À quelques exceptions près, les membranes cellulaires – y compris les membranes plasmatiques et les membranes internes – sont constituées de glycérophospholipides, des molécules composées de glycérol, d’un groupe phosphate et de deux chaînes d’acides gras. Le glycérol est une molécule à trois atomes de carbone qui sert de squelette à ces lipides membranaires. Dans un glycérophospholipide individuel, les acides gras sont fixés aux premier et deuxième carbones, et le groupe phosphate est fixé au troisième carbone du squelette du glycérol. Des groupes de tête variables sont fixés au phosphate. Les modèles de remplissage d’espace de ces molécules révèlent leur forme cylindrique, une géométrie qui permet aux glycérophospholipides de s’aligner côte à côte pour former de larges feuilles (figure 1).
Les glycérophospholipides sont de loin les lipides les plus abondants dans les membranes cellulaires. Comme tous les lipides, ils sont insolubles dans l’eau, mais leur géométrie unique les amène à s’agréger en bicouches sans aucun apport d’énergie. En effet, ce sont des molécules à deux faces, avec des têtes phosphatées hydrophiles (qui aiment l’eau) et des queues hydrocarbonées hydrophobes (qui craignent l’eau) d’acides gras. Dans l’eau, ces molécules s’alignent spontanément, leurs têtes étant tournées vers l’extérieur et leurs queues s’alignant à l’intérieur de la bicouche. Ainsi, les têtes hydrophiles des glycérophospholipides de la membrane plasmique d’une cellule sont tournées à la fois vers le cytoplasme aqueux et vers l’extérieur de la cellule.
Au total, les lipides représentent environ la moitié de la masse des membranes cellulaires. Les molécules de cholestérol, bien que moins abondantes que les glycérophospholipides, représentent environ 20 % des lipides des membranes plasmiques des cellules animales. En revanche, le cholestérol n’est pas présent dans les membranes bactériennes ni dans les membranes mitochondriales. De plus, le cholestérol aide à réguler la rigidité des membranes, tandis que d’autres lipides moins importants jouent des rôles dans la signalisation et la reconnaissance cellulaire.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. Beaucoup de ces protéines sont intégrées dans la membrane et dépassent des deux côtés ; on les appelle les protéines transmembranaires. Les parties de ces protéines qui sont imbriquées au milieu des queues d’hydrocarbures ont des caractéristiques de surface hydrophobes, et les parties qui dépassent sont hydrophiles (figure 2).
À des températures physiologiques, les membranes cellulaires sont fluides ; à des températures plus froides, elles deviennent gélatineuses. Les scientifiques qui modélisent la structure et la dynamique des membranes décrivent la membrane comme une mosaïque fluide dans laquelle les protéines transmembranaires peuvent se déplacer latéralement dans la bicouche lipidique. Par conséquent, l’ensemble des lipides et des protéines qui constituent une membrane cellulaire repose sur des propriétés biophysiques naturelles pour se former et fonctionner. Dans les cellules vivantes, cependant, de nombreuses protéines ne sont pas libres de leurs mouvements. Elles sont souvent ancrées en place à l’intérieur de la membrane par des attaches à des protéines situées à l’extérieur de la cellule, à des éléments du cytosquelette à l’intérieur de la cellule, ou aux deux.