膜计算是受细胞生物学启发而开创的新兴研究领域。作为理论计算机科学的一个研究分支,膜计算的研究目的是为了从细胞结构和功能中抽象出新的计算模型和算法,相关研究成果在计算机科学、语言学、图形学、系统生物学、密码学等领域有着广泛的应用价值。在膜系统中受细胞蛋白启发已建立两类模型：蛋白膜系统和组织膜系统。本文主要研究了蛋白膜系统及其不同变体的计算通用性、计算有效性、计算复杂性,以及组织膜系统的计算有效性。主要内容如下：计算模型的计算有效性问题是计算机科学中经典研究问题之一。针对蛋白膜系统的计算有效性问题构建了一族蛋白膜系统,该系统能够在线性时间内给出QSAT问题的统一解,而且系统族中的每个系统均可求解相同规模下QSAT问题的全部算例。针对实际生化现象中存在反应误差,构建了一类极小并行蛋白膜系统。研究了极小并行蛋白膜系统的计算通用性和计算有效性。证明在极小并行模式下蛋白膜系统依然具有计算通用性。在引入基本膜分裂规则后,极小并行蛋白膜系统能够在多项式时间内给出NP完全问题的统一解。针对生化反应中存在的时间误差,建立能够克服系统环境影响的鲁棒系统——时间无关蛋白膜系统。在这类系统中规则执行时间的改变不会影响系统的计算结果。证明时间无关蛋白膜系统同样具有计算通用性。构建的时间无关系统族能够在多项式步数内给出NP完全问题的统一解。膜上蛋白可达状态的数目将会对系统的计算能力产生一定影响。针对这一问题,研究了触发型蛋白膜系统的计算能力。在这类系统中膜上蛋白仅有两个可达状态,蛋白在参加反应时仅能在两个可达状态之间进行跳转。构造了一族仅使用基本膜分裂规则的触发型蛋白膜系统,系统能够在多项式时间内求解NP完全问题。同时还研究了时间无关触发型蛋白膜系统的计算通用性。在膜计算中仅使用基本膜分裂规则的蛋白膜系统计算性能还未得到深入研究。在已知研究结果中,这类系统能够在多项式时间内求解NP完全问题。针对这一问题研究了仅使用基本膜分裂规则的蛋白膜系统的计算有效性。本文构造的仅使用基本膜分裂规则的蛋白膜系统能够在多项式时间内给出PP (Probabilistic Polynomial)完全问题的统一解。膜系统刻画复杂类的能力在不同的统一性约束下会发生改变。针对这一问题,研究了在AC0和L统一性约束下蛋白膜系统的计算复杂性。研究过程中引入了计算复杂性的相关理论,证明蛋白膜系统在统一模式和非统一模式均能刻画NL类。使用膜分离规则和膜分离规则的组织膜系统在求解NP完全问题的方式上有显著不同。针对这一问题,研究了组织膜系统的计算有效性。使用膜分离规则的组织膜系统能够在线性时间内得到指数个计算空间。组织膜系统在引入膜分离规则后能够在多项式时间内给出顶点覆盖问题的统一解。