Pour l’article homonyme, voir Bicouche.
Une bicouche lipidique, ou double couche lipidique, est une fine membrane polaire constituée de deux feuillets de molécules de lipides. Ces membranes forment une barrière continue autour des cellules et sont un élément essentiel assurant leur homéostasie, en régulant la diffusion des ions et des molécules à travers elle. La membrane cellulaire de presque tous les organismes vivants et de nombreux virus est constituée d'une bicouche lipidique, de même que les membranes entourant le noyau cellulaire et les organites. Les bicouches lipidiques sont imperméables aux molécules hydrophiles et surtout aux ions, ce qui permet aux cellules de réguler notamment le pH et la salinité de leur cytosol à l'aide de protéines transmembranaires assurant une fonction de transporteur membranaire susceptible de générer et d'entretenir un gradient de concentration de diverses espèces chimiques entre le cytoplasme et le milieu extracellulaire.
Les membranes biologiques sont constituées principalement de phospholipides, dont les molécules, amphiphiles, comprennent une tête polaire et deux queues aliphatiques. Ces molécules, lorsqu'elles se trouvent en milieu aqueux, s'organisent de façon à minimiser les interactions entre les queues aliphatiques et les molécules d'eau, adoptant par auto-assemblage moléculaire une configuration en micelles, liposomes, vésicules ou doubles couches lipidiques, dans lesquelles les têtes polaires sont en contact avec l'eau tandis que les queues aliphatiques se rassemblent pour former un milieu presque totalement anhydre. Les bicouches lipidiques étant très fines et très fragiles, leur étude est délicate et requiert des techniques avancées de microscopie électronique et de microscopie à force atomique.
La nature et la configuration des groupes présents sur les têtes hydrophiles des bicouches lipidiques détermine les propriétés chimiques de leur surface. Certains motifs moléculaires sont par exemple susceptibles d'identifier une cellule en vue de son élimination par le système immunitaire. La nature des queues aliphatiques conditionne quant à elle les propriétés physiques de la membrane, notamment sa température de fusion : plus les queues sont longues et linéaires, plus elles tendent à figer en formant un cristal bidimensionnel de molécules de lipides ordonnées ; les interactions entre molécules à l'intérieur de la bicouche lipidique déterminent également les propriétés mécaniques de la membrane, notamment sa résistance à l'étirement et à la flexion. Ces propriétés sont très souvent étudiées en laboratoire à l'aide de modèles artificiels de bicouches lipidiques dont on maîtrise certains paramètres.
Les membranes biologiques contiennent généralement d'autres lipides que des phospholipides. Ainsi, le taux de cholestérol des membranes cellulaires animales est un paramètre important qui détermine les propriétés physicochimiques de ces membranes, notamment en augmentant leur résistance et leur imperméabilité. Le cholestérol contribue également à réguler l'activité de certaines protéines membranaires intégrales, qui fonctionnent lorsqu'elles sont intégrées à une membrane biologique, certaines d'entre elles étant par exemple impliquées dans de nombreux processus de fusion des bicouches, comme dans le cas de la fécondation d'un ovule par un spermatozoïde ou de l'entrée d'un virus dans une cellule.