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La membrana plasmatica è la prima linea di difesa della cellula, composta da un doppio strato fosfolipidico che si comporta come una barriera fluida. La sua natura anfipatica significa che le regioni idrofobiche (liposolubili) si trovano verso l'interno mentre le teste idrofile (solubili in acqua) sono rivolte verso l'ambiente acquoso. Questa architettura determina quali molecole possono attraversare la membrana senza aiuto.
Piccole molecole non polari o moderatamente polari, come gas, acqua, vitamine liposolubili e alcoli, si diffondono passivamente attraverso la membrana plasmatica da concentrazioni elevate a basse senza assistenza cellulare.
La diffusione è il movimento spontaneo delle particelle da un'area ad alta concentrazione a una a concentrazione inferiore, guidato dall'energia cinetica casuale. Nel contesto della cellula, questo crea una spinta naturale affinché le sostanze si equilibrino attraverso la membrana. Quando è presente una membrana, solo le molecole che corrispondono alle sue proprietà fisico-chimiche possono muoversi direttamente; in caso contrario, la cellula deve utilizzare proteine di trasporto.
L'ossigeno (O₂) e l'anidride carbonica (CO₂) sono gli esempi per eccellenza della diffusione semplice. Le loro piccole dimensioni e la natura non polare consentono loro di scivolare attraverso il nucleo idrofobo del doppio strato. Nei tessuti umani, la concentrazione di ossigeno extracellulare supera i livelli intracellulari, spingendo l'ossigeno a diffondersi verso l'interno, mentre per la CO₂ vale il contrario, garantendo una respirazione efficiente.
Nonostante la sua polarità, le dimensioni ridotte dell’acqua le consentono di permeare la membrana attraverso pori acquosi transitori o “bypassando” il doppio strato attraverso le interazioni di van der Waals. Questo passaggio passivo è alla base dell'equilibrio osmotico; le cellule devono regolare le concentrazioni di elettroliti extracellulari per prevenire gonfiore o crenazione.
Le vitamine A, D, E e K sono lipofile e attraversano facilmente la membrana per semplice diffusione. Le loro code idrofobiche si integrano nel doppio strato, consentendo alle molecole di attraversarlo senza assistenza. Gli alcoli, come l'etanolo, condividono caratteristiche di solubilità simili e si diffondono anche liberamente, il che spiega in parte la loro rapida distribuzione sistemica.
Le molecole grandi, cariche o altamente idrofile (glucosio, ioni, proteine) non possono attraversare il doppio strato da sole. La cellula utilizza trasportatori specializzati, canali o meccanismi di trasporto attivi per spostare queste sostanze essenziali ma impermeabili.
