流動モザイクモデル

細胞膜は化学的には、リン脂質、タンパク質、炭水化物、コレステロールという4つの要素から構成される。

機能的な生体膜の持つ流動的性質は、スピンラベリング（英語版）、X線回折、カロリメトリー実験を通じて示されてきた。これらの研究によって、膜タンパク質の拡散速度は自らが埋め込まれた脂質二重層の粘度の影響を受けることが示され、細胞膜内の分子は静的ではなく動的であることが実証された^[1]。

以前の生体膜のモデルとしては、J. David Robertsonによる単位膜モデル（英語版）やダブソン–ダニエリモデル（英語版）があった^[2]。これらのモデルでは、タンパク質はリン脂質の二重層に取り込まれているのではなく、脂質層に隣接したシートとして存在しているとされた。他のモデルでは、タンパク質と脂質の層が規則正しく繰り返されているとされた。これらのモデルは顕微鏡的・熱力学的なデータによる支持があまり得られず、膜の動的な性質の証拠を取り入れることもできなかった^[2]。

生体膜の流動的性質を支持する証拠となる重要な実験はFryeとEdidinによって行われた。彼らは、センダイウイルスを用いてヒトとマウスの細胞を融合させ、ヘテロカリオンを形成させた。マウスとヒトのタンパク質は、細胞融合の直後はヘテロカリオンの各半球に分かれて位置していることが抗体染色によって示された。しかし、タンパク質は徐々に拡散し、時間と共に両半球の境界は失われた。温度を下げることで膜のリン脂質の流体相からゲル相への転移が引き起こされ、拡散の速度は低下した^[3]。シンガーとニコルソンは、流動モザイクモデルを用いてこれらの実験の結果を合理的に説明した^[1]。

流動モザイクモデルは、細胞膜の構造と性質の温度による変化や、膜と膜タンパク質の結合の説明が可能であった。シンガーとニコルソンは自らのモデルを支持する多くの証拠を複数の分野から得ていたが、近年の蛍光顕微鏡や構造生物学の進展によって細胞膜の流動モザイク性は確証された。

生体膜の2つの層は非対称的で、さらに特定のタンパク質や脂質組成によって構成されるサブドメインへと分割される。これによって、膜と関連した生物学的過程を空間的に分離することが可能となっている。コレステロールとコレステロール結合タンパク質は脂質ラフトに集中しており、これらのラフトに限定された細胞シグナリングが行われる^[4]。他の非対称性はMouritsenとBloomによって1984年に示された。彼らは脂質-タンパク質間相互作用によって脂質膜の厚さやタンパク質の疎水性領域の長さが変化するというマットレスモデル（Mattress model）を提唱した^[5]。

流動モザイクモデルの発表後、重要な生物学的機能を持つ、二重膜ではない脂質構成の存在が確認された。これらの膜構造は細胞分裂や密着結合の形成時にみられ、細胞が非二重層構造を拡大する必要がある時に有用である可能性がある^[6]。

膜の二重層は常に平坦であるわけではない。局所的な膜の湾曲は、上述した非対称的な脂質組成や非二重層構造によって引き起こされる。より劇的で機能的な湾曲がBARドメイン（英語版）によって行われる。BARドメインは膜表面のホスファチジルイノシトールに結合し、小胞や細胞小器官の形成、細胞分裂を助ける^[7]。常に流動的に湾曲は形成され続けており、生体膜の動的な性質に寄与している^[8]。

1970年代に、個々の脂質分子は脂質膜の各層内を横方向に自由に拡散することが明らかにされた^[9]。平均的な脂質分子は1秒で約 2 µmと高速で拡散し、これは大きな細菌の細胞の長さに相当する^[9]。また個々の脂質分子が自身の軸に沿って高速で回転していることも観察された^[9]。さらにリン脂質分子は、稀にではあるが、一方の層から他方の層へ移動する（フリップフロップ（flip-flop）として知られる）。しかし、フリップフロップはフリッパーゼと呼ばれる酵素によって増強されたものである可能性がある。上述したこれらの過程は、脂質分子と脂質膜内で相互作用するタンパク質の無秩序性に影響し、膜の流動性やシグナル伝達、輸送、機能に影響をもたらしている。