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关于红细胞膜的组织结构，一般以液体镶嵌模型学说来阐释。认为红细胞膜由许多排列整齐的磷脂分子组成双分子层，中间嵌入未酯化的胆固醇及糖脂分子。磷脂的“头”部(羧基端) 一层面向胞浆，另一层面向血浆。磷脂含酰基的长“尾”部(氨基端)交织成网状，成为膜的亲脂质而疏水的核心。在正常温度下，这一疏水核心处于一种液晶状态。这有利于红细胞极重要的生理功能，即柔韧性和变形性能。许多膜蛋白和脂蛋白不规则地嵌入由磷脂组成的双分子层，有的只嵌入内层或外层，有的贯穿内外两层。这样的构形使脂质和蛋白质在膜的平面中能较自由地向两侧移动，而蛋白质穿过双层的移动则受到较大限制，并对双层脂质起固定作用。膜外面的磷脂主要都是磷脂酰胆碱和神经鞘磷脂。膜内面的磷脂为磷脂酰氨基乙醇和磷胆酰丝氨酸。在双分子层外面还有一层起源于膜内、伸向外面树枝样结构的糖蛋白，散置于脂质分子之间。ABO血型抗原即以糖蛋白的形式存在。Rh抗原也露在红细胞膜外面，每个红细胞上约1万个。约17％的膜蛋白呈螺旋形构型。外膜的最外面还可以吸附数量多少不一的白蛋白和免疫球蛋白G等血浆蛋白分子。
红细胞膜内层的表面有一层支架蛋白，组成网络样的结构，这对调节红细胞的变形性能极为重要。此支架的主要成分是收缩蛋白和肌动蛋白的短纤维。这两种蛋白与胞膜贴在一起。收缩蛋白的棒形分子主要以四聚体或更高的聚合体的形式存在，铺在膜的内面，形成格子状支架。这样使得红细胞膜的双脂层具有柔韧性和变形性能。如果收缩蛋白的二聚体比例增高，整个细胞支架的支持力便会减弱，以致红细胞的机械脆性增高，结果发生溶血。
