质，从而提出了”蛋白质-脂类-蛋白质”的三明治模型。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。1959年在上述基础上提出了修正模型，认为膜上还具有贯穿脂双层的蛋白质通道，供亲水物质通过。
4. J. D. Robertson 1959 用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约7.5nm。这就是所谓的“单位膜”模型。它由厚约3.5nm的双层脂分子和内外表面各厚约2nm的蛋白质构成。单位膜模型的不足之处在于把膜的动态结构描写成静止的不变的。
5. S. J. Singer & G. Nicolson 1972 根据免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术的研究结果，在”单位膜”模型的基础上提出”流动镶嵌模型”。强调膜的流动性和膜蛋白分布的不对称性。
流动镶嵌模型主要强调：（1）膜的流动性，膜蛋白和膜脂均可侧向运动。（2）膜蛋白分布的不对称性，有的镶在膜表面，有的嵌入或横跨脂双分子层。 目前对生物膜结构的认识可归纳如下：
1.具有极性头部和非极性尾部的磷脂分子在水相中具有自发形成封闭的膜系统的性质，以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相的磷脂双分子层是组成生物膜的基本结构成分，尚未发现在生物膜结构中起组织作用的蛋白。
2.蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型，蛋白分布的不对称性及其与脂分子的协同作用赋予生物膜具有各自的特性与功能。
3.生物膜可看成是蛋白质在双层脂分子中的二维溶液。然而膜蛋白与膜脂之间，膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜二侧其它生物大分子的复杂的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。 1.2 The chemical composition of membranes
质膜主要由膜脂和膜蛋白组成，另外还有少量糖，主要以糖脂和糖蛋白的形式存在。膜脂是膜的基本骨架，膜蛋白是膜功能的主要体现者。动物细胞膜通常含有等量的脂类和蛋白质。
一般，脂类约占50％，蛋白质约40％，糖类约2％－10％，不同的膜含量不同。蛋白质与脂的多少与膜的功能密切相关，膜的功能主要由蛋白质承担，所以功能活动较旺盛的膜，蛋白质含量就高，如，线粒体内膜是电子传递链所在；反之亦然，如神经鞘主要起对神经元的保护、绝缘作用，所以蛋白质含量低。
1.2.1 Membrane Lipids （1）磷脂 Phospholipids
大多数膜脂都含有磷酸基团，这种脂称为磷脂（phospholipid），是细胞膜中含量最丰富和最具特性的脂。动、植物细胞膜上都有磷脂，是膜脂的基本成分，约占膜脂的 50％以上。磷脂分子的极性端是各种磷脂酸碱基，称作头部。它们多数通过甘油基团与非极性端相连。
磷脂又分为两大类：甘油磷脂和鞘磷脂。甘油磷脂包括磷脂酸乙醇胺、磷脂酸胆碱（卵磷脂）、磷脂酸肌醇等。
甘油磷脂
以甘油为骨架的磷脂类，在骨架上结合两个脂肪酸链和一个磷酸基团，胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇等分子籍磷酸基团连接到脂分子上。
主要类型有：磷脂酰胆碱（phosphatidyl choline，PC，旧称卵磷脂）、磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl serine，PS）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine ，PE，旧称脑磷脂）磷脂酰肌醇（phosphatidyl inositol，PI）和双磷脂酰甘油（DPG，旧称心磷脂）等。
鞘磷脂
鞘磷脂（sphingomyelin，SM）在脑和神经细胞膜中特别丰富，亦称神经醇磷脂，它是以鞘胺醇（sphing
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oine）为骨架，与一条脂肪酸链组成疏水尾部，亲水头部也含胆碱与磷酸结合。原核细胞和植物中没有鞘磷脂。
磷脂特征：1. 具有一个极性头和两个非极性的尾（脂肪酸链），位于线粒体内膜上的心磷脂具有4个非极性局部。
2. 脂肪酸碳链为偶数，多数碳链由16，18或20个碳原子组成。 3. 常含有不饱和脂肪酸（如油酸），多为顺式，在烃链中产生30o弯曲。 （2）胆固醇 Cholesterol
胆固醇仅存在真核细胞膜上，含量一般不超过膜脂的1/3，植物细胞膜中含量较少，其功能是提高脂双层的力学稳定性，调节脂双层流动性，降低水溶性物质的通透性。如：在缺少胆固醇培养基中，不能合成胆固醇的突变细胞株很快发生自溶。
（3）糖脂 Glycolipids
糖脂是含糖而不含磷酸的脂类，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，其含量约占膜脂总量的5％以下，在神经细胞膜上糖脂含量较高，约占5-10％。糖脂也是两性分子。其结构与SM很相似，只是由一个或多个糖残基代替了磷脂酰胆碱而与鞘氨醇的羟基结合。
最简单的糖脂是半乳糖脑苷脂，它只有一个半乳糖残基作为极性头部，在髓鞘的多层膜中含量丰富；变化最多、最复杂的糖脂是神经节苷脂，其头部包含一个或几个唾液酸和糖的残基。神经节苷脂是神经元质膜中具有特征性的成分。儿童所患的家族性白痴病（Tay-sachs disease）就是因为在其细胞内缺乏氨基己糖脂酶，不能将神经节苷脂GM2 加工成为GM3，结果大量的GM2累积在神经细胞中，导致中枢神经系统退化。神经节苷脂本身就是一类膜上的受体，已知破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素、绒毛膜促性腺激素和5-羟色胺等的受体就是不同的神经节苷脂。 Addition: ABO Blood group antigens
ABO血型抗原是一种糖脂，其寡糖部分具有决定抗原特异性的作用： A型：膜脂寡糖链的末端是N-乙酰半乳糖胺，GalNAc。 B型：末端是半乳糖，Gal。 O型：末端没有这两种糖基。 AB型：末端同时具有这两种糖基。 （4）脂质体 Liposomes
脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上时，其极性端插入水相而非极性尾部面向空气界面，搅动后形成乳浊液，即形成极性端向外而非极性端在内部的脂分子团或形成双层脂分子的球形脂质体。
脂质体可用于转基因，或制备的药物，利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入细胞内部。 可用于：1. 转基因 2. 制备的药物 3. 研究生物膜的特性。 1.2.2 Membrane Proteins （一）类型
膜蛋白是膜功能的主要体现者。据估计核基因组编码的蛋白质中30%左右的为膜蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，可分为整合蛋白（integral protein）、外周蛋白（peripheral protein）和脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）。
1.整合蛋白（Integral protein），又称内在蛋白（Intrinsic protein）:水不溶性蛋白，部分或全部镶嵌在细
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胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性流水区相互作用而结合在质膜上。
整合蛋白可能全为跨膜蛋白（tansmembrane proteins），为两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。
蛋白跨膜区域有两种组成形式，一是由多个两性α螺旋组成亲水通道；而是由两性β折叠组成亲水通道。 整合蛋白（integral protein），又称内在蛋白（intrinsic protein）跨膜蛋白（transmembrane protein），部分或全部镶嵌在细胞膜中或内外两侧，以非极性氨基酸与脂双分子层的非极性流水区相互作用而结合在质膜上。实际上，整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的蛋白质，亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面；疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用；整合蛋白所含疏水氨基酸的成分较高。跨膜蛋白可再分为单次跨膜、多次跨膜、多亚基跨膜等
2.外周蛋白(Peripheral protei)，又称外在蛋白(Extrinsic protein)。水溶性蛋白，完全外露在脂双层的内侧或外侧，主要是通过非共价键附着在脂的极性头部，或整合蛋白亲水区的一侧，间接与膜结合。
外周蛋白靠离子键或其它较弱的键与膜表面的蛋白质分子或脂分子的亲水部分结合，因此只要改变溶液的离子强度甚至提高温度就可以从膜上分离下来，有时很难区分整合蛋白和外周蛋白，主要是因为一个蛋白质可以由多个亚基构成，有的亚基为跨膜蛋白，有的则结合在膜的外部。
膜外周蛋白可用高盐或碱性PH条件分离。实际上，有时外周蛋白与整合蛋白是难以区分的，因为许多膜蛋白是由多亚基组成的，其中有的亚基插入在脂双层，有的亚基则是外周蛋白。
外周蛋白为水溶性，占膜蛋白总量的20％～ 30％，在红细胞中占50％，如红细胞的血影蛋白和锚定蛋白都是外周蛋白。外周蛋白可以增加膜的强度。
3.外脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)又称脂连接蛋白(lipid-linked protein)，通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧或内侧。
早期，人们主要根据蛋白质在质膜的相对位置分为外周、整合蛋白。根据膜蛋白与脂分子的结合方式，还有一种：
脂锚定蛋白又称脂连接蛋白（lipid-linked protein），通过共价键的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。
脂锚定蛋白（lipid-anchored protein）可以分为两类，一类是糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol，GPI)连接（GPI-anchored protein）的蛋白，GPI位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释放出结合的蛋白。许多细胞表面的受体、酶、细胞粘附分子和引起羊瘙痒病的PrPC都是这类蛋白。另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合。
（二）内在蛋白与膜脂的结合方式
1.膜蛋白的跨膜结构域与脂双层分子的疏水核心的相互作用。 A 1至多个疏水的α螺旋形成跨膜结构域。
B β折叠片组成β折叠片桶(β barrel)，形成亲水通道 。
2.跨膜结构域两端携带正电荷的氨基酸残基与磷脂分子带 负电的极性头形成离子键，或带负电的氨基酸残基通过 Ca2+、Mg2+等阳离子与带负电的磷脂极性头相互作用。
3.某些膜蛋白在细胞质基质一侧的半胱氨酸残基上共价结合脂肪酸分子,插入脂双层之间,进一步加强膜蛋白与脂双层的结合力,还有少数蛋白与糖脂共价结合。
（三）去垢剂 Detergent
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去垢剂是一端亲水一端疏水的两性小分子，是分离与研究膜蛋白的常用试剂。去垢剂可分离子型去垢剂和非离子型去垢剂二类。常用的离子型去垢剂如十二烷基磺酸钠（SDS）；常用的非离子去垢剂为 Triton X－100。
1.3 Membrane fluidity
膜是一种动态的结构，具有膜脂的流动性（fluidity）和膜蛋白的运动性（mobility)膜的流动性概念是指膜内部的脂和蛋白质分子的运动性。膜的流动性不仅是膜的基本特性之一，也是细胞进行生命活动的必要条件。 膜的流动性主要是由膜脂双层的状态变化引起的。在生理条件下，膜脂多呈液晶态，温度下降至某点，则变为晶态。一定温度下，晶态又可熔解再变成液晶态。这种临界温度称为相变温度，在不同温度下发生的膜脂状态的改变称为相变（Phase transition）。
膜脂由于成分不同而各有其不同的相变温度。在某一温度下，有些脂处于晶态，另一些脂仍处于液态。处于这两种不同状态的磷脂分子分别各自汇集，形成了相的分离，从而形成一些流动性木一的微区（domain）。由于膜脂的流动，给膜蛋白提供了可以流动的环境，加上膜蛋白自身构型的变化，使膜蛋白处于动态之中。 质膜的流动性由膜脂和蛋白质的分子运动两个方面组成。 1.3.1 Fluidity of membrane lipids 膜脂分子的运动
1. 侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。
2. 旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。 3. 摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。 4. 伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。
5. 翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层。是在翻转酶（flippase）的催化下完成。 6. 旋转异构：脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。 影响膜脂流动性的因素
影响膜流动的因素主要来自膜本身的组分，遗传因子及环境因子等。包括： 1. 胆固醇：胆固醇的含量增加会降低膜的流动性。
2. 脂肪酸链的饱和度：脂肪酸链所含双键越多越不饱和，使膜流动性增加。 3. 脂肪酸链的链长：长链脂肪酸相变温度高，膜流动性降低。
4. 卵磷脂/鞘磷脂：该比例高则膜流动性增加，是因为鞘磷脂粘度高于卵磷脂。 5. 其他因素：膜蛋白和膜脂的结合方式、温度、酸碱度、离子强度等。 1.3.2 Fluidity of membrane proteins
主要有侧向扩散和旋转扩散两种运动方式。可用荧光漂白技术和细胞融合技术检测侧向扩散。旋转扩散指膜蛋白围绕与膜平面垂直的轴进行旋转运动，膜蛋白的侧向运动受细胞骨架的限制，破坏微丝的药物如细胞松弛素B能促进膜蛋白的侧向运动。 膜蛋白的运动：
由于膜蛋白分子质量较大，它不可能像膜脂那样运动。利用现代分子生物学研究技术和摄像观察，发现依据所研究蛋白的不同，运动方式也不同，可以归纳为以下几种运动形式：①随机移动。有些蛋白质能够在整个膜上随机移动。移动的速率比用人工脂双层测得的要低。②走向移动。有些蛋白比较特别，在膜中做定向移动。例如，有些膜蛋白在膜上可以从细胞的一端移向另一端。③局部扩散。有些蛋白虽然能够在膜上自由扩散，但只能在局部范围内做旋转扩散和侧向扩散。 限制膜蛋白(内在蛋白)分子运动的因素： A被膜骨架固定
B 在Motor protein的牵引下定向运动 C其运动受其它膜蛋白的限制或影响
D 被膜骨架(或其它膜结构)限制在一定范围内运动 E其运动受细胞外基质限制 1.3.3 Experimental pathways （一）细胞融合 Cell fusion
1970年Larry Frye等人将人和和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。 （二）成斑和成帽现象 Patching & Capping
淋巴细胞通过产生抗体对外源蛋白进行应答,抗体分子位于细胞质膜上。蛋白质能够在不同的动物中诱导产生抗体，如果将小鼠的抗体注入兔子中,兔子将会产生抗小鼠抗体的抗体。可以从兔子的血液中分离这种抗体,并将这种抗体共价连接到荧光染料上,就可以通过荧光显微镜进行观察。
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当兔子的抗小鼠的抗体与小鼠的淋巴细胞混合时,带有标记的抗体就会同小鼠淋巴细胞质膜上的抗体结合,并分布在整个淋巴细胞的表面,但很快就会成块或成斑。导致这种现象的原因是抗体是多价的,每一个兔子的抗体能够同小鼠细胞质膜表面的多个抗体分子反应,也就是说小鼠的每一个膜抗体将同多个兔子的抗体反应。这样, 在小鼠淋巴细胞的细胞质膜表面形成“兔抗小鼠抗体分子-小鼠膜结合抗体”的斑。斑逐渐聚集扩大,当小鼠淋巴细胞质膜表面抗体全部同兔子的抗小鼠抗体结合后,将会在细胞表面的一侧形成“帽子”结构,最后通过内吞作用进入细胞。很显然,如果小鼠细胞质膜中的抗体蛋白不能自由的进行侧向扩散的话,斑和帽都是不能形成的。 （三） 光脱色荧光恢复技术 FRAP
FRAP :fluorescence recovery after photobleaching. 不仅能够证明膜的流动性，同时也能测量膜蛋白扩散的速率。
脱色恢复技术是研究膜蛋白或膜脂流动性的基本实验技术之一。用荧光素标记膜蛋白或膜脂，然后用激光束照射细胞表面某一区域，使被照射区的荧光淬灭变暗。由于膜的流动性，淬灭区域的亮度逐渐增加，最后恢复到与周围的荧光强度相等。根据荧光恢复的速度可推算出膜蛋白或膜脂扩散速度。
研究膜流动性的一种方法。首先用荧光物质标记膜蛋白或膜脂, 然后用激光束照射细胞表面某一区域, 使被照射区域的荧光淬灭变暗形成一个漂白斑。由于膜的流动性,漂白斑周围的荧光物质随着膜蛋白或膜脂的流动逐渐将漂白斑覆盖，使淬灭区域的亮度逐渐增加, 最后恢复到与周围的荧光光强度相等。
细胞膜蛋白的标记方法有很多种。可以用非特异性的染料,如异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate,FITC)将细胞膜蛋白全部进行标记。也可用特异性的探针,如荧光抗体,标记特异的膜蛋白。膜蛋白一旦被标记就可用激光束进行局部照射处理,使荧光脱色,形成直径约为1μm的白斑。若是可移动的膜蛋白,则会因蛋白的移动,使白斑消失,若是不能移动的蛋白.则白斑不会消失。
根据荧光恢复的速度, 可推算膜脂的扩散速度为每秒钟为几个微米，而膜蛋白的扩散速度变化幅度较大，少数膜蛋白的扩散速度可达到膜脂的速度，大多数蛋白的扩散速度都比膜脂慢，还有一些膜蛋白完全限于某一个区域。正是这种限制，使膜形成一些特定的膜微区(membrane domain),这些微区具有不同的蛋白组成和功能。这实际上是膜蛋白不对称分布带来膜功能的不对称。
FRAP技术也有它的不足之处。第一,它只能检测膜蛋白的群体移动,而不能观察单个蛋白的移动。其次,它不能证明膜蛋白在移动时是否受局部条件的限制。为了克服这些不足,发展了单颗粒示综(single-particle tracking,SPT)技术,可以用抗体金(直径15～40 nm)来标记单个膜蛋白,然后通过计算机控制的摄像显微镜进行观察。 思考：膜的流动性有何生物学意义？
质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如跨膜物质运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。 ① 细胞质膜适宜的流动性是生物膜正常功能的必要条件。 ② 酶活性与流动性有极大的关系，流动性大活性高。
③ 如果没有膜的流动性，细胞外的营养物质无法进入，细胞内合成的胞外物质及细胞废物也不能运到细胞外，这样细胞就要停止新陈代谢而死亡。
④ 膜流动性与信息传递有着极大的关系。 ⑤ 如果没有流动性，能量转换是不可能的。
⑥ 膜的流动性与发育和衰老过程都有相当大的关系。 1.4 Membrane asymmetry
样品经冰冻断裂处理后，细胞膜往往从脂双层中央断开，为了便于研究，各部分都有固定的名称： ES，质膜的细胞外表面（extrocytopasmic surface）； PS，质膜的原生质表面（protoplasmic surface）；EF（extrocytopasmic face），质膜的细胞外小页断裂面；PF（protoplasmic face），原生质小页断裂面。
1.4.1 Asymmetry of membrane lipids
脂分子在脂双层中呈不均匀分布，质膜的内外两侧分布的磷脂的含量比例也不同。PC和SM主要分布在外小页，而PE和PS主要分布在质膜内小叶。用磷脂酶处理完整的人类红细胞，80%的PC降解，而PE和PS分别只有20%和10%的被解。
膜脂的不对称性还表现在膜表面具有胆固醇和鞘磷脂等形成的微结构域——脂筏 1.4.2 Asymmetry of membrane proteins
膜蛋白的不对称性是指每种膜蛋白分子在细胞膜上都具有明确的方向性和分布的区域性。各种膜蛋白在膜上都有特定的分布区域。
某些膜蛋白只有在特定膜脂存在时才能发挥其功能，如：蛋白激酶C结合于膜的内侧，需要磷脂酰丝氨酸的存在下才能发挥作用；线粒体内膜的细胞色素氧化酶，需要心磷脂存在才具活性。
每种膜蛋白在膜中都有特定的排布方向，与其功能相适应，这是膜蛋白不对称性的主要因素。膜蛋白的不对称性包括外周蛋白分布的不对称以及整合蛋白内外两侧氨基酸残基数目的不对称 1.4.3 Asymmetry of membrane Carbohydrate
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