Con poche eccezioni, le membrane cellulari – comprese le membrane plasmatiche e le membrane interne – sono fatte di glicerofosfolipidi, molecole composte da glicerolo, un gruppo fosfato, e due catene di acidi grassi. Il glicerolo è una molecola a tre carboni che funziona come la spina dorsale di questi lipidi di membrana. All’interno di un singolo glicerofosfolipide, gli acidi grassi sono attaccati al primo e al secondo carbonio, e il gruppo fosfato è attaccato al terzo carbonio della spina dorsale del glicerolo. I gruppi di testa variabili sono attaccati al fosfato. I modelli spaziali di queste molecole rivelano la loro forma cilindrica, una geometria che permette ai glicerofosfolipidi di allinearsi fianco a fianco per formare ampi fogli (Figura 1).
I glicerofosfolipidi sono di gran lunga i lipidi più abbondanti nelle membrane cellulari. Come tutti i lipidi, sono insolubili in acqua, ma la loro geometria unica li fa aggregare in bilayer senza alcun apporto di energia. Questo perché sono molecole bifronti, con teste di fosfato idrofile (che amano l’acqua) e code idrocarburiche di acidi grassi idrofobiche (che temono l’acqua). In acqua, queste molecole si allineano spontaneamente – con le loro teste rivolte verso l’esterno e le loro code allineate all’interno del bilayer. Così, le teste idrofile dei glicerofosfolipidi nella membrana plasmatica di una cellula sono rivolte sia verso il citoplasma acquoso che verso l’esterno della cellula.
Insieme, i lipidi rappresentano circa la metà della massa delle membrane cellulari. Le molecole di colesterolo, sebbene meno abbondanti dei glicerofosfolipidi, rappresentano circa il 20% dei lipidi nelle membrane plasmatiche delle cellule animali. Tuttavia, il colesterolo non è presente nelle membrane batteriche o in quelle mitocondriali. Inoltre, il colesterolo aiuta a regolare la rigidità delle membrane, mentre altri lipidi meno importanti svolgono ruoli nella segnalazione e nel riconoscimento cellulare.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. Molte di queste proteine sono incorporate nella membrana e sporgono da entrambi i lati; queste sono chiamate proteine transmembrana. Le porzioni di queste proteine che sono annidate tra le code idrocarburiche hanno caratteristiche superficiali idrofobiche, mentre le parti che sporgono sono idrofile (Figura 2).
A temperature fisiologiche, le membrane cellulari sono fluide; a temperature più fredde, diventano simili a gel. Gli scienziati che modellano la struttura e la dinamica delle membrane descrivono la membrana come un mosaico fluido in cui le proteine transmembrana possono muoversi lateralmente nel doppio strato lipidico. Quindi, l’insieme di lipidi e proteine che compongono una membrana cellulare si basa su proprietà biofisiche naturali per formarsi e funzionare. Nelle cellule viventi, tuttavia, molte proteine non sono libere di muoversi. Sono spesso ancorate in posizione all’interno della membrana da legami con proteine esterne alla cellula, elementi citoscheletrici all’interno della cellula, o entrambi.