Con pocas excepciones, las membranas celulares -incluyendo las membranas plasmáticas y las membranas internas- están hechas de glicerofosfolípidos, moléculas compuestas por glicerol, un grupo fosfato y dos cadenas de ácidos grasos. El glicerol es una molécula de tres carbonos que funciona como columna vertebral de estos lípidos de membrana. Dentro de un glicerofosfolípido individual, los ácidos grasos están unidos al primer y segundo carbono, y el grupo fosfato está unido al tercer carbono de la columna vertebral del glicerol. Los grupos de cabeza variable están unidos al fosfato. Los modelos de llenado de espacio de estas moléculas revelan su forma cilíndrica, una geometría que permite a los glicerofosfolípidos alinearse uno al lado del otro para formar hojas anchas (Figura 1).
Los glicerofosfolípidos son, con mucho, los lípidos más abundantes en las membranas celulares. Como todos los lípidos, son insolubles en agua, pero su geometría única hace que se agreguen en bicapas sin ningún aporte de energía. Esto se debe a que son moléculas de dos caras, con cabezas de fosfato hidrofílicas (amantes del agua) y colas de hidrocarburos de ácidos grasos hidrofóbicas (temerosas del agua). En el agua, estas moléculas se alinean espontáneamente, con sus cabezas mirando hacia fuera y sus colas alineadas en el interior de la bicapa. Así, las cabezas hidrofílicas de los glicerofosfolípidos de la membrana plasmática de una célula están orientadas tanto hacia el citoplasma acuoso como hacia el exterior de la célula.
En conjunto, los lípidos representan aproximadamente la mitad de la masa de las membranas celulares. Las moléculas de colesterol, aunque menos abundantes que los glicerofosfolípidos, representan alrededor del 20 por ciento de los lípidos de las membranas plasmáticas de las células animales. Sin embargo, el colesterol no está presente en las membranas bacterianas ni en las mitocondriales. Además, el colesterol ayuda a regular la rigidez de las membranas, mientras que otros lípidos menos destacados desempeñan funciones de señalización y reconocimiento celular.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. Muchas de estas proteínas están incrustadas en la membrana y sobresalen por ambos lados; son las llamadas proteínas transmembrana. Las porciones de estas proteínas que están anidadas en medio de las colas hidrocarbonadas tienen características superficiales hidrofóbicas, y las partes que sobresalen son hidrofílicas (Figura 2).
A temperaturas fisiológicas, las membranas celulares son fluidas; a temperaturas más frías, se convierten en un gel. Los científicos que modelan la estructura y la dinámica de la membrana la describen como un mosaico fluido en el que las proteínas transmembrana pueden moverse lateralmente en la bicapa lipídica. Por tanto, el conjunto de lípidos y proteínas que componen una membrana celular depende de propiedades biofísicas naturales para formarse y funcionar. Sin embargo, en las células vivas, muchas proteínas no pueden moverse libremente. A menudo están ancladas en su lugar dentro de la membrana por medio de ataduras a proteínas del exterior de la célula, a elementos del citoesqueleto del interior de la célula, o a ambos.