Com poucas exceções, as membranas celulares – incluindo as membranas plasmáticas e as membranas internas – são feitas de glicerofosfolípidos, moléculas compostas de glicerol, um grupo fosfato, e duas cadeias de ácidos graxos. O glicerol é uma molécula de três átomos de carbono que funciona como a espinha dorsal destes lípidos de membrana. Dentro de um glicerofosfolipídeo individual, os ácidos graxos estão ligados ao primeiro e segundo carbonos, e o grupo fosfato está ligado ao terceiro carbono da espinha dorsal do glicerol. Os grupos de cabeça variável estão ligados ao fosfato. Modelos de preenchimento de espaço destas moléculas revelam a sua forma cilíndrica, uma geometria que permite que os glicerofosfolípidos se alinhem lado a lado para formar folhas largas (Figura 1).
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Os glicerofosfolípidos são de longe os lipídios mais abundantes nas membranas celulares. Como todos os lípidos, eles são insolúveis em água, mas sua geometria única faz com que se agreguem em camadas de bílis sem qualquer entrada de energia. Isto porque são moléculas de duas faces, com cabeças de fosfatos hidrofílicos (amantes de água) e caudas de hidrocarbonetos hidrofóbicos (temerosos de água) de ácidos gordos. Na água, estas moléculas alinham espontaneamente – com as cabeças viradas para fora e as caudas alinhadas no interior do bico. Assim, as cabeças hidrofílicas dos glicerofosfolípidos da membrana plasmática de uma célula enfrentam tanto o citoplasma à base de água como o exterior da célula.
Junto, os lípidos representam cerca de metade da massa das membranas celulares. As moléculas de colesterol, embora menos abundantes que os glicerofosfolípidos, representam cerca de 20% dos lipídios das membranas plasmáticas das células animais. Entretanto, o colesterol não está presente nas membranas bacterianas ou nas membranas mitocondriais. Além disso, o colesterol ajuda a regular a rigidez das membranas, enquanto outros lipídios menos proeminentes desempenham papéis na sinalização e no reconhecimento celular.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. Muitas destas proteínas estão embutidas na membrana e se destacam em ambos os lados; estas são chamadas de proteínas transmembrana. As porções destas proteínas que são aninhadas entre as caudas de hidrocarbonetos têm características hidrofóbicas de superfície, e as partes que se destacam são hidrofílicas (Figura 2).
A temperaturas fisiológicas, as membranas celulares são fluidas; a temperaturas mais frias, elas se tornam gel. Os cientistas que modelam a estrutura e dinâmica da membrana descrevem a membrana como um mosaico fluido no qual as proteínas transmembranas podem se mover lateralmente no bocal lipídico. Portanto, a coleção de lipídios e proteínas que compõem uma membrana celular depende de propriedades biofísicas naturais para se formar e funcionar. Nas células vivas, no entanto, muitas proteínas não estão livres para se moverem. Elas são frequentemente ancoradas no lugar dentro da membrana por amarras a proteínas fora da célula, elementos citoesqueléticos dentro da célula, ou ambos.