细胞膜对于保持细胞结构的完整性以及维持细胞正常的生命活动具有至关重要的作用。对于细胞膜在生理条件下的超微结构形态和细胞膜各组份的整体结构组装还缺乏一致的结论。原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)兼具高分辨、液相成像以及实时动态的优点，在液相条件下研究细胞膜具有突出的优势。本论文主要利用AFM高分辨成像和单分子力谱(Single-Molecule ForceSpectroscopy, SMFS)研究接近生理条件下细胞膜的微观结构，从生物进化角度，按照从低等到高等、从简单到复杂的顺序研究了鲫鱼、乌龟、鸡血红细胞，哺乳动物体细胞及细胞器的膜结构，揭示了细胞膜结构的相似性和膜蛋白分布的不对称性规律。主要内容如下:　　1.以鲫鱼为代表，研究了鱼类的血红细胞膜结构。不同于人类双面凹的盘状无核红细胞，鲫鱼的红细胞呈椭圆形双面凸的盘状，且中间有椭圆形的细胞核。鲫鱼红细胞的尺寸比人类红细胞大，细胞膜厚度约为人类红细胞的两倍。实验结果揭示了鲫鱼红细胞膜上蛋白质的不对称性分布:细胞膜外侧比较光滑没有蛋白颗粒分布;而细胞膜内侧比较粗糙，分布有致密的蛋白颗粒。这种不对称性与人类红细胞膜结构的半镶嵌模型是一致的，说明半镶嵌模型也适用于阐述鱼类红细胞的膜结构。　　2.以乌龟为代表，研究了爬行动物的血红细胞膜结构。乌龟红细胞形状与鲫鱼红细胞相似，有椭圆形的细胞核，但尺寸更大一些。细胞膜厚度与鲫鱼无明显差别，都厚于人类红细胞膜。高分辨AFM成像揭示了乌龟红细胞膜光滑的外膜和蛋白覆盖的内膜。SMFS检测到内膜上大量膜蛋白暴露的氨基基团而外膜几乎没有暴露的氨基基团，证实了蛋白分布的不对称性。乌龟红细胞膜不对称的膜结构与人类、鱼类红细胞膜结构的半镶嵌模型相符，使半镶嵌模型的适用范围从哺乳动物、鱼类拓展到爬行类。　　3.以鸡血红细胞为代表，研究了鸟类的血红细胞膜结构。鸡血红细胞与鱼类、爬行类红细胞形状相似，都是有核红细胞。细胞尺寸上，从乌龟、鲫鱼到鸡，逐渐减小。鸡血红细胞膜的厚度比鲫鱼、乌龟小一些，但厚于人类红细胞膜。它们在磷脂双分子层的厚度上并无明显差异。高分辨AFM成像表明，鸡血红细胞膜外膜比较光滑，膜蛋白并没有突出于细胞表面;而内膜比较粗糙，大量蛋白紧密排列于磷脂双分子层之上。SMFS进一步证实了蛋白的不对称性分布。原位实时AFM观察到了环糊精对细胞内膜中脂筏区域的溶解作用，首次为鸡血红细胞膜中脂筏的存在提供了直接的证据。鸡血红细胞膜不对称的膜结构完全符合人类、鱼类、爬行类红细胞膜结构的半镶嵌模型。红细胞膜结构的半镶嵌模型从哺乳类、鱼类、爬行类进一步拓展到鸟类。这个结果对于从生物进化的观点揭示半镶嵌模型的广泛适用性具有重要的意义。　　4.结合三种单分子技术，包括AFM、SMFS、随机光学重建显微镜(StochasticOptical Reconstruction Microscopy, STORM)研究了哺乳动物有核体细胞的膜结构。我们发现:(1)在细胞膜胞外侧（外表面），蛋白位于磷脂双分子层之上，形成一层致密的4nm的蛋白层;(2)在胞质侧，蛋白形成均匀分散的岛状聚集体，厚度10-12 nm;(3)细胞膜中存在富含胆固醇的区域;(4)细胞膜外表面的糖类形成微区;(5)细胞膜内外两侧暴露的氨基是不对称分布的。据此，我们提出了一个新的细胞膜结构模型，蛋白层-磷脂-蛋白岛即PLLPI模型，可以用来解释有核哺乳动物细胞基本的膜结构。这个模型有助于更好地理解细胞膜信号转导、膜运输、病毒融合机理等一系列细胞膜相关的功能。　　5.研究了从大鼠肝脏分离提取的线粒体膜的超微结构。线粒体外膜表面没有明显的凹凸不平和蛋白颗粒分布，膜内包含膜结合蛋白，平均粗糙度为1.0±0.3nm。我们第一次用高分辨AFM成像了完整的脱去外膜的线粒体及其形成的多层膜。单层线粒体内膜厚度为7.1±0.9 nm，与人类红细胞膜的厚度差别不大。线粒体内膜膜间隙侧比较光滑，没有蛋白颗粒，而基质侧是包含蛋白颗粒的，平均粗糙度分别为0.6±0.2 nm和1.5±0.4 nm，这与细胞膜两侧蛋白的不对称性分布相似，证明了细胞中生物膜结构的一致性。