细胞膜主要由脂类、蛋白质和糖类组成，含量分别约为50%、40%和2%～10%。此外还含有少量水分、无机盐与金属离子等。

膜脂质包括三种成分：磷脂（phospholipid，PL）、类固醇（steroid）及糖脂（glycolipid）。

磷脂，也称磷脂类、磷脂质，是指含有磷酸的脂类，是组成生物膜的主要成分，可分为甘油磷脂（phosphoglyceride）和鞘磷脂（sphingomyelin，SM）两大类，分别由甘油和鞘氨醇构成骨架。磷脂为两性分子，一端为亲水的含氮或磷的头，另一端为疏水的长烃基链。

甘油磷脂主链为甘油-3-磷酸，甘油骨架上的另外两个羟基都被脂肪酸所酯化，而第三个碳原子接上磷酸基称甘油磷脂酸，磷酸基团再接上醇即可成甘油磷脂。脂肪酸分为饱和与不饱和两大类，多含偶数碳原子。在甘油骨架的第三个碳原子所接的醇类通常有丝氨酸、乙醇胺、胆碱和肌醇，分别与甘油磷脂酸结合，被称为磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，PE，脑磷脂）、磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC，卵磷脂）和磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）。心磷脂（cardiolipin，CP）见于线粒体中，它由共用一个甘油的两个磷脂酰甘油（phosphotidyl-glycerol，PG）组成。

鞘磷脂（sphingomyelin，SM）是含鞘氨醇或二氢鞘氨醇的磷脂，其分子不含甘油，是一分子脂肪酸以酰胺键与鞘氨醇的氨基相连。

磷脂对细胞非常重要，因为磷脂双分子层组成了细胞膜的基本支架。其中，甘油磷脂和鞘磷脂的两性结构起着非常关键的作用。它们都拥有极性的头部（亲水区域）和非极性的尾部（疏水区域），因而可以移动，使细胞膜具有一定的流动性。磷脂不溶于水，但是易吸水膨胀为胶体。磷脂可溶于大多数有机溶剂，不同种类的磷脂在有机溶剂中的溶解度存在差异，所以可选用溶剂法对磷脂进行初步的分离。

磷脂的基本合成途径有两种：一种是甘油二酯合成途径，另一种是CDP-甘油二酯合成途径。通过甘油二酯合成途径产生的磷脂主要有磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺，胆碱和乙醇胺分别在胆碱激酶和乙醇胺激酶的作用下反应生成磷酸胆碱和磷酸乙醇胺，然后它们分别与CTP作用，进一步转变为CDP-胆碱和CDP-乙醇胺，并最终在磷酸胆碱甘油二酰转移酶和磷酸乙醇胺甘油二酰转移酶的催化下和甘油二酯反应，分别形成磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺。

通过CDP-甘油二酯合成途径产生的磷脂主要有磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸和心磷脂。首先由鞘磷脂在转胞苷酸酶的催化下生成CDP-甘油二酯，然后在磷脂酰肌醇合成酶、磷脂酰丝氨酸合成酶、心磷脂合成酶的催化下分别产生磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸和心磷脂。

在生物体内，磷脂通常在各类磷脂相关的酶的作用下，水解产生磷酸、甘油、脂肪酸以及各类氨基醇物质。

通常使用高效液相色谱法对细胞膜磷脂进行检测。根据固定相的不同，高效液相色谱法又可分为正相色谱和反相色谱。正相色谱一般以氰基柱或者硅胶柱为固定相，以适当比例的乙腈-甲醇-水、氯仿-甲醇-氨水、正己烷-异丙醇-水等为流动相；反相色谱则多以C8或C18为固定相，以甲醇或甲醇-乙腈-水为流动相。

微囊（caveolae）是 1955 年由Yamada发现并命名的，是细胞质膜表面脂质微区的一种特殊形式，具有小孔结构，由细胞质膜向内凹陷形成，主要的组成成分有胆固醇、鞘磷脂、蛋白等，分子量为25kD的微囊素（caveolin）是它的标志蛋白。微囊通常存在于分化程度比较高的细胞上，如内皮细胞、脂肪细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞。微囊上聚集了多种受体分子，能够接受信号分子，传递细胞信号，因此微囊在细胞信号转导、膜磷脂代谢、蛋白胞吞胞饮、胞内胆固醇运输中均发挥着极其重要的作用。

脂筏（lipid rafts）的概念最早由 Simon在 1988年正式提出，它也是一种脂质微区，不含微囊素，大小为250～300nm，一般没有特征的形态，内含一定量的蛋白质与脂质，脂质也以鞘磷脂和胆固醇为主，分布较广。由于脂筏自身含有丰富的胆固醇和鞘磷脂，因此其流动性较小，并且相对于膜脂的液晶相（liquid-disordered phase，又叫液态无序相）而言，脂筏通常呈现出液态有序相的状态（liquid-ordered phase，或称Lo相），这也是脂质微区的一个重要特征。由此可见生物膜不是均一的，存在着微区结构，可将生物膜视为很多脂质微区组成的体系，以Lo相为特征的脂质微区四周被流动的、液态无序的脂质分子包围，整个膜犹如很多微区组成的马赛克（mosaic）。从结构及组分分析，脂筏还具备两个重要特点：①脂筏内聚集着多种不同类型的蛋白质，便于蛋白和蛋白间的相互作用。②脂筏的微环境有利于蛋白质形成具备有效活性的空间构象。簇集的脂筏通过细胞内吞形成囊泡，就像细胞内的微囊体，与内质网或高尔基网融合，也可穿过细胞到达另一侧细胞表面，也可能是大分子转运的机制之一。簇集的脂筏能够参与信号转导、生长调节等细胞功能（图6-1）。一般认为质膜微囊是脂筏的一种，或认为脂质微区包括质膜微囊和脂筏。

质膜中的固醇以胆固醇最重要，胆固醇与磷脂有一定比例，称C/P比值，各种细胞C/P值相差较多。通常用比值来鉴定膜是否有病变。膜上胆固醇主要来自外源，少量在细胞内局部合成。

糖脂由糖及脂质组成，包括鞘糖脂及糖甘油脂两类。鞘糖脂由鞘氨醇、脂肪酸及糖组成，分布广泛。糖甘油脂是甘油代替鞘氨醇，仅在脑、精子细胞、睾丸中可见，肾脏含量极微。糖脂普遍存在于动物细胞质膜的外表面，与细胞的识别和免疫功能有关。

膜蛋白存在于细胞膜上，具备多种多样的功能，如信号转导、物质运送、能量转换等。根据蛋白质与细胞膜相互作用的紧密程度以及存在位置的不同，可以把膜蛋白分为外周膜蛋白（peripheral protein）和内在膜蛋白（integral proteins）两类。外周膜蛋白以氢键和细胞膜结合，结合的紧密程度较弱，能够通过改变环境中pH或离子浓度将其洗脱下来；内在膜蛋白部分或全部嵌入了细胞膜中，和膜结合的紧密程度较高，通常只有通过去污剂才能去除。膜蛋白中有70%～80%为内在膜蛋白，如受体、通道、离子泵、膜孔、运载体以及各种膜酶等，它们在物质运输、信号识别与转导、能量转换、调节细胞形态结构中发挥着重要作用，因此膜蛋白也是药物开发的重要靶点。

近年来的研究发现，除了外周膜蛋白和内在膜蛋白以外，还有一种特殊的膜蛋白。这类蛋白虽然存在于细胞膜的外周，但是它是以共价连接的形式锚定在细胞膜上，不能通过改变环境中的pH或离子浓度将其洗脱下来，这类蛋白被称作锚定膜蛋白（anchored protein）。有一类特殊的锚定膜蛋白称为糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（glycosylphosphatidylinositol anchored protein，GPI-anchored protein），由磷脂酰肌醇、乙醇胺以及一个聚糖核心构成，它在哺乳动物体内的分布极其广泛，在血液、脑、肾、胎盘、肝等组织中均有不同程度的表达。有100多种蛋白已被确定是GPI锚定蛋白，包括酶、补体调节蛋白、黏附蛋白、膜受体、淋巴抗原、表面抗原等，行使着不同的生理功能。

膜糖是位于细胞膜上的糖分子，通常情况下不以糖单体的形式存在，而是与蛋白质或者脂质结合形成糖蛋白或糖脂，并进一步发挥作用。其组成除中性糖（葡萄糖、半乳糖、甘露糖）外，含量较多的是氨基糖类，还有乙酰氨基糖类、岩藻糖、乙酰神经氨酸（唾液酸或涎酸）。糖有D型与 L型，D或 L型中又有α及β构象的区别。机体内膜上的糖多是D型，在糖与糖相联时还有α与β两种构型。

蛋白质糖基化通常发生在翻译后修饰阶段。根据修饰类型的不同，可以把糖蛋白分为两类，一类是N-连接寡糖，另一类是O-连接寡糖。N-连接寡糖的糖蛋白，其糖基化位点主要发生在天冬酰胺（Asn）上；O-连接寡糖的糖蛋白，其糖基化位点主要发生在丝氨酸（Ser）或苏氨酸（Thr）上。糖蛋白主要参与蛋白质之间的特异性识别。

糖脂主要存在于细胞质膜上，是一种两性分子，主要参与细胞识别和信号传递的过程。同时，由于某些糖脂是细胞在生长到特定阶段才出现的，因此可作为细胞表面标志物，也是抗原的重要组成成分之一。从结构形式上来看，糖脂和磷脂几乎完全相同，均为二酰甘油或鞘氨醇的衍生物，因此糖脂又细分为糖基酰甘油衍生物和糖鞘脂两类。糖鞘脂在脑中含量较多，通过酰基鞘氨醇和寡糖分子形成，具有调节神经、调节细胞发育分化、决定血型等功能作用。

细胞膜结构的研究经历了几个大的阶段：

1895年Overton发现植物细胞膜很容易让溶于脂肪的物质通过，而不溶于脂肪的物质很难透过细胞膜，基于该现象推测出细胞膜含有大量的脂类物质；1925年，Gorter和 Grendel提取出了人红细胞质膜的脂类成分，将其铺展在水面，测出膜脂展开的面积二倍于细胞表面积，因而推测细胞膜由双层脂分子组成，提出脂质双分子层的概念；1935年，Danielli和Davson发现质膜的表面张力比油-水界面的张力低得多，推测膜中含有蛋白质，提出了经典的“蛋白质-脂类-蛋白质”三明治模型，认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的，并在1959年修正了该模型，认为膜上还有贯穿脂双层的蛋白质通道，这一模型影响长达20年之久；随着显微镜技术的发展，1930—1950年期间，用电子显微镜观察并证实了细胞膜的存在；1959年，Robertson利用超切片技术得到了细胞膜的清晰照片，并据此提出了“单位膜”模型，认为细胞膜由3.5nm厚的双层脂分子和两层2nm厚的蛋白质构成；1972年，Singer和 Nicolson正式提出“流动镶嵌模型（fluid mosaic model）”，提出膜蛋白分布的不均一性和膜具有流动性；1988年，Simon提出脂筏模型，认为生物膜上存在像筏一样的执行不同生物学功能的膜蛋白集合体（图6-2）。

生物膜结构的共同特征：①磷脂双分子层和蛋白质或其复合体按二维排成相互交替的镶嵌面。②膜内在蛋白与磷脂以疏水链结合在形成稳定的膜结构中可能起主要作用。③分布于膜两侧的蛋白质、脂质和糖类等组分和性质是不同的，脂质双分子层的各“半层”也可以彼此单独运动。④膜结构的相对流动性。随着环境条件的变化，脂质分子的晶态和液晶态是互变的，表现出相变现象和分相现象。⑤膜中各种组分在细胞中经常处于不断更新的状态。⑥膜中各种组分的排列是不对称的。

细胞膜将细胞和外界环境分隔开来，有利于提供稳定的内环境供细胞行使各式生命活动功能。各类细胞器也因为具备膜结构，才形成了一个个不同的功能单元并分别行使着自己的职能。

发生在细胞膜上的运输主要有被动运输和主动运输两种形式。被动运输包括自由扩散和协助扩散，自由扩散是指物质从细胞膜高浓度一侧向低浓度一侧扩散的过程，不需要消耗能量；协助扩散是指物质在膜蛋白的辅助下，从细胞膜的低浓度一侧跨膜运输到高浓度一侧的过程。协助扩散中具备一定的特异性，一种载体通常只能辅助转运一种特定的蛋白；同时也具备饱和性，当载体达到饱和时，运输速率将维持在一定的程度上。协助运输也不需要消耗能量。主动运输是指各类分子在膜蛋白或膜载体的帮助下，逆着浓度差进行运输，该过程消耗大量能量并且具有选择特异性。如Na ⁺、K ⁺等离子在通过细胞膜的时候，都需要进行主动运输。

胞吞胞吐是另一种重要的细胞膜运输物质方式。进行胞吞时，大分子物质通常已经附着在了细胞膜表面，接着细胞膜外侧会逐步凹陷，最终把大分子物质包裹在囊泡里，运送进细胞膜内侧。胞吐和胞吞相反，是大分子物质从细胞内转运到细胞外的过程。

细胞膜上存在大量的膜受体（如糖蛋白），能够识别和传递各种细胞信号，如激素、神经递质、抗原、药物、致病因子等，这些信号在传递的过程中逐步放大，最终影响下游各类蛋白质的功能以及DNA的表达，对维持细胞正常的生理功能起着关键性的作用。

线粒体内膜是物质进行氧化代谢的主要场所，内膜上分布着呼吸链的各类组分，如细胞色素、NADH脱氢酶、辅酶 Q、各类呼吸链相关蛋白等，它们相互配合，在物质氧化代谢产生能量的过程中发挥重要功能。