tutte le membrane, si trova nelle membrane interne a circa il 25% della concentrazione nella membrana esterna. I glicolipidi si trovano solo come componenti in traccia delle membrane interne, mentre costituiscono circa il 5% del lipido della membrana esterna.