La membrana esterna dei batteri gram-negativi

Oltre al peptidoglicano , i batteri Gram negativi possiedono uno strato aggiuntivo, chiamato membrana esterna (ME). Pur trattandosi effettivamente di un doppio strato lipidico, esso non è costituito soltanto da fosfolipidi e proteine, come la membrana citoplasmatica, ma contiene anche polisaccaridi. I lipidi e i polisaccaridi sono strettamente legati tra loro a formare un complesso lipopolisaccaridico. A causa della presenza di questo complesso, la membrana esterna è frequentemente chiamata strato lipopolisaccaridico o semplicemente LPS. La porzione polisaccaridica consiste di due frazioni, il polisaccaride interno o core polisaccaridico e il polisaccaride esterno, chiamato anche polisaccaride O. In Salmonella, dove è stato ben caratterizzato, il core polisaccaridico è costituito da chetodeossioctonato (KDO), zuccheri a sette atomi di carbonio (eptosi), glucosio, galattosio e N-acetilglucosamina. Il polisaccaride O-specifico, invece, contiene galattosio, glucosio, ramnosio e mannosio (tutti zuccheri a sei atomi di carbonio), nonché uno o più dideossizuccheri, quali abequosio, colitosio, paratosio o tivelosio. Questi zuccheri sono legati a formare catene da quattro o cinque elementi, spesso ramificate. Nella porzione lipidica del lipopolisaccaride, detta lipide A, gli acidi grassi sono legati tramite un legame estere-amminico a un disaccaride costituito da N-acetilglucosamina fosfato. Il disaccaride è attaccato al core polisaccaridico attraverso il KDO. Gli acidi grassi che si trovano più comunemente nel lipide A comprendono gli acidi caproico, laurico, miristico, palmitico e stearico. Il LPS si associa a varie proteine a formare la metà esterna della membrana. Sul lato interno della membrana esterna di molti batteri Gram-negativi è presente un complesso lipoproteico. Questa lipoproteina è una piccola proteina che svolge funzioni di ancoraggio tra membrana esterna e peptidoglicano. Sul lato interno della membrana esterna sono presenti principalmente fosfolipidi, mentre sul lato esterno essi vengono sostituiti dal LPS.          
Sebbene la principale funzione della membrana esterna sia ti tipo strutturale, una delle sue importanti proprietà biologiche è la tossicità per gli animali. Le proprietà tossiche dipendono da una porzione del LPS, e in particolare del lipide A di questi microrganismi. Per definire questo composto tossico viene normalmente usato il termine endotossina. Alcune endotossine possono causare gravi sintomi all'uomo come la febbre che è un sintomo generale dovuto alla stimolazione del rilascio di particolari proteine definite pirogeni endogeni che colpiscono i centri nervosi deputati al controllo della temperatura corporea. Inoltre possono indurre uno stato di infiammazione generalizzata che può indurre alla morte. Studi di frazionamento dell'LPS hanno dimostrato che:  la frazione lipidica è responsabile della tossicità mentre la frazione polisaccaridica rende il complesso idrosolubile ed immunogenico. Per ottenere un effetto tossico in vivo sono richieste entrambi le componenti; (per controllare la presenza di endotossine nel siero, nel fluido cerebrospinale, nei solventi per le preparazioni farmaceutiche si usa il saggio di Limus). A differenza della membrana citoplasmatica, la membrana esterna dei batteri Gram-negativi, pur essendo essenzialmente un doppio strato fosfolipidico , è parzialmente permeabile a piccole molecole. Ciò avviene grazie alla presenza sulla membrana esterna di piccole proteine chiamate porine, che svolgono la funzione di canali permettendo l'entrata e l'uscita di sostanza idrofiliche, a bassa peso molecolare, attraverso la membrana. Sono state identificate numerose porine, sia specifiche che aspecifiche: le porine aspecifiche formano canali acquosi, attraverso i quali possono transitare piccole molecole di ogni tipo, mentre quelle che contengono uno specifico sito di legame per una o più sostanze strettamente correlate sono porine specifiche. Studi strutturali hanno dimostrato che la maggior parte delle porine sono proteine transmembrana e contengono tre subunità identiche. Esistono due tipi di porine molto importanti: OmpF e OmpC (outer membrane protein). Se la pressione osmotica è bassa viene sintetizzata OmpF, una porina dotata di un poro più ampio. Se la pressione osmotica è più elevata viene sintetizzata, invece, OmpC, una porina con un poro si dimensioni ridotte. Il regolatore è la proteina OmpR che quando viene fosforilata (OmpR-P) agisce come attivatore del gene ompC e repressore del gene ompF. Sebbene sia permeabile a piccole molecole, la membrana esterna è impermeabile a enzimi e a molecole di grandi dimensioni che vanno a localizzarsi in una regione chiamata periplasma. Questo spazio, situata tra la superficie esterna della membrana citoplasmatica e la superfici interni della membrana esterna, ha uno spessore di circa 12-15 nm e una consistenza gelatinosa., dovuta all'abbondanza di proteine periplasmatiche. A seconda dell'organismo, il periplasma può contenere parecchie proteine, tra cui enzimi idrolitici, che hanno la funzione di avviare la degradazione delle molecole nutritive, proteine di legame, che innescano i processi di trasporto dei substrati, e i chemiorecettori, proteine coinvolte nella risposta chemiotattica. Comunque molte di queste proteine raggiungono il periplasma tramite il sistema di trasporto SecYEG.