细胞膜（cell membrane）是由脂质、蛋白质和糖类构成的生物膜结构，作为细胞的最外层边界，它不仅为细胞提供了相对稳定的内环境，还在物质跨膜运输、能量转换和信息传递等细胞-环境交互过程中发挥核心作用。在真核细胞中，除质膜外还存在多种膜性细胞器（如内质网、高尔基复合体、溶酶体及膜泡等），这些结构共同构成内膜系统。细胞内膜系统与质膜均属于生物膜（biological membrane）范畴，二者具有相似的基本结构特征。

细胞膜的研究可以追溯至1895年，欧文顿（E, Overton）首次提出细胞膜是由脂质组成的。1925年，荷兰科学家戈特（E.Gorter）和格伦德尔（F.Grendel），用有机溶剂（丙酮）对人类红细胞膜进行了抽提，并将其铺展成单分子层，测定发现面积约为所用红细胞表面面积的2倍，因而提出了脂双分子层的基本结构概念。在之后的研究中，人们的视角逐渐扩展至对膜结构模型的猜想，并提出了各种设想。

1935年，丹尼利（H.Danielli） 和达夫森（ J.Davson） 通过系统实验发现，油-水界面的表面张力显著高于细胞膜；若在脂滴表面吸附蛋白质，其表面张力则显著降低。基于此，他们提出细胞膜为“蛋白质-脂质-蛋白质”的三明治式片层结构模型（lamellar structure model），首次将生物膜的理化特性与其微观结构相关联。1954年，丹尼利和达夫森进一步修正该模型，推测膜上存在由蛋白质构成的极性孔道（polar pores），以介导亲水性小分子的跨膜运输，从而解释细胞膜对极性物质的通透性机制。

单位膜模型与片层结构模型存在显著差异：前者提出脂质双分子层两侧的蛋白质以β-折叠构象（β-sheet conformation）的单层肽链形式存在，而非后者假设的球形蛋白质。单位膜模型的重大意义在于首次将膜的分子组成与电镜观察到的超微结构特征相关联。然而，该模型将生物膜描述为一种静态的对称性结构，未能解释：膜结构的动态变化特性；膜相关生物学功能的实现机制，如酶活性调节与蛋白质构象变化之间的关联。

20世纪60年代以来，冷冻蚀刻技术证实了膜中蛋白质颗粒的存在，红外光谱和旋光色散技术则证明膜蛋白主要以α-螺旋的球形结构而非β-折叠形式存在。在这一研究背景下，1972年，辛格（S.J.Singer）和尼克尔森（G.Nicolson）提出了具有里程碑意义的流动镶嵌模型（fluid mosaic model）。该模型认为：脂质双分子层构成膜的基本骨架，兼具晶体排列的有序性和液体的流动性；膜蛋白以整合蛋白（嵌入脂双层）和外周蛋白（附着膜表面）两种形式存在；膜结构具有动态性、不对称性和流动性特征。这一模型成功解释了生物膜的结构与功能关系，成为目前广为接受的理论框架。然而，该模型在解释质膜动态变化中如何维持结构稳定性方面存在局限，由此催生了晶格镶嵌模型（强调膜脂相变）、板块镶嵌模型（解释膜区域性流动差异）等补充理论，共同推动了对生物膜结构的深入认识。

磷脂是细胞膜的主要成分，其分子由亲水的含磷酸基团头部（如磷脂酰胆碱中的胆碱）和疏水的脂肪酸链尾部组成。根据骨架不同可分为甘油磷脂（如磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸）和鞘磷脂，其中含量较少的磷脂酰肌醇虽仅占膜脂的少量，却在细胞信号转导中起关键作用。糖脂占膜脂总量不足5%，由脂质和寡糖组成，主要分布在膜的非胞质面。动物细胞中的糖脂多为鞘氨醇衍生物（鞘糖脂），而细菌和植物则以甘油磷脂衍生物为主。目前已发现40余种糖脂，其差异主要在于由1至多个糖残基构成的极性头部结构，这些糖脂共同参与形成细胞表面的糖被结构。

细胞膜的功能主要由膜蛋白执行。在动物细胞中，蛋白质约占质膜质量的50%，其余成分为脂质及少量糖类和糖蛋白。值得注意的是，由于脂质分子远小于蛋白质分子，脂质分子数量约为蛋白质的50倍。膜蛋白具有多种重要功能：物质转运（如营养物质、代谢物和离子）、细胞连接、信号受体以及酶催化等。不同细胞或细胞器的膜可能含有数百种特异性的膜蛋白，这些蛋白与膜的结合方式决定了膜的两侧不对称性特征。根据与脂双层的结合方式，膜蛋白可分为三类：内在蛋白（整合于脂双层中），外在蛋白（附着于膜表面），脂锚定蛋白（通过脂分子共价连接）。这种多样性使膜蛋白能够精确调控细胞的各项生理功能。

膜内在蛋白

跨膜蛋白占膜蛋白总量的70-80%，是执行膜功能的关键组分。这类蛋白可分为单次、多次和多亚基跨膜三种类型，其跨膜结构域主要呈现两种特征性构象：α螺旋型通过疏水氨基酸残基与脂双层相互作用，亲水氨基酸形成通道内衬；β桶型则以折叠片层构成筒状结构，内侧亲水、外侧疏水。这两种结构都完美适应了脂双层的两亲性环境，其中多次跨膜的α螺旋蛋白和β桶蛋白能够形成亲水通道，实现水溶性物质的跨膜转运。

膜外在蛋白

膜外在蛋白又称周边蛋白，占膜蛋白总量的20%~30%，是一类与细胞膜结合比较松散的蛋白质。膜外在蛋白不插入脂双层，通过非共价键或a螺旋间接与细胞膜结合，分布在质膜的胞质侧或胞外侧。

脂锚定蛋白

脂锚定蛋白（脂连接蛋白）是一类通过共价键与膜脂结合的膜蛋白，主要分为两种类型：一类直接与脂双层中的脂肪酸链共价连接；另一类则通过糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定于膜外表面。GPI锚定蛋白通过其末端的磷酸乙醇胺与蛋白质C端共价结合，这种特殊结构使其既能保持膜蛋白的稳定性，又具有类似周边蛋白的侧向流动性。这类蛋白在细胞信号转导、免疫识别和酶定位等过程中发挥重要作用，其独特的锚定方式为细胞膜提供了灵活的功能调控机制。

细胞膜中的糖类成分占膜重2%-10%，主要以糖蛋白和糖脂形式分布于膜外表面。这些糖链通过天冬酰胺（N-连接）或丝氨酸/苏氨酸（O-连接）与膜蛋白共价结合，形成保护性糖被结构。红细胞膜中糖类含量可达8%，其糖基化层通过形成水合屏障保护细胞免受机械损伤。糖链的亲水特性使细胞表面具有粘弹性，有助于迁移细胞如白细胞穿越组织间隙。更重要的是，糖链的特定排列构成细胞识别密码，在精卵识别等过程中起关键作用。虽然糖脂功能尚未完全阐明，但已知其参与细胞间相互作用，如神经节苷脂介导的神经突触形成。这些糖复合物的结构多样性反映了细胞膜功能的进化适应性。

磷脂双分子层和蛋白质的镶嵌面；或按二维排成相互交替的镶嵌面。

膜内在性蛋白质的极性区突向膜表面，非极性部分埋在双层内部。

随着环境条件的变化，脂质分子的晶态和液晶态是互变的。

在细胞中，膜的组分处于不断更新的状态。

细胞膜的不对称性（membrane asymmetry）是膜功能方向性的结构基础，不对称性指细胞膜中各种成分的分布是不均匀的。细胞膜主要由脂质、糖类和蛋白质组成这些成分的种类和数量差异很大，这与细胞膜的功能密切相关。细胞膜上的蛋白质是不对称分布的，各种膜蛋白在质膜上都有一定的位置。此外，膜脂在脂质双分子层的内外单层中分布是不同的。

细胞膜的流动性是其执行生命活动的关键特性，表现为膜脂和膜蛋白的动态运动。在生理温度（37℃）下，膜脂分子在单层平面内可进行侧向扩散和旋转运动，使膜呈现二维流体特性。这种独特的液晶态结合了晶体的有序性和液体的流动性，是生物膜的功能基础。当温度低于相变点（如25℃）时，脂双层会转变为凝胶态，分子运动受限；温度回升后又能恢复液晶态。这种相变特性直接影响膜的渗透性和功能，如低温下膜流动性降低会导致物质运输效率下降。

细胞膜的分隔功能使其能够将细胞内容物与外界环境隔离，形成独立的内部环境。这种分隔特性使细胞活动不受外界干扰，并能自主调节生命活动。细胞膜为各种生化反应提供了特定场所，创造了有序的代谢空间，使各类生物分子能够有序地进行精确的相互作用。这种结构特性为各种生理生化反应提供了理想的微环境，确保细胞生命活动高效有序地进行。

细胞膜作为选择性屏障，能够精确调控物质交换，同时介导细胞器与细胞间的信息传递。其屏障功能通过特异的膜通道蛋白实现选择性通透，确保特定物质有序进出。这种选择性通透机制确保了细胞内外及细胞器间的有效通讯。

细胞膜上存在特化的转运结构，能够介导溶质逆浓度梯度的跨膜运输。这些转运系统通过消耗能量实现主动运输，使细胞得以积累糖类、氨基酸等必需营养物质，为细胞代谢和大分子合成提供原料基础。特别值得注意的是，细胞膜通过离子泵建立的离子浓度梯度，对神经细胞和肌肉细胞等可兴奋细胞的正常功能至关重要。这种主动运输机制是细胞维持内外环境差异的关键所在。

单纯扩散是指脂溶性物质或某些不带电荷的小极性分子（如O2、CO2、N2、甘油和水等）通过脂质双分子层从高浓度侧向低浓度侧的跨膜运动。这一过程完全遵循物理扩散规律，不依赖生物膜上的转运蛋白，也不消耗细胞代谢能量，是一种纯粹的被动运输方式。扩散速率主要取决于物质的脂溶性、分子大小、膜两侧浓度梯度以及环境温度等因素。

易化扩散是指非脂溶性小分子或离子在膜蛋白帮助下，顺浓度梯度或电位梯度进行的跨膜转运。可分为经通道易化扩散和经载体易化扩散两种形式，其中经通道易化扩散是指带电离子在通道蛋白介导下顺电化学梯度转运。特点包括：属于被动转运；转运速率高；具有离子选择性和门控特性。水分子主要通过水通道快速跨膜。经载体易化扩散是指水溶性小分子在载体蛋白帮助下顺浓度梯度转运。特点包括：具有结构特异性；存在饱和现象；会发生竞争性抑制。载体蛋白只能识别特定结构的底物，当底物浓度过高时会出现转运饱和，相似结构的物质会竞争结合位点。

主动转运是细胞通过膜蛋白介导、消耗代谢能量实现的物质逆浓度/电位梯度跨膜运输方式，根据能量来源可分为原发性主动转运和继发性主动转运两类，其中原发性主动转运是细胞直接利用ATP水解释放的能量，驱动物质（主要是带电离子）逆电化学梯度进行的跨膜运输过程。这一过程由一类特殊的膜转运蛋白——离子泵介导，其本质是具有ATP水解酶活性的整合膜蛋白。继发性主动转运是一种间接利用能量的跨膜运输方式，其动力来源于原发性主动转运建立的离子浓度梯度（如Na+、H+梯度），而非直接消耗ATP。

膜泡运输是细胞转运大分子和颗粒物质的重要方式，通过膜包围形成囊泡来完成转运过程，需要能量供应和多种蛋白质参与。根据转运方向可分为出胞和入胞两种形式。

出胞过程将胞内大分子物质包裹在分泌囊泡中排出细胞，常见于外分泌细胞释放消化酶、内分泌细胞分泌激素以及神经末梢释放神经递质等情况。入胞则是细胞外物质被细胞膜包裹形成囊泡进入细胞的过程，其中吞噬作用针对固态物质（如细菌、细胞碎片），而吞饮作用则转运液态物质。这些膜泡运输过程都需要消耗能量，并涉及复杂的膜融合与离断机制。

细胞膜中的转运蛋白根据结构和功能特性可分为载体蛋白和通道蛋白两类。载体蛋白通过特异性结合位点识别底物，在转运过程中发生构象变化，具有饱和动力学特性，可进行主动或被动运输；而通道蛋白则形成亲水性跨膜通道，具有大小和电荷选择性，转运时不发生构象变化，主要介导被动运输。这些转运蛋白的功能异常会导致多种疾病，如胱氨酸尿症（肾小管上皮细胞胱氨酸载体缺陷）、肾性糖尿（近端小管Na+-葡萄糖协同转运蛋白异常）和囊性纤维化（CFTR氯离子通道功能障碍）。这些疾病的发病机制主要涉及编码基因突变导致的蛋白结构异常、转运活性丧失或降低、膜定位障碍以及调控机制失调等方面。

细胞膜受体在物质跨膜运输和信号转导过程中起重要作用。由细胞膜受体的数量、结构、特异性、结合力的异常所引起的疾病被统称为受体病（receptor disease）。受体病主要有遗传性受体病、自身免疫性受体病和继发性受体病三种类型。

肿瘤细胞表型及生物学行为的显著变化与细胞膜组分和结构的变化密切相关，膜脂的改变；膜蛋白的改变；膜抗原的改变。