生物膜模型
生物膜模型构建及其应用
生物膜模型构建及其应用生物膜是一种广泛存在于自然界中的物质形态，常见于生物、环境和工业等领域中。
生物膜的主要成分是细胞膜和胞外基质，常见于细菌、水藻、真菌和其他微生物细胞的表面。
生物膜的复杂性质使得其成为化学、生物学和物理学等领域中的研究热点之一。
为了更好地理解生物膜的特性和实现更具针对性的研究，科学家们采用生物膜模型进行研究，本文将从生物膜模型的构建和应用两方面展开论述。
一、生物膜模型的构建生物膜模型的构建包括模型的选择、参数的确定以及计算模拟等步骤。
（一）模型的选择生物膜模型的选择根据所要研究的内容和目的进行，常用的生物膜模型包括：1. 黏性弹性模型：基于平铺假设和两个细胞之间的相互作用，用于模拟单个细菌或细胞群的形变和流动。
2. 颗粒模型：使用颗粒代替细胞和高分子物质，包括离散元素分子动力学模型（Discrete Element Molecular Dynamics, DEMD）和离散-连续杂交模型（Discrete-Continuum Hybrid Model，DCHM），用于研究生物膜的固态物理性质。
3. 老动力学模型：使用嵌段共聚物模型和Monte Carlo模拟结合，模拟细胞膜的有序结构和相互作用。
根据研究目的和问题的不同，选择适合的生物膜模型十分关键。
（二）参数的确定参数的确定十分重要，它决定了模型的准确性和可靠性。
确定参数的方法有两种：1. 静态方法：集思广益，依靠先前的实验或文献研究所得的参数值进行初始设定，优点是简单、直观，缺点是不够准确。
2. 动态方法：利用数据逆推和实验，结合计算模拟，不断调整参数，使模型逐渐趋近实际情况，优点是精细、准确，但是需要大量的实验和计算支持。
（三）计算模拟计算模拟是构建生物膜模型的最后一步，也是最重要的一步。
常用的计算模拟方法包括分子动力学模拟、有限元法和随机游走方法等。
二、生物膜模型的应用生物膜模型已经被广泛应用于生物医学、环境科学和工程领域，包括：（一）药物设计基于生物膜模型可以设计出新型药物分子，预测其在生物膜中的相互作用和药效，从而提高药物的疗效和安全性。
课件4：4.2 生物膜的流动镶嵌模型
新的发现：
随着新技术的运用，科学家发现膜蛋白并不是全部 铺在脂质的表面，有的蛋白质是镶嵌在脂质双分子 层中的。
有什么证据说明细胞膜不是静止的呢？
[资料六]
时间：1970年（探究细胞膜的结构特性） 人物：Larry Frye等 实验：将人和鼠的细胞表面的蛋白分别用不同的荧光标记后， 让两种细胞融合，杂交细胞的一半发红色荧光、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。
蛋白质分子有的镶嵌在磷脂双分子层表面,有的部分 或全部嵌入磷脂双分子层中，有的横跨整个磷脂双 分子层。（体现了膜结构内外的不对称性）
生物膜的特点
❖ 结构特点： 具有一定的流动性
❖ 功能特点： 具有选择透过性
课堂总结
主要 成分
结构
结构
细
模型
胞
膜
磷脂、蛋白质 （还有糖蛋白架：磷脂双分子层
例题
使用下列哪种物质处理会使细胞失去识别能力（ C ）
A . 核酸酶 C. 糖水解酶
B .龙胆紫 D .淀粉酶
5、磷脂分子和大多数蛋白质是可以运动的，体现 了膜的流动性（结构特点）
（1）磷脂分子的运动性 （2）膜蛋白的运动性
流动镶嵌模型的基本内容： 1、膜的组成成分： 主要是磷脂和蛋白质，还有少量的糖类。 2、膜的基本支架: 磷脂双分子层。 3、蛋白质分子的位置:
空气
空气
水
水
结论：细胞膜中的脂质分子排列成连续的两层
P66思考与讨论 磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所 组成的分子，磷酸“头”部是亲水的， 脂肪酸“尾”部是疏水的。
亲水头部
疏水尾部
生物膜的结构模型
生物膜的结构模型生物膜是由多种生物分子构成的薄层结构，包括脂质、蛋白质和糖类等，它们通过各种相互作用相互连接在一起构成了不透水的屏障。
生物膜在细胞内起到了许多关键的功能，例如维持细胞的形状、调控物质的进出以及参与细胞间的相互作用等。
生物膜的结构模型可以帮助我们更好地理解生物膜的组成和功能，进而有助于探索相关的生物学问题。
1.扁平膜模型：扁平膜模型是生物膜最早提出的结构模型之一，它认为生物膜是由两层磷脂分子层构成的。
磷脂分子是一种极性分子，具有疏水性的疏水尾部和亲水性的亲水头部。
根据这个模型，生物膜的内部是由疏水尾部相互排列的脂质屏障，疏水头部与水接触，形成了水相界面。
然而，这个模型无法解释许多生物膜的功能，比如膜上的特异性蛋白质、膜上的酶活性等。
2.浮动蛋白质模型：浮动蛋白质模型是对扁平膜模型的一种补充和修正。
它认为生物膜上有许多浮动的蛋白质，这些蛋白质能够在脂质屏障上任意移动。
这个模型能够解释膜上酶活性等的现象，但仍不能解释膜内蛋白质与脂质分子之间的相互作用。
3.海岛模型：海岛模型是对生物膜结构的一种最新的认识。
它认为生物膜上存在着许多固定的蛋白质簇，这些蛋白质簇被固定在脂质屏障上，并通过一些特定的相互作用与脂质分子结合在一起。
这个模型解释了膜内蛋白质与脂质分子之间的相互作用，以及膜上特异性蛋白质的存在。
除了以上几种主要的结构模型，还有一些其他的模型，例如疏水孔道模型、翻车酪氨酸模型等。
这些模型基于不同的实验结果和理论推测而提出，并在一定程度上解释了生物膜的结构和功能。
总结起来，生物膜的结构模型包括了扁平膜模型、浮动蛋白质模型、海岛模型以及其他的一些模型。
这些模型有助于我们更好地理解生物膜的组成和功能，但仍然存在许多待解决的问题。
未来的研究将进一步完善这些模型，探索生物膜的更多内部结构和功能细节。
生物膜的结构模型流动镶嵌模型(共30张PPT)
B
4.从细胞膜上提取了某种成分，用非酶法处理后，加入双缩脲试剂出现紫色；若加入斐林或班氏试剂并加热，出现砖红色。 该成分是（ ） A．糖脂 B．磷脂 C．糖蛋白 D．脂蛋白
5、细胞膜的流动镶嵌模型与蛋白质—脂质—蛋白质三层结构模型的最大的不同是（ ） A、流动镶嵌模型认为细胞膜具有一定的流动性
A
脂蛋白5细胞膜的流动镶嵌模型与蛋白质脂质蛋白质三层结构模型的最大的不同是a流动镶嵌模型认为细胞膜具有一定的流动性b蛋白质脂质蛋白质三层结构模型认为细胞膜具有一定的流动性c流动镶嵌模型认为细胞膜具有选择性d蛋白质脂质蛋白质三层结构模型认为细胞膜具有透过性19世纪末欧文顿选用500多种化学物质对植物细胞膜的通透性进行了上万次的研究发现细胞膜对不同物质的通透性不一样
A．细胞膜具有一定流动性
B．细胞膜是选择透过性
C．细胞膜的结构是以磷脂分子层为基本骨架 D．细胞膜上镶嵌有各种蛋白质分子
2．细胞膜上与细胞识别、免疫反应、信息传递和血型决定有着密切关系的化学物质是（ ） A．糖蛋白 B．磷脂
A C．脂肪 D．核酸
3．变形虫的任何部位都能伸出伪足，人体某些白细胞能吞噬病菌，这些生理过程的完成都依赖于细胞膜的（ ）
第4章 细胞的物质输入和输出
资料一
19世纪末，欧文顿选用500多种化学物质对植物细胞膜的通透性 进行了上万次的研究，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样。
脂溶性物质易透过细胞膜，不溶于脂类的物质透过细胞膜十分困难。 这说明了什么？
资料二
20世纪初，科学家将细胞膜从哺乳动物成熟的红细胞中分 离出来，化学分析表明：
子为单层片状，两侧的蛋白质分
子不相同。生物膜为静态的统一
结构。
磷脂
蛋白质
生物膜的流动镶嵌模型(共31张PPT)
生物膜结构的探索历程
想一想
在建立生物膜模型的过程中，实验 技术的进步起到怎样的作用？
1970年，弗雷（Larry Frye）和埃迪登（）等科学家用绿色荧光染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，用红色荧光染料标记人细胞表面的蛋白质分
子（免疫荧光染色技术），将小鼠细胞和人的细胞融合。
阅读教材P68 “蛋白质-脂质-蛋白质”三层结构是否是静态结构?
面积的2倍。
得出结论：
细胞膜中的脂质分子（主要是磷脂分子）必然排列 为连续的两层。
细胞膜上的磷脂分子如何排列成连续 的两层?
除脂质外，蛋白质也是细胞膜的主要成 分。那么蛋白质位于细胞膜的什么位置?
1935年， 丹尼利（J. Danielli ）和戴维桑（ H. Davson ） 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。
2、蛋白质分子:有的镶嵌在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿整个磷脂双分子层（体现了膜结构内外的不对称性 ）。
脂质和蛋白质是怎样组成膜的?
1925年，荷兰科学家高特（） 和戈莱格尔（），用丙酮（一种有机溶剂，可以溶解脂质）从人的红细胞中提取脂质，在空气—水界面上铺成单层
分子。
plasma membrane
提出假说——单位膜模型
生物膜是由“蛋白质-脂质-蛋白质”的三层结构构成的静态统一 结构。 （“蛋白质—脂质—蛋白质”三明治模型）
1959年，罗伯特森（） 用锇酸处理了细胞膜（蛋白质经锇酸作用后形成高电子密度的锇黑,在电镜下呈暗带，磷脂分子电子密度低则呈亮带 ），用
超薄切片技术获得了清晰的红细胞细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构，厚约。
生物膜流动镶嵌模型的特点
生物膜流动镶嵌模型的特点生物膜是由脂质和蛋白质组成的双层结构，通过这一结构可以将细胞内外环境分隔开来，并且起到维持细胞内稳态、调控物质交换和信息传递等重要功能。
下面是生物膜流动镶嵌模型的几个主要特点：1.脂质双分子层结构：生物膜主要由磷脂双分子层组成，双分子层中的疏水磷脂分子互相靠近，而疏水头基则暴露在水相中。
这种双分子层结构使得生物膜对水和溶质具有选择性通透性。
2.脂质双分子层的流动性：生物膜双分子层具有高度的流动性，磷脂分子可以自由地在平面内扩散、旋转和翻转。
这种流动性使得生物膜能够快速恢复其形状，并且使得膜上的蛋白质能够在膜上自由扩散和交互作用。
3.蛋白质的镶嵌：蛋白质是生物膜的另一个重要组成部分，它们以不同方式镶嵌在脂质双分子层中。
有些蛋白质只在膜的一侧存在，而另一些则横跨整个膜。
这种镶嵌方式使得蛋白质能够在膜上进行特定的功能活动，如运输物质、感受外界刺激和媒介信号传递等。
4.膜蛋白的多样性和功能性：生物膜上的蛋白质非常多样，它们具有很多不同的结构和功能。
有些蛋白质是通道蛋白，用于调节物质的跨膜运输；还有一些蛋白质是受体蛋白，能够与外界的信号分子结合并传递信号。
这种多样性和功能性使得膜上的蛋白质能够满足细胞的不同需求。
5.糖基化的膜蛋白和糖脂：除了磷脂和蛋白质外，生物膜上还存在着糖基化的膜蛋白和糖脂。
这些糖基化物质能够参与细胞识别和黏附、免疫应答等重要过程。
总之，生物膜流动镶嵌模型描述了生物膜的双层结构和组成，以及膜上的蛋白质在其中的功能。
它强调了生物膜的流动性、蛋白质的镶嵌方式和多样性，以及糖基化的膜成分的重要性。
这个模型为我们理解生物膜的结构和功能提供了重要的指导，并且在生物学研究中得到广泛应用。
原创11：4.2 生物膜的流动镶嵌模型
提出假说： 细胞膜中的磷脂和蛋白质都具有流动性。
探索历程（结构）
资料八
时间：1972年 科学家：桑格和尼克森 模型：生物膜的流动镶嵌模型
二、流动镶嵌模型的基本内容
1、生物膜的组成：
主要由蛋白质和脂质组成
2、生物膜的基本骨架： 磷脂双分子层 （亲水性头部朝向两侧，疏水性尾部朝向内侧）。
3、蛋白质分子存在形态： 有镶在表面、嵌入、贯穿三种。细胞膜外侧的蛋白质 分子与糖类结合形成糖被。体现了生物膜的不对称性。 （糖被与细胞识别、胞间信息交流等有密切联系）
连续两层排列
问题：蛋白质在细胞膜中如何分布呢？ 和磷脂分子的位置关系如何呢？
探索历程（结构：蛋白质的排布）
资料四 时间：1959年 人物：罗伯特森
提出假说： 所有的生物膜都由蛋白质—脂质—蛋白质三层
结构构成，是静态的统一结构。（单位膜模型）
质疑
1.膜厚度： 实际膜厚度
7.5nm；
模型与实际相符合吗？
D.由两层磷脂分子构成，两层磷脂的头部相对
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资料三
时间：1925年 人物：Gorter和Grendel 实验：用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在 空气—水界面上铺成单分子层。测得单分子层 的面积恰好为红细胞的表面积的2倍。
提出假说： 细胞膜中的磷脂是双层的
细胞膜的两侧都有水环境存在，同学们尝试着 大胆的推测和想象一下在这样的环境中，双层磷脂 分子在细胞膜中怎样排列稳定性最高？
生物膜的流动镶嵌模型
一、对生物膜结构的探索历程
探索历程（成分） 资料一
时间：19世纪末 人物：欧文顿 实验：
不溶于脂质的物质 溶于脂质的物质
提出假说： 膜是由脂质组成的。
高中生物生物膜的流动镶嵌模型 22张PPT
பைடு நூலகம்
思考
1、在生物膜模型的建立和完善过程中，你受到 哪些启示?
1. 科学研究的艰辛历程; 2.告诉我们建立模型的一般方法; 3.实验技术的进步推动科学发展; 4.结构与功能相适应； 5.科学理论是在不断修正中完善的。
提出问题 磷脂分子在细胞膜中是怎样排列的？
作出假设
连续两层 排列
一、对生物膜结构的探索历程
验证假说
资料二：E.Gorter&F.Grendel 1925 用有机溶剂提取了人类红细胞质膜 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。
一、对生物膜结构的探索历程
资料三：20世纪初，科学家第一次将 膜从哺乳动物的红细胞中分离出来。 化学分析表明，膜的主要成分是脂质 和蛋白质。
最近，想要落在笔尖的话语实在太多，像是汩汩泉水不断的渗透着，滋养着每日的生活，多么想停下来好好的醉一场，多么想停下来好好的笑一场，就如同胖大星昨天发我的那种，等你熬过这段低谷期，也一定要找一个山花烂漫的地方，发自内心的笑出灿烂。 从早上起来时，内心的自己就呼唤出一个声音：好累啊！ 是啊，好累啊！哪里累？累什么？说不出来。 有点扎心，但是事实。没有一个人的生活是容易的。
模型构建3：蛋白质位于脂双层的什么 位置呢？
一、对生物膜结构的探索历程
资料四： J.D.Robertson 1959 有超薄切片获得了清 晰的细胞膜照片，显 示暗-明-暗三层结构。 他大胆地提出了生物 膜的“三明治”模型。
质疑
细胞膜不应是静态的刚性结构，而应当 是动态的弹性结构。
思考
有什么证据证明细胞膜中的物质是不 断运动的？
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1．对生物膜成分的探索 ——脂质
资料1 时间：19世纪末 1895年 人物：欧文顿（E.Overton）
非脂溶性物 质 脂溶性物质
生物膜的成分是否 只有脂质？还有其 他成分吗？
实验：用500多种物质对 植物细胞的通透性进行上 万次的实验。 发现: 细胞膜对不同物质 的通透性是不一样的：溶 于脂质的物质比不溶于脂 质的物质更容易通过细胞 膜。
最后一关
蛋白质 细胞融合的实验表明了组成细胞膜的__________分子是可 以运动的，由此也证明了细胞膜具有__________的特点。 流动性
课外探究
1．细胞膜中除了含有磷脂和蛋白质分 子外，还有其它物质吗？请你课后搜索 这方面的信息。 2．制作细胞膜模型有没有更好的设计 方法和更合适的实验材料。希望你课 后能尝试一下。
。
补充： 在细胞膜的外表有糖蛋白，又叫做糖被。还有糖脂。
糖蛋白的作用： 有保护、润滑和识别作用；
概念图小结
生物膜
结构特点
功能特点
③ 流动性
④选择透过性 决定
① 磷脂双分子层
②蛋白质分子
结构组成
结构探究历程
思考
1．在生物膜模型的建立和完善过程中，你受到 哪些启示?
（1）科学研究的艰辛历程； （2）告诉我们建立模型的一般方法； （3）实验技术的进步推动科学发展； （4）结构与功能相适应； （5）科学理论是在不断修正中完善的。
资料6：人-鼠细胞融合实验
时间：1970年 人物：费雷和埃迪登等 实验：将人和鼠的细胞膜蛋白质用不同荧光染料标记后 融合。（动画）
人细胞
诱导 荧光标记 膜蛋白 融合
40分钟后
370C
鼠细胞
结论：细胞膜具有一定的流动性
经历了 探索的 历程, 你能总 结出流 动镶嵌 模型的 内容吗 ？
二、流动镶嵌模型的基本内容 1、基本支架为 磷脂双分子层 ， 2、蛋白质 或镶在或嵌入或贯穿磷脂双分子层 3．结构特点 。 流动性
2．生物膜的流动镶嵌模型是否已完美无缺？说说 你的看法。
生物膜的流动镶嵌模型不可能完美无缺。人类对自然界的认识 永无止境，随着实验技术的不断创新和改进，对膜的研究将更 加细致入微，对膜结构的进一步认识将能更完善地解释细胞膜 的各种功能，不断完善和发展流动镶嵌模型。
总结：生物膜结构的探究历程
时间和人物 19世纪末 欧文顿
随堂闯关
第二关 下列哪种膜结构能通过生 物大分子（ ） A 细胞膜 B 核膜 C 线粒体膜 不要灰心， 不要灰心， 再来一次！ 再来一次！ D 叶绿体膜
随堂闯关
第三关
变形虫的任何部位都能伸出伪足，人 体某些白细胞能吞噬病菌，这些生理 过程的完成都依赖于细胞膜的（ ） A 保护作用 B 一定的流动性 C 主动运输 D 选择透过性
生物膜的功能特点：
生物膜是一种选择透过性膜：
这种膜可以让水分子自由通过，细 胞要选择吸收的离子和小分子也可 以通过，而其他的离子、小分子和 大分子则不能通过。
为什么生物膜有这样的功能特性？
一、对生物膜结构的探索历程
19世纪 欧文顿 1925年 两位荷兰科学家 1959年 罗伯特森 1970年 小鼠细胞和人细胞融合 1972年 桑格和尼克森
假说：
生物膜是由“蛋白质—脂质—蛋白质”构成 的三层静态统一结构（生物膜三明治模型）。
三 明 治 模 型
建模的基本方法
根据现象 和已有知 识提出假 说或模型
用观察和实验 对假说或模型 进行检验、修 正 和 补 充
实 践 检 验
学习小组讨论
1．蛋白质与磷质排布与你先前
的猜想有何区别？与三明治模型 呢？ 2．三明治模型还有何不足之处， 找出证据说明。
…
不溶于脂质的物质
溶于脂质的物质
●
●
细胞膜
两层暗层（蛋白质）
一层明层（脂质）
标本用干冰等冰冻。后用冷刀断开，升温 后暴露断裂面。
蛋白质在膜中的分布是不对称的
蛋白质镶在、嵌入、横跨在磷脂双分子层中。
1．磷脂双分子层构成膜的基本支架。
二、 流动 镶嵌 模型 的基 本内 容
2．蛋白质分子有的镶在磷脂双分子层表面， 有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有 的横跨整个磷脂双分子层。 3．磷脂分子和蛋白质分子都不是静止不动 的,而是具有一定的流动性。
第四关
随堂闯关
细胞膜上与细胞识别、 免疫反应、信息传递和血 型决定有密切关系的化学 物质是（ ） A 糖蛋白 B 磷脂 C 脂肪 D 核酸
第五关
随堂闯关
下列物质中,不能横穿细 胞膜进出细胞的是（ ） A 维生素D和性激素 B 水和尿素 C氨基酸和葡萄糖 D酶和胰岛素
随堂闯关 在人和鼠的细胞融合实验中，用两种荧光物分别标记两 种抗体，使之分别结合到鼠和人的细胞膜表面抗原物质上 （如下图）。实验结果表明，细胞开始融合时，人、鼠细 胞的表面抗原“泾渭分明”，各自只分布于各自的细胞表面； 但在融合之后，两种抗原就平均地分布在融合细胞的表面 了。请分析回答下面的问题。
假说： 膜是由脂质组成的
2．对生物膜成分的探索——蛋白质
资料2 科学家在实验中发现：细胞膜不但会 生物膜中的脂质主 被溶解脂质的物质溶解，也会被蛋白酶(能 要是哪一种？ 专一地分解蛋白质的物质)分解。 问题探讨： 根据实验现象,你对膜化学成分在种类 脂质分子与蛋白质 上认识是否还有新的结论?
在膜中如何排列?
20世纪初 1925年， 两位荷兰 科学家 1959年， 罗伯特森 1970年
历史事件
多种物质对膜通透性实验 对红细胞膜化学分析 红细胞膜的脂质铺展成单 层分子的面积是原膜表面 积的两倍
历史结论
膜是由脂质组成的 膜中含脂质和蛋白质
脂质双层结构
电镜下膜呈“暗—亮—暗” 蛋白质—脂质—蛋白质 三层结构 人、鼠细胞融合实验。 膜具流动性
②完全浸没在水中。 2．人体组织细胞内外环境如何？预测生物 膜中磷脂的排列方式，并画出来。
空气
水
以人细胞为例，预 测生物膜中磷脂的 排列方式为哪一种
4．对生物膜结构的探索——磷脂双分子层
资料 时间：1925年
人物：荷兰科学家Gorter和Grendel
实验：用丙酮从红细胞中提取脂质，在空气—水界 面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细 胞表面积的两倍。 结论： 膜中脂质分子排列为连续两层
得出结论：
生物膜中可能还含有蛋白质
3.生物膜结构的探索生物源自中的脂质 主要是哪一种？——磷脂
生物膜中的脂质和蛋白质 是如何排列的？
不要着急！！！！
先来了解下磷脂分子结构特点：
亲水头部
疏水尾部
磷脂是一种由甘油，脂肪酸和磷酸所组成 的分子。
分组讨论
根据磷脂分子的结构特点 1．参照书中的磷脂分子模型画出下面两种 情况下磷脂的分布情况： ①在空气－水界面上
猜想
大胆猜想：磷脂双分 子层与蛋白质的排布方式。
5．对生物膜架构的探索——脂质和蛋白质的排布方式
资料4：罗伯特森的实验 电子显微镜是用电子束 照射被检样品，由于电 子与不同物质发生碰撞 而产生不同散射度。因 蛋白质电子密度高，故 显暗带，磷脂分子电子 密度低则呈亮带。(照片)
超薄切片技术获得的细胞膜照片
1972，桑格 新的观察和实验证据的基础 和尼克森 上，提出分子结构模型。
流动镶嵌模型
随堂闯关
第一关
据研究发现，胆固醇、小分子脂肪酸、 维生素D等物质较容易优先通过细胞膜， 这是因为（ ） A 细胞膜具有一定流动性 B 细胞膜是选择透过性 C 细胞膜的结构是以磷脂 分子层为基本骨架 D 细胞膜上镶嵌有各种 蛋白质分子