細胞膜，是一種生物膜分隔的內部所有的細胞從外部環境，其可防止電池（胞外空間）它的環境。細胞膜由脂質雙層組成，包括位于磷脂之間以保持其流動性的膽固醇（一種脂質成分）在各種溫度下。膜還包含膜蛋白，包括作為膜轉運蛋白穿過膜的整合蛋白，以及松散附著在細胞膜外側（外周）的外周蛋白，充當塑造細胞的酶。細胞膜控制著物質進出細胞和細胞器的運動。以這種方式，它是選擇性地滲透到離子和有機分子。此外，細胞膜參與多種細胞過程，如細胞粘附、離子傳導性和細胞信號傳導，并作為幾種細胞外結構的附著表面，包括細胞壁、稱為糖萼的碳水化合物層和稱為細胞骨架的蛋白質纖維的細胞內網絡。在合成生物學領域，細胞膜可以人工重組。

雖然羅伯特胡克在1665年對細胞的發現導致了細胞理論的提出，但胡克誤導了細胞膜理論，即所有細胞都含有堅硬的細胞壁，因為當時只能觀察到植物細胞。顯微鏡學家專注于細胞壁超過150年，直到顯微鏡技術取得進展。在19世紀早期，發現植物細胞可以分離后，細胞被認為是獨立的實體，沒有聯系，并由單個細胞壁束縛。該理論擴展到包括動物細胞，以提出細胞保護和發育的通用機制。到19世紀下半葉，顯微鏡仍然不夠先進，無法區分細胞膜和細胞壁。然而，此時一些顯微鏡學家正確地識別出，雖然看不見，但可以推斷細胞膜存在于動物細胞中，這是由于細胞內成分的細胞內運動而不是外部運動，并且膜并不等同于細胞壁到植物細胞。還推斷細胞膜不是所有細胞的重要組成部分。許多人在19世紀末駁斥了細胞膜的存在。1890年，細胞理論的更新指出細胞膜存在，但僅僅是二級結構。直到后來對滲透性和滲透性的研究，細胞膜才獲得更多的認可。1895年，ErnestOverton提出細胞膜是由脂質構成的。

Gorter和Grendel于1925年提出的脂質雙層假說基于晶體學研究和肥皂泡觀察對細胞膜雙層結構的描述進行了推測。為了接受或拒絕這個假設，研究人員測量了膜厚度。1925年，Fricke確定紅細胞和酵母細胞膜的厚度在3.3到4nm之間，該厚度與脂質單層相容。這些研究中使用的介電常數的選擇受到質疑，但未來的測試無法反駁最初實驗的結果。獨立地，leptoscope的發明是為了通過將從樣品反射的光強度與已知厚度的膜標準的強度進行比較來測量非常薄的膜。該儀器可以解決取決于pH測量值和8.6到23.2nm范圍內的膜蛋白存在的厚度，較低的測量值支持脂質雙層假設。在1930年代后期，膜結構模型被普遍認為是Davson和Danielli(1935)的寡分子模型。該模型基于對油和棘皮動物卵之間表面張力的研究。由于表面張力值似乎遠低于油水界面的預期值，因此假設某些物質負責降低細胞表面的界面張力。有人提出脂質雙層位于兩個薄的蛋白質層之間。少分子模型立即流行起來，并在接下來的30年中主導了細胞膜研究，直到它與Singer和Nicolson(1972)的流體鑲嵌模型相媲美。

盡管在流體鑲嵌模型之前提出了許多細胞膜模型，但它在1970年代出現后很長時間內仍然是細胞膜的主要原型。雖然流體鑲嵌模型已經現代化以詳細說明當代發現，但基本原理保持不變：膜是由親水性外部頭部和疏水內部組成的脂質雙層，其中蛋白質可以通過極性相互作用與親水性頭部相互作用，但蛋白質完全或部分跨越雙層具有與非極性脂質內部相互作用的疏水性氨基酸。該流體鑲嵌模型不僅提供了膜力學的準確表示，還加強了疏水力的研究，后來發展成為描述生物大分子的基本描述性限制。

幾個世紀以來，科學家們引用的科學家們不同意他們所看到的細胞膜結構的重要性。近兩個世紀以來，人們看到了細胞膜，但大多將其視為具有細胞功能的重要結構而被忽視。直到20世紀，細胞膜的重要性才得到承認。最后，兩位科學家Gorter和Grendel(1925)發現膜是“基于脂質的”。由此，他們進一步認為這種結構必須處于模仿層的地層中。進一步研究后，通過比較細胞表面和脂質表面的總和發現，估計比例為2:1；因此，提供了今天已知的雙層結構的xxx個基礎。

該結構已被不同的作者不同地稱為外質體（deVries，1885），Plasmahaut（等離子皮膚，Pfeffer，1877，1891），Hautschicht（皮膚層，Pfeffer，1886；與不同的含義由Hofmeister,1867),質膜(Pfeffer,1900),質膜,細胞質膜,細胞包膜和細胞膜。一些不相??信細胞表面存在功能性可滲透邊界的作者更喜歡使用術語質膜（由Mast，1924年創造）來表示細胞的外部區域。

細胞膜含有多種生物分子，尤其是脂質和蛋白質。成分不是固定的，而是隨著流動性和環境的變化而不斷變化，甚至在細胞發育的不同階段都會波動。具體來說，人類初級神經元細胞膜中膽固醇的含量會發生變化，這種成分的變化會影響整個發育階段的流動性。

材料通過多種機制被結合到膜中，或從膜中去除：

• 細胞內囊泡與膜的融合（胞吐作用）不僅排出囊泡的內容物，而且還將囊泡膜的成分結合到細胞膜中。細胞膜可能會在細胞外物質周圍形成氣泡，這些氣泡被夾斷成為囊泡（內吞作用）。
• 如果膜與由膜材料制成的管狀結構連續，則來自管的材料可以連續地被吸入膜中。
• 雖然水相中膜成分的濃度低（穩定的膜成分在水中的溶解度低），但脂質和水相之間存在分子交換。

細胞膜由三類兩親脂質組成：磷脂、糖脂和甾醇。每個的量取決于細胞的類型，但在大多數情況下，磷脂是最豐富的，通常占質膜中所有脂質的50%以上。糖脂僅占約2%的微量，其余為甾醇。在RBC研究中，30%的質膜是脂質。然而，對于大多數真核細胞，質膜的組成按重量計大約是脂質的一半和蛋白質的一半。

磷脂和糖脂中的脂肪鏈通常含有偶數個碳原子，通常在16到20之間。16和18碳脂肪酸是最常見的。脂肪酸可以是飽和的或不飽和的，雙鍵的構型幾乎總是“順式”。脂肪酸鏈的長度和不飽和度對膜流動性有深遠的影響，因為不飽和脂質會產生扭結，阻止脂肪酸緊密堆積在一起，從而降低膜的熔化溫度（增加流動性）。一些生物體調節細胞膜流動性的能力通過改變脂質成分被稱為順勢適應。

整個膜通過疏水尾部的非共價相互作用保持在一起，但結構非常流暢，并沒有牢固地固定在適當的位置。在生理條件下，細胞膜中的磷脂分子處于液晶狀態。這意味著脂質分子可以自由擴散并沿著它們所在的層表現出快速的橫向擴散。然而，雙層的細胞內和細胞外小葉之間的磷脂分子交換是一個非常緩慢的過程。脂筏和小窩是細胞膜中富含膽固醇的微區的例子。此外，與完整膜蛋白直接接觸的一部分脂質與蛋白質表面緊密結合，稱為環狀脂質殼；它表現為蛋白質復合物的一部分。

在動物細胞中，通常發現膽固醇以不同程度分散在整個細胞膜中，位于膜脂疏水尾部之間的不規則空間中，在那里它賦予膜硬化和強化作用。此外，生物膜中膽固醇的含量因生物體、細胞類型甚至單個細胞而異。膽固醇是動物質膜的主要成分，它調節整個細胞膜的流動性，這意味著膽固醇根據其濃度控制各種細胞膜成分的運動量。在高溫下，膽固醇會抑制磷脂脂肪酸鏈的運動，導致對小分子的滲透性降低和膜流動性降低。膽固醇在較低溫度下的作用正好相反。膽固醇的產生以及因此的濃度響應于低溫而上調（增加）。在寒冷的溫度下，膽固醇會干擾脂肪酸鏈的相互作用。作為防凍劑，膽固醇保持膜的流動性。膽固醇在寒冷天氣動物中比溫暖天氣動物更豐富。在缺乏膽固醇的植物中，稱為甾醇的相關化合物具有與膽固醇相同的功能。

細胞膜圍繞著活細胞的細胞質，將細胞內成分與細胞外環境物理分離。細胞膜還起到錨定細胞骨架的作用，為細胞提供形狀，并附著在細胞外基質和其他細胞上以將它們固定在一起形成組織。真菌、細菌、大多數古細菌和植物也有細胞壁，它為細胞提供機械支持并阻止較大分子通過。

細胞膜具有選擇性滲透性，能夠調節進出細胞的物質，從而促進生存所需物質的運輸。物質跨膜的運動可以是“被動的”，在沒有細胞能量輸入的情況下發生，也可以是“主動的”，需要細胞在運輸過程中消耗能量。細胞膜還保持細胞電位。因此，電池膜作為選擇性濾波器，其僅允許某些東西進入或在細胞外部。

細胞采用許多涉及生物膜的運輸機制：

1.被動滲透和擴散：一些物質（小分子、離子）如二氧化碳（CO2）和氧氣（O2），可以通過擴散穿過質膜，這是一種被動運輸過程。因為膜對某些分子和離子起到屏障的作用，它們可以在膜的兩側以不同的濃度出現。當小分子和離子從高濃度自由移動到低濃度以平衡膜時，就會發生擴散。它被認為是一種被動運輸過程，因為它不需要能量并且由膜每一側產生的濃度梯度推動。這種跨半透膜的濃度梯度為水建立了滲透流。滲透，在生物系統中涉及溶劑，通過類似于被動擴散的半透膜，因為溶劑仍然隨濃度梯度移動并且不需要能量。雖然水是電池中最常見的溶劑，但它也可以是其他液體以及超臨界液體和氣體。

2.跨膜蛋白通道和轉運蛋白：跨膜蛋白延伸穿過膜的脂雙層；它們在膜的兩側起作用以將分子運輸穿過它。糖類或氨基酸等營養物質必須進入細胞，某些代謝產物必須離開細胞。這些分子可以通過蛋白質通道被動擴散，例如促進擴散的水通道蛋白，或者被跨膜轉運蛋白泵過膜。蛋白質通道蛋白，也稱為通透酶，通常非常具體，它們只識別和運輸有限種類的化學物質，通常僅限于單一物質。跨膜蛋白的另一個例子是細胞表面受體，它允許細胞信號分子在細胞之間進行交流。

3.內吞作用：內吞作用是細胞通過吞噬分子來吸收分子的過程。質膜向內產生小的變形，稱為內陷，其中要運輸的物質被捕獲。這種內陷是由細胞膜外側的蛋白質引起的，這些蛋白質充當受體并聚集成凹陷，最終促進更多蛋白質和脂質在膜的胞質側積累。然后變形從細胞內部的膜上夾斷，形成一個包含捕獲物質的囊泡。內吞作用是一種內化固體顆粒（“細胞吞噬”或吞噬作用）、小分子和離子（“細胞飲用”或胞飲作用）的途徑)和大分子。內吞需要能量，因此是一種主動運輸形式。

4.胞吐作用：正如物質可以通過內陷和形成囊泡而進入細胞，囊泡的膜可以與質膜融合，將其內容物擠壓到周圍的介質中。這是胞吐作用的過程。胞吐作用發生在各種細胞中，以去除由內吞作用帶入的未消化的物質殘留物，分泌激素和酶等物質，并將物質完全運輸穿過細胞屏障。在胞吐過程中，未消化的含廢物的食物液泡或從高爾基體萌芽的分泌小泡，首先通過細胞骨架從細胞內部移動到表面。囊泡膜與質膜接觸。兩個雙層的脂質分子重新排列，兩個膜因此融合。在融合膜中形成通道，囊泡將其內容物排放到細胞外。