thumb|Dwarsdoorsnede van een lipide dubbellaag. Het membraan bestaat hier volledig uit fosfatidylcholine. thumb|De drie hoofdstructuren die fosfolipiden vormen in oplossing; het liposoom (een gesloten dubbellaag), de micel en de dubbellaag.
Een lipide dubbellaag is een polair membraan bestaande uit twee lagen van lipidemoleculen. Het zijn stabiele, vlakke structuren die een aaneengesloten barrière vormen rond alle levende cellen en organellen. Ondanks dat lipide dubbellagen slechts enkele nanometers dik zijn, zijn ze nagenoeg ondoordringbaar voor de meeste ionen, eiwitten en wateroplosbare moleculen. Een lipide dubbellaag zorgt ervoor dat dergelijke stoffen niet vrijelijk de cel in- of uit-diffunderen. Cellen kunnen de concentraties van stoffen reguleren door deze over het membraan te transporteren.
Natuurlijke lipide dubbellagen zijn over het algemeen samengesteld uit fosfolipiden. Een fosfolipide is een langwerpig molecuul met een hydrofiele fosfaatkop en een hydrofobe staart bestaande uit twee vetzuurketens. In een dubbellaag wijzen de apolaire vetzuurstaarten met hun uiteinden naar het centrum toe (weg van het water). De polaire koppen vormen de binnen- en buitenoppervlakte van de dubbellaag die in contact staat met het omringende water. De flexibiliteit en beweeglijkheid van een lipide dubbellaag is afhankelijk van de moleculaire dichtheid van de fosfolipiden.
In de meeste biologische membranen komen naast fosfolipiden ook andere lipidenverbindingen voor. In dierlijke cellen is cholesterol bijvoorbeeld een belangrijk versoepelend onderdeel van het membraan. Omdat lipide dubbellagen de buitenste grenzen van een cel vormen, zijn ze betrokken bij veel intra- en extracellulaire processen. Eiwitten in membranen spelen bijvoorbeeld een rol bij het laten samensmelten van twee lipide dubbellagen, zoals bij de bevruchting tussen een eicel en een zaadcel, of bij het binnendringen van een virus.
Omdat lipide dubbellagen moeilijk te prepareren zijn voor onderzoek en vrijwel onzichtbaar zijn onder een lichtmicroscoop, waren ze lange tijd een uitdaging om te bestuderen. Moderne experimenten met lipide dubbellagen vereisen vaak geavanceerde technieken zoals elektronenmicroscopie en atoomkrachtmicroscopie.
Structuur en eigenschappen Wanneer fosfolipiden worden blootgesteld aan water, nemen ze een tweelaagse structuur aan. Watermoleculen worden aangetrokken tot de hydrofiele koppen van de fosfolipide, maar worden afgestoten door de vetzuurstaarten.Interacties tussen hydrofobe vetzuurketens geven aanleiding tot het clusteren van hydrofobe gebieden, waardoor watermoleculen zich vrijer aan elkaar kunnen binden, zodat de entropie van het systeem toeneemt. De lipide dubbellaag is thermodynamisch gezien een gunstige toestand. Zo komen de fosfolipiden in een tweezijdig vlak te liggen, met de hydrofobe staarten in het midden en de hydrofiele koppen aan de twee oppervlaktelagen. Het midden van deze dubbellaag bevat bijna geen water en opgeloste stoffen zoals suikers of zouten. De vorming van een lipide dubbellaag wordt aangedreven door niet-covalente interacties zoals van der vanderwaalskrachten, elektrostatica en waterstofbruggen.
De kop van een fosfolipide kan de chemische eigenschappen van de dubbellaag sterk beïnvloeden. De kop kan bijvoorbeeld dienen als "ankerpunt" voor andere moleculen in het membraan. Ook de vetzuurstaarten hebben invloed op de eigenschappen van het membraan: zo bepalen zij bij welke temperatuur het membraan een faseovergang ondergaat.
Opbouw thumb|Dwarsdoorsnede van een lipide dubbellaag (algemeen). Er zijn drie verschillende gebieden te onderscheiden: de volledig gehydrateerde kopgroepen, de niet-gehydrateerde vetzuurkern en een kort overgangsgebied. Een lipide dubbellaag is extreem dun in vergelijking met zijn zijdelingse dimensies. Als een normale zoogdiercel (met een diameter van ongeveer 10 micrometer) zou worden vergroot tot de grootte van een watermeloen (~ 30 cm), dan zou de lipide dubbellaag die het celmembraan vormt ongeveer even dik zijn als een vel papier. Een lipide dubbellaag is in transversale richting op te delen in drie afzonderlijke chemische gebieden. Deze gebieden zijn vastgesteld door middel van röntgenreflectometrie, neutronendiffractie en kernspinresonantie.
Het eerste gebied, aan de buitenste zijden van de dubbellaag, bestaat uit hydrofiele groepen. Dit gedeelte van het membraan is volledig gehydrateerd en is ongeveer 0,8–0,9 nanometer in dikte. In fosfolipide dubbellagen bevindt de fosfaatgroep zich in dit gehydrateerde gebied, ongeveer 0,5 nm buiten de hydrofobe kern. In enkele gevallen kan het gehydrateerde gebied veel groter zijn, bijvoorbeeld in lipiden waar een eiwit of groot koolhydraat aan de kop is gebonden. Een bekend voorbeeld van een dergelijke modificatie is de lipopolysacharidelaag op een bacterieel buitenmembraan. De bacterie gebruikt deze wateraantrekkende laag om uitdroging te voorkomen.
Direct naast de hydrofiele laag bevindt zich een "overgangsgebied" dat slechts gedeeltelijk gehydrateerd is. Dit gebied wordt de overgangslaag genoemd en is ongeveer 0,3 nanometer dik. Binnen deze korte afstand daalt de waterconcentratie van 2,0 M aan de kopgroepzijde naar bijna nul aan de staart (kern)-zijde. De hydrofobe kern van de dubbellaag is normaal gesproken 2,5–4 nanometer dik, maar deze dikte kan, afhankelijk van de lengte van de vetzuurketens en temperatuur, sterk variëren.
Asymmetrie In veel natuurlijk voorkomende membranen is er een verschil in samenstelling tussen de buitenste en binnenste halflaag. Omdat de twee lagen verschillende lipidemoleculen bevatten, wordt het membraan asymmetrisch genoemd. Een goed voorbeeld van een asymmetrisch membraan komt voor in menselijke rode bloedcellen. De binnenlaag (cytoplasma-zijde) van dit membraan bestaat voornamelijk uit fosfatidylethanolamine, fosfatidylserine en fosfatidylinositol. De buitenste (extracellulaire) laag is daarentegen opgebouwd uit fosfatidylcholine, sfingomyeline en diverse glycolipiden.
Deze asymmetrie komt (in ieder geval gedeeltelijk) voort uit de manier waarop de lipiden in de cel worden gemaakt en verwerkt. De meeste fosfolipiden worden intracellulair gesynthetiseerd en ingebracht in de binnenste lipidenlaag: de lipiden die in buitenste laag horen, worden vervolgens vanuit de binnenste laag naar buiten getransporteerd door een klasse enzymen genaamd flippasen. Andere lipiden, zoals sfingomyeline, worden rechtstreeks aan de extracellulaire zijde gesynthetiseerd.
Biologische functies Ruimtelijke scheiding De voornaamste rol van een lipide dubbellaag in organismen is het ruimtelijk scheiden van stoffen in compartimenten; het inwendige van een cel moet op de een of andere manier afgescheiden zijn van zijn omgeving. In alle levensvormen komen lipide dubbellagen voor met deze functie, behalve bij een aantal soorten archaea die een speciaal aangepaste lipide monolaag gebruiken. Het scheidingsvermogen van de lipide dubbellaag is gebaseerd op het feit dat hydrofiele moleculen niet gemakkelijk de hydrofobe membraankern kunnen passeren. Binnen cellen zijn de celkern, mitochondriën en chloroplasten omgeven door twee lipide dubbellagen (een dubbel membraan). De meeste andere organellen worden omgeven door een enkele lipide dubbellaag (zoals de endoplasmatische reticula, het golgiapparaat en de lysosomen).
Prokaryoten beschikken over één lipide dubbellaag: het celmembraan (ook wel het plasmamembraan genoemd). Veel prokaryoten hebben daarnaast ook een celwand, maar de celwand bestaat uit eiwitten of lange ketens van koolhydraten, niet uit lipiden. Eukaryoten hebben in tegenstelling tot prokaryoten veel organellen die eveneens omgeven worden door een of meer lipide dubbellagen. Samen vormen zij een enorm membraanoppervlak dat nodig is voor diverse levensprocessen. In levercellen vertegenwoordigt het plasmamembraan slechts twee procent van het totale cellulaire membraanoppervlak; het endoplasmatisch reticulum telt voor meer dan dan vijftig procent en de mitochondriën voor nog eens dertig procent.
Celcommunicatie thumb|Illustratie van een G-proteïnegekoppelde receptor. Door binding van een hormoon aan het uitwendige domein (blauw) verandert het membraaneiwit van vorm en katalyseert een chemische reactie aan het inwendige domein (rood). Lipide dubbellaag in grijs. Misschien wel de meest bekende vorm van cellulaire communicatie over membranen is de overdracht van zenuwimpulsen bij een synaps. Impulsen worden van de ene naar de andere zenuwcel overgedragen door middel van de afgifte van neurotransmitters. Deze overdracht wordt mogelijk gemaakt door de werking van synaptische blaasjes. Deze blaasjes versmelten met het presynaptisch membraan en geven de inhoud ervan vrij aan de buitenkant van de cel. De neurotransmitters diffunderen vervolgens razendsnel door de synaptische spleet naar het postsynaptische membraan. Impulsoverdracht wordt mogelijk gemaakt door een voortdurende handhaving van het membraanpotentiaal.
Een lipide dubbellaag is ook van groot belang bij signaaltransductie. Vrijwel elke levende cel bevat in zijn membranen een veelheid aan integrale membraaneiwitten. Geschat wordt dat een derde van het menselijke proteoom (alle eiwitten in het lichaam) membraaneiwitten zijn. Veel van deze eiwitten zijn gebonden aan de buitenkant van het celmembraan. Een voorbeeld is het CD59-eiwit, dat ervoor zorgt dat het immuunsysteem de cel aanziet als lichaamseigen. Hiv kan het immuunsysteem met behulp van deze membraaneiwitten ontwijken, door de CD59-eiwitten aan zijn eigen membraan te binden. Andere membraaneiwitten overspannen de gehele lipide dubbellaag en kunnen signalen van buiten de cel aan het cytoplasma doorgeven. De meest voorkomende klasse van dit type eiwit is de G-proteïnegekoppelde receptor.
Lipide dubbellagen zijn ook direct betrokken bij celcommunicatieprocessen. Een klassiek voorbeeld hiervan is de door fosfatidylserine veroorzaakte fagocytose. Normaal gesproken is fosfatidylserine alleen aanwezig aan de binnenkant van het celmembraan. Tijdens apoptose zorgt het eiwit scramblase ervoor dat de fosfatidylserinen ook aan de buikenkant van het celmembraan voorkomen. De aanwezigheid van fosfatidylserine in het extracellulaire milieu kan herkend worden door een fagocyterende macrofaag, die de cel dan opruimt.
Transport over lipide dubbellaag Passieve diffusie De meeste polaire moleculen hebben een lage oplosbaarheid in de koolwaterstofkern van een lipide dubbellaag, waardoor de permeabiliteitscoëfficiënt over het membraan erg laag is.De permeabiliteitscoëfficiënt (doorlaatbaarheidscoëffieciënt) is een maat voor de diffusiesnelheid over de lipide dubbellaag voor een bepaald molecuul. Hoe hoger de coëfficiënt, hoe makkelijker het deeltje door het membraan heen kan diffunderen. Dit effect is vooral van belang voor geladen deeltjes, die een nog lagere permeabiliteitscoëfficiënt hebben dan neutrale polaire moleculen. Anionen hebben doorgaans een hogere diffusiesnelheid door dubbele lagen dan kationen. Vergeleken met ionen hebben watermoleculen feitelijk een relatief grote permeabiliteit door de dubbellaag, wat ook blijkt uit het proces osmose. Wanneer een cel met een hoge interne zoutconcentratie in een oplossing met een lage zoutconcentratie wordt geplaatst, zal deze opzwellen en uiteindelijk barsten. Een dergelijk effect zou niet plaats kunnen vinden indien water moeilijk de dubbellaag kon passeren. De abnormaal grote permeabiliteit van water door lipide dubbellagen is nog steeds niet volledig begrepen en blijft onderwerp van onderzoek.
Kleine ongeladen (apolaire) moleculen diffunderen door lipide dubbellaagen vele ordes van grootte sneller dan ionen of water. Dit geldt zowel voor vetten als organische oplosmiddelen zoals chloroform en ether. Grotere moleculen diffunderen – ongeacht hun polariteit – per definitie langzamer over lipide dubbellagen dan kleine moleculen.
Ionenpompen en kanalen