膜的脂質(zhì)中以磷脂類為主，約占脂質(zhì)總量的70%以上；其次是膽固醇，一般低于30%；還有少量屬鞘脂類的脂質(zhì)。磷脂的基本結(jié)構(gòu)是：一分子甘油的兩個羥基同兩分子脂酸相結(jié)合，另一個羥基則與一分子磷酸結(jié)合，后者再同一個堿基結(jié)合。根據(jù)這個堿基的不同，動物細胞膜中的磷脂主要有四種：磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸和磷脂酰肌醇。鞘脂類的基本結(jié)構(gòu)和磷脂類似，但不含甘油。膽固醇結(jié)構(gòu)很特殊，它含有一個甾體結(jié)構(gòu)（環(huán)戊烷多氫菲）和一個8碳支鏈。
最初提示膜中脂質(zhì)呈雙分子層形式存在的，是對紅細胞膜所作的化學測定和計算。Gortert和Grendel（1925）提取出紅細胞膜中所含的脂質(zhì)，并測定將這些脂質(zhì)以單分子層在水溶液表面平鋪時所占的面積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個紅細胞膜中脂質(zhì)所占的面積，差不多是該細胞表面積的2倍。因此導致以下結(jié)論：脂質(zhì)可能是以雙分子層的形式包被在細胞表面的。以后提出的雙分子層模型中，每個磷脂分子中由磷酸和堿基構(gòu)成的基團，都朝向膜的外表面或內(nèi)表面，而磷脂分子中兩條較長的脂酸烴鏈則在膜的內(nèi)部兩兩相對。脂質(zhì)分子的這種定向而整齊的排列，是由脂質(zhì)分子本身的理化特性和熱力學定律所決定。所有的膜脂質(zhì)都是一些雙嗜性分子，磷脂的一端的磷酸和堿基是親水性極性基團，另一端的長烴鏈則屬疏水性非極性基團。當脂質(zhì)分子位于水表面時，由于水分子是極性分子，脂質(zhì)的親水性基團將和表面水分子相吸引，疏水性基團則受到排斥，于是脂質(zhì)會在水表面形成一層親水性基團朝向水面而疏水性基團朝向空氣的整齊排列的單分子層。從熱力學業(yè)角度分析，這樣組成的系統(tǒng)包含的自由能最低，因而最為穩(wěn)定，可以自動形成和維持。
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